铸造铝合金绿色化规划概论

1. 铸造铝合金绿色化规划概论 重庆大学 机械工程学院 钱翰城

2. 1.前言 21世纪用材必须满足绿色化原则，即凡是不满足绿色化原则的材料均不允许生产和使用。因为随着社会的进步，制造业飞速发展，人类物质生活水平不断提高，但资源和能源却逐渐枯竭，生存环境逐渐恶化，目前已影响到了人类自身的生存。一些科学家将生存环境的污染与资源、能源的耗竭比喻为第三次世界大战，提出了与人权宣言等同的环境权宣言，这一思想已被全世界接受。另一方面，在节能、节材的要求下，材料又向着轻量化方向发展。轻量化要求材料有高的比强度和比刚度，以尽量减轻自重，提高功率质量比，达到高速、高效、节能和减轻排放污染的目的。铸造轻合金是其中重要组成部分之一。

3. 2.绿色化概念 在制造业中，绿色化概念主要体现在材料的设计、生产和加工、使用和回收上。一个重要环节是材料的设计、生产及加工，它是制造业中对环境污染最严重的环节，必须实现清洁化生产，当然这还仅仅是狭义的绿色化概念。广义的绿色化概念，应遵循清洁化原则和资源的最大化节约即可持续发展的原则。

4. 2.1 清洁化原则 清洁化原则指材料在提炼、加工、制造、使用、回收再利用过程中排放的气体、液体、固体废弃物对人类及环境无害，或达到允许的排放标准。 2.2 可持续发展原则 可持续发展原则指利用材料不能仅仅关注眼前的利益，而必须着眼将来，选择有利于未来发展的材料进行设计、加工、制造、使用、回收方法。它主要包括两方面的内容——材料来源丰富、物质质量与能量利用最优化。

5. 2.2.1 材料来源问题 要求材料来源丰富，是为了能长期有效地利用所选择的材料，避免因材料的匮乏而导致生产中断或成本增加。 2.2.2 材料质量与能量利用问题 只有采用对材料进行优化设计，使材料的质量及能量最优化利用，才能达到节约材料、降低能耗的目的。

6. (1)材料质量利用问题 图1是原材料从素材经加工成产品，产品经使用、废弃，通过回收再生再回到素材的示意图。 图1 材料回收利用示意图

7. (2)能量利用问题 能量利用最优化与材料质量利用最优化是相辅相成的。不同途径生产金属所需的能耗如表1所示。

8. 表1 从不同途径生产金属所需的能耗 GJ／t

9. 从表1数据可知：材料在回收再生时的能耗远小于素材生产的能耗，所以产品或材料在废弃后的回收再利用就显得十分重要。与此同时，其排放污染量亦相应大幅度降低。从表1数据可知：材料在回收再生时的能耗远小于素材生产的能耗，所以产品或材料在废弃后的回收再利用就显得十分重要。与此同时，其排放污染量亦相应大幅度降低。 总的说来，绿色化原则可作如下表述：① 材料来源丰富；② 材料在提炼、加工、制造、使用、回收再利用过程中易于实现清洁化生产，产生最小的排放污染；③ 材料质量与能量利用最优化。以上原则均与材料的设计有关。

10. 3.绿色化生产问题 绿色化生产是现代化生产的必要条件，绿色化生产包括两个层次的内容：一是清洁化生产，二是物质及能源的节约。 一般对清洁化生产均有明确的认识，即在生产过程中尽量减少或消除有毒有害气体、液体、固体排放物，保持人类及其它生物的良好生存环境。自1974年在联合国会议上提出环境宣言以来，这一看法已得到人类社会的普遍共识。我们都能回想得起来，我们童年时的自然环境与现在生存环境有多么的不同，这都是在工业化过程中不经意间损害了我们的生存环境造成的。现代文明的建立不能以损害环境为代价。目前在工业发达国家已有很多立法，我国目前亦在逐步跟上，但是不能不指出我们的法律和实际行动尚远远不够。在铸造企业中，压铸企业的环境较砂铸企业要好，但喷涂涂料工序、高温熔体中有害元素的蒸发等造成的污染严格说均达不到标准的要求，应进一步予以重视。

