汽車車輪材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性研究new

1、鋁制汽車車輪環(huán)境協(xié)調(diào)性研究xx yyyymmdd摘 要 本文利用生態(tài)材料的觀點(diǎn)和生命周期評價(jià)方法，分析了鋁制汽車車輪的環(huán)境協(xié)調(diào)性，并介紹了降低鋁制車輪環(huán)境負(fù)荷的技術(shù)途徑及研究進(jìn)展關(guān)鍵詞 鋁 汽車車輪 LCA 環(huán)境協(xié)調(diào)性車輪是汽車的重要部件，影響到汽車的整車性能。車輪材料的選用，影響到車輪結(jié)構(gòu)和制造工藝，并與車輪的負(fù)載能力、緩沖性以及外觀的裝飾性密切相關(guān)，是決定車輪整體性能的關(guān)鍵因素。汽車車輪按材質(zhì)主要分為傳統(tǒng)鋼制車輪和鋁合金車輪。對于鋁合金車輪，全世界95%的鋁合金車輪采用鑄造工藝，而鑄造材料普遍采用A356（ZL101A）。目前載重汽車車輪大部分采用鋼材制造，乘用車大多采用鋁合金，其中轎車使

2、用鋁合金車輪的比例高達(dá)90%以上1。隨著資源能源的緊張和對材料環(huán)保要求的不斷提高，評價(jià)鋁制汽車車輪的環(huán)境協(xié)調(diào)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1. 鋁制車輪的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(jià)生命周期評價(jià)是國際上普遍認(rèn)同的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(jià)方法，用以評價(jià)產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素及整個(gè)生命周期環(huán)境影響，涵蓋產(chǎn)品從自然中來到自然中去的全過程，也就是既包括制造產(chǎn)品所需要的原料采集、加工等生產(chǎn)過程，也包括產(chǎn)品貯存、運(yùn)輸?shù)攘魍ㄟ^程，還包括產(chǎn)品的使用過程及報(bào)廢或處置等廢棄回到自然的過程。ISO14040將生命周期評價(jià)分為四個(gè)步驟：目的范圍確定、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋2。1.1. 目的與范圍及功能單位的確定研究目的是通過生命周期評價(jià)，從全

3、局觀點(diǎn)描述鋁制汽車車輪對環(huán)境的影響，對提高產(chǎn)品的環(huán)境友好程度提供一定借鑒。研究范圍是汽車車輪鋁合金的原料開采、冶煉、車輪鑄造、車輪使用與回收再利用的全過程，考慮到鋁合金和汽車的特殊性，重點(diǎn)討論過程中的能耗問題。功能單位定為單件車輪。1.2. 清單分析1.2.1. 采礦階段和冶煉階段鋁在地殼中含量豐富，約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.13%，氧化鋁的開采工藝成熟，但我國鋁礦的品質(zhì)較低。目前，鋁冶煉相關(guān)的公開研究報(bào)告包括IAI于2003年和2007年發(fā)表的世界原生鋁工業(yè)清單數(shù)據(jù)以及EAA于2008年發(fā)表的歐洲鋁工業(yè)的環(huán)境績效報(bào)告：鋁生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化過程的生命周期清單數(shù)據(jù)等3。主要數(shù)據(jù)摘錄如下表1和表2所示。表1.歐洲鋁

4、工業(yè)電解生產(chǎn)1t鋁液直接投入（2005）氧化鋁,kg氟化鋁,kg碳素陰極,kg耐火材料,kg柴油,kg電力,kwh193216.48.05.401.5015289表2.世界鋁工業(yè)電解生產(chǎn)1t鋁液直接污染物排放（2005）氟化物,kg顆粒物,kgNOx ,kgSO2,kg苯并芘,gCF4,kg0.553.700.3214.902.600.1301.2.2. 鑄造階段鋁合金車輪一般使用整體鑄造，國內(nèi)鋁合金材料生產(chǎn)中60%采用低壓鑄造，38%采用重力鑄造，鑄造過程中的主要污染物如下表34。原鋁需要通過熔煉，加入其他合金元素，如Si、Mg、Ti、Fe等，得到適合鑄造的鋁合金。此過程中包應(yīng)計(jì)入各合金成分

5、的燒損和其他元素的環(huán)境成本。表3.鑄造過程主要污染固廢污染噪音污染廢氣污染廢液污染余料回收型砂；粉塵；涂料等打磨工件噪音；清理噪音；設(shè)備噪音等電爐煙氣；涂料氣味等廢水澆注系統(tǒng)；冒口等此外，鑄造過程中需要消耗大量能源用于熔化鋁合金和設(shè)備運(yùn)行，間接消耗的化石燃料和由此產(chǎn)生的廢氣，如CO，CO2，NOx等也應(yīng)當(dāng)計(jì)入鋁制車輪鑄造過程的環(huán)境成本中。1.2.3. 車輪使用階段一般鋁合金車輪乘用車耗油約為7L/100km，根據(jù)汽車報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，一輛汽車?yán)塾?jì)行駛50萬km或8年，即達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。按50萬km計(jì)，耗油約35kL，約合26.81t。目前中低檔轎車車重1.21.8t，鋁合金車輪單件重量69kg，利用車輪

6、占汽車質(zhì)量比，即可得到車輪在使用階段的油耗。以一般車重1.2t，車輪8kg計(jì)，每50萬km，單件鋁制車輪油耗為233.3L。根據(jù)汽油對環(huán)境影響，可以衡量汽車車輪生命周期中對環(huán)境的影響。按照93號汽油計(jì)算，得到鋁制汽車車輪環(huán)境影響如表4所示。表4.鋁制汽車車輪環(huán)境影響汽油,LCH4,gCO2 ,gCO ,gNOx,g新鮮空氣，g233.36811362536590255463406168134052503500根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，汽車車輪每減重1kg，每百公里可降低0.06L油耗，而鋁制車輪的質(zhì)量僅相當(dāng)于傳統(tǒng)鋼制車輪質(zhì)量1/3，因此鋁合金車輪在使用階段中，有利于改善汽車的環(huán)境協(xié)調(diào)性。1.2.4.