11. 较深层次的认识是对物质及能源的节约。随着社会的发展与人口的不断增加，对社会物质需求亦不断增加。大量生产、大量消费的社会生活方式无疑造成了自然界物质和能源的不断消耗和逐渐枯竭，增加了环境负担，恶化了人类乃至整个生物界的生存环境。于是“再生循环工程”应运而生，再生循环不仅能达到节约物质资源的目的，还具有节约能源、减少污染等作用。现在世界各国均十分重视再生循环工程，日本通过立法具体规定了资源再利用的方法；德国以“绿点”为标志的垃圾处理体系，在减少垃圾及提高垃圾回收利用率方面发挥重要作用；美国从20世纪80年代中期开始，俄勒冈州、新泽西州和罗德岛州先后制定了不同形式的再生循环法规。同时，美国是“产品责任”制意识走在前面的国家，要求“谁生产，谁回收”。就本行业而言，我想从以下三个方面来谈谈对“再生循环工程”的认识：较深层次的认识是对物质及能源的节约。随着社会的发展与人口的不断增加，对社会物质需求亦不断增加。大量生产、大量消费的社会生活方式无疑造成了自然界物质和能源的不断消耗和逐渐枯竭，增加了环境负担，恶化了人类乃至整个生物界的生存环境。于是“再生循环工程”应运而生，再生循环不仅能达到节约物质资源的目的，还具有节约能源、减少污染等作用。现在世界各国均十分重视再生循环工程，日本通过立法具体规定了资源再利用的方法；德国以“绿点”为标志的垃圾处理体系，在减少垃圾及提高垃圾回收利用率方面发挥重要作用；美国从20世纪80年代中期开始，俄勒冈州、新泽西州和罗德岛州先后制定了不同形式的再生循环法规。同时，美国是“产品责任”制意识走在前面的国家，要求“谁生产，谁回收”。就本行业而言，我想从以下三个方面来谈谈对“再生循环工程”的认识：

12. 第一，物质的节约。 首先谈铝矿资源的寿命，通常将金属的资源寿命定义为某金属资源的当年总储量与当年总产量之比，其定义式为： Tres = Ms / Mp (1) 式中，Tres：铝的资源寿命，年； Ms：铝资源的当年总储量，t； Mp：铝资源的当年总产量(总消耗量)，t。 在没有再生循环的情况下，铝的生产量便等于其需求量，即： Mp = Mreq (2) 式中Mreq：铝的需求量，t。

13. 这时式(1)可写成为 Tres = Ms / Mreq (3) 而在考虑再生循环利用的情况下，铝的生产量不再等于其需求量，可表示为 Mp = Mreq – Mreu (4) 式中 Mreu：由于再生循环利用而节约的等效铝量，t。 相应的式(1)可改写为 Tres = Ms / ( Mreq – Mreu) (5) 对比式(3)和式(5)，很明显再生循环延长了铝的资源寿命，同时我们也不难发现增大再生铝的比重有利于延长铝的资源寿命，这也正是行业发展的必然趋势。目前在社会高度工业化发展的情况下， 绿色化生产原则已经刻不容缓。

14. 图2 铝循环再生系统的物理框图 图2所示为铝循环再生系统的数学框图，图中Ei表示单位铝制备或回收利用的能耗；Mi表示原材料铝量；Wi表示废物量。

15. 定义铝料回收利用的再生指数为Ri，则有： M1 = M0 × R1 M2 = M1 × R2 Mi = Mi-1 × Ri 则在n次循环寿命周期，最初M0的铝料通过再生循环后所获得的铝料总价值为： Mt= M0 + M1 + M2 + … +Mn = M0+M0R1+M0R1R2+…+M0R1R2…Rn (6) 假设Ri = R，n趋于无穷，则铝材总价值为： Mt = M0 / (1-R) (7) 例如，1Kg铝料经过无数次使用、回收、再生，每次再生指数为0.80，则计算出其全寿命周期总价值为5Kg，即1Kg的铝原料可当成5Kg的铝料来使用；若每次再生指数更高为0.95，则可得到高达20Kg等效铝料。可见，再生指数越高，铝料的回收利用价值就越高，即绿色化程度越高。

16. 第二，能源的节约 同样，根据图1所示，可以求出铝料循环寿命周期中的总能耗： Et= M0E0 + M1E1 + … + MnEn = M0E0 + M0R1E1 + … + M0R0RiRnEn = M0E0 + M0R0...RiEi (8) 显然，只有当铝料回收再生的总能耗低于相同铝料制备的能耗时才有回收的意义，即提升了铝料的绿色性。可用下式表示： ΔE = M0R0...RiEi–ΔME0 其中ΔM = M0R0...Ri (9) 从式(8)可以看出，再生指数对能耗的影响主要取决于再生工艺的能耗。一般来讲Ei< E0，即ΔE < 0。按重庆市目前的情况，熔炼1吨原始铝矿的能耗超过万元(各地的能耗可能有差异)，而同样熔炼1吨再生铝的能源消耗不超过一千元，大大节省了能源消耗。

17. 第三，品质因素。 这里必须着重指出的是，在再生循环过程中，各种牌号的铝合金不能相互混用，否则，其价值将严重贬低。例如，熔炼ZL102的回收料时，绝对不能混入ZL104，否则熔炼出的铝合金就会被视为“废物”，即减少了铝料的再生循环次数，降低了再生指数。由式(6)可以得出，Mt远远小于M0 /(1-R)，即降低了绿色化程度，铝料回收利用价值降低。

18. 4.绿色化规划的基本思想 4.1 材料设计思想的改变 绿色材料工程的第一个环节是材料成分的绿色设计。传统的材料设计思想是多品种、多牌号以满足不同的性能要求，而新的绿色设计思想是成分简单化、统一化，尽量减少合金元素的品种及数量，可以依靠工艺手段扩大性能覆盖面。  4.2 企业选材的原则 企业选材的原则主要有4点：绿色化原则、性能要求原则、可制造性原则、技术经济性原则。绿色化规划后，由于原材料及材料品种的减少，成分简单化、统一化，从而便于实现绿色化生产、管理、加工、回收和再生，提高了材料全寿命周期总质量，符合节能、节材等绿色化原则。

19. 4.3目前铝硅合金的绿色化特点及存在问题 根据绿色化原则，铝硅合金有如下优点：① 铝占地壳总量的8.13%(质量分数)，是金属元素中蕴藏量最丰富的元素，硅则为27.72%(质量分数)，在非金属元素中仅次于氧，在固体非金属元素中居第一；② 铝在提炼及加工过程中较易实现清洁化生产，铝在使用过程中对人体及环境基本无害；③ 铝制品在大气中不易锈蚀，一次循环质量利用系数大于0.95，具有高的总质量利用率。相对而言，钢铁易于生锈，回收率低，总质量利用率低，而复合材料的复合相则难以分离，高分子材料回用后具有性能降低的弊病，均不及铝合金优越。

20. 由此可见，铸造铝硅合金是一种优良的绿色化材料，具有广阔的应用前景，但是通过研究世界各工业国家的A1-Si系合金体系，觉得尚存在一些问题，其中最主要的是牌号过多、且性能重复。由此可见，铸造铝硅合金是一种优良的绿色化材料，具有广阔的应用前景，但是通过研究世界各工业国家的A1-Si系合金体系，觉得尚存在一些问题，其中最主要的是牌号过多、且性能重复。

21. 5.对亚共晶铸造铝硅合金绿色化规划实例 如前所述，目前世界各国均有众多的铸造铝硅合金牌号，其性能大部分是相互覆盖的。根据分析，按照绿色化原则、性能原则、价格原则，将重力铸造亚共晶铝硅 合金缩减成2种(特殊要求例外)即可满足军品、民品行业结构件市场的要求。具体规划如下： ① =150～200 MPa， =1.0%～4.0%的低成本中低性能合金；② =200～400 MPa， =2.0%～8.0%的中等成本中高性能合金，其性能可通过不同工艺手段(如热处理)获得。

22. 5.1 低成本中低性能合金可选用ZL101 在我国采用ZL101就可以满足重力铸造亚共晶铝硅合金的力学性能要求。ZL101的性能如表2所示。其特点是成分简单、价格便宜、工艺性能好， =155～220 MPa，=1.0%～4.0%。

23. 表2 ZL101的力学性能 注：S为砂型铸造；R为熔模铸造；J为金属型铸造；K为壳型铸造； B为变质处理．

24. 5.2 中等成本中高性能合金可选用 新型高强度铸造亚共晶铝硅合金ZL120 在综合分析国内外高性能铸造亚共晶铝硅合金的成分及热处理工艺的基础上，采用了适当的成分设计和热处理工艺，经过反复试验，研制出一种新型高性能铸造亚共晶铝硅合金ZL120，该合金在不同热处理状态下的力学性能如表3所示。ZL120在态的比强度达到148，比刚度达到7.24，与现有的美国高性能铝硅合金354.0，A357.0，359.0及俄罗斯高强度铝硅合金B124等相比，新型合金ZL120的比强度、比刚度、伸长率更高，从而使结构的可靠性更高。另外，此种合金中次要元素含量对性能不敏感，不含Be，Cd等有毒元素，加工过程和使用过程对环境及人体无害，易于统一回收和再生利用。

25. 表3 不同热处理状态下ZL120的力学性能(金属型) 注： 为不完全固溶及人工时效

26. 由表3可见，这种绿色铸造亚共晶铝硅合金的抗拉强度 可在200～420 MPa之间，在2.0％～8.0％之间选择，它覆盖了我国现有重力铸造亚共晶铝硅合金的力学性能高端的全部范围(见表1)，且铸造性能及加工性能优良，成本适中。因此，完全不必采用过多牌号的铸造亚共晶铝硅合金。

27. 6.结论 (1)绿色材料工程的第一个环节是材料成分的绿色设计。传统的材料设计思想是多品种、多牌号以满足不同的性能要求，而新的绿色设计思想是成分简单化、统一化，尽量减少合金元素的品种及数量，可以依靠工艺手段扩大性能覆盖面，这样就便于实现绿色化生产、管理、加工、回收和再生，提高材料全寿命总质量，符合节能、节材等绿色化原则。

28. (2)进行绿色化规划后，在材料供应、合金熔炼、回炉料管理、回收再生等方面带来了极大的方便，具有十分显著的经济效益及社会效益。