7、回收再利用階段鋁合金有較好的回收利用性，且再生鋁單位能耗僅為原生鋁的36%，生產(chǎn)成本降低4050%，目前美國鋁制品總消費(fèi)中再生鋁已經(jīng)超過50%，而汽車工業(yè)中，每年約使用的鋁制品中70%來自再生鋁。由于鋁制汽車車輪的環(huán)境影響分別來自原生鋁部分和再生鋁部分，因此能耗和污染應(yīng)當(dāng)綜合進(jìn)行評價(jià)。同時(shí)，鋁制品的回收階段還應(yīng)計(jì)入回收過程的能耗，如拆卸和處理鋁制車輪時(shí)所消耗的電能、排放的廢水及產(chǎn)生的噪音污染。1.3. 影響評價(jià)和結(jié)果解釋對清單中列出的要素按對環(huán)境的影響進(jìn)行定性和定量分析?？梢詫h(huán)境影響類型根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類， EAA分類標(biāo)準(zhǔn)將其分為九類：非生物資源消耗、酸化、富營養(yǎng)化、溫室氣體、臭氧破壞、光

8、化學(xué)氧化劑、可再生能源消耗、不可再生能源消耗。將清單要素分類后，參照相關(guān)國際組織，如SETAC等，公布的相關(guān)特征化系數(shù)和歸一化方法，對不同影響類型進(jìn)一步量化。根據(jù)EAA公布的數(shù)據(jù)可以得到鋁制汽車車輪的環(huán)境影響如下表5所示。最后依據(jù)得到鋁合金車輪環(huán)境協(xié)調(diào)性的定量分析數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的研究目的得出結(jié)論和建議。表5.1t原生鋁、1t再生鋁及單件鋁制汽車車輪環(huán)境影響(2005)環(huán)境影響類型1t原生鋁1t再生鋁單件(8kg)車輪非生物質(zhì)資源消耗，kg Sb-當(dāng)量45.363.020.2613酸化潛力，kg SO2-當(dāng)量45.411.110.2569富營養(yǎng)化潛力，kg phosphate-當(dāng)量1.940.0

9、810.0111溫室氣體排放，kg CO2-當(dāng)量967750955.4128臭氧層消耗潛力，kg R11-當(dāng)量9.79E-042.33E-055.54E-06光化學(xué)氧化劑的合成潛力，kg Ethene-當(dāng)量2.7300.0850.0155可再生能耗，MJ423861843241.7847不可再生能耗，MJ1306995683745.55362. 降低環(huán)境負(fù)荷的技術(shù)進(jìn)展2.1. 鋁合金冶煉原生鋁生產(chǎn)過程中，尋找合適電解質(zhì)以降低電解溫度、提高電流利用率、降低電解電壓是節(jié)能的主要手段，在鋁合金生產(chǎn)中，通過控制氧化、降低燒損率可以提高熔煉效率。針對鋁合金中元素?zé)龘p率不同，中國鋁業(yè)青海分公司鑄造廠根據(jù)不

10、同添加劑的燒損速率，調(diào)整配料加入時(shí)段，提高了添加劑的實(shí)收率5；從利用煙氣余熱和改善燃燒技術(shù)等方面入手，對熔煉爐進(jìn)行改進(jìn)，充分利用余熱和潛熱以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。2.2. 綠色鑄造在我國科技發(fā)展規(guī)劃中提出了綠色制造戰(zhàn)略，在鑄造業(yè)中的體現(xiàn)就是實(shí)現(xiàn)綠色鑄造工程，其核心是就是清潔生產(chǎn)6，是全面考慮環(huán)境影響和資源、能源利用效率的生產(chǎn)模式，開端減量、末端處理，原輔料的循環(huán)利用和無害化都是綠色鑄造的重要內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鋁合金車輪的鑄造可采用以下改進(jìn)措施：（1）加強(qiáng)對鑄造新工藝、新裝備的研究7。采用更加合理的澆注系統(tǒng)和澆注方法，提高鑄件質(zhì)量和工藝成品率，推廣低壓鑄造等先進(jìn)成形工藝，努力實(shí)現(xiàn)近凈成形，減少澆注后

11、續(xù)加工。（2）開發(fā)環(huán)保鑄造輔料，開發(fā)無污染的優(yōu)質(zhì)殼芯砂，采用無毒無味的精煉劑、粘結(jié)劑和環(huán)保無機(jī)粘接劑，發(fā)展舊砂回用新技術(shù)。（3）鑄造廢物再循環(huán)8。例如集中回收鋁合金碎屑，熔渣和爐渣經(jīng)水處理成為顆粒狀筑路和爆炸材料或襯墊砂，在鑄造廠內(nèi)部復(fù)原含有金屬的粉塵，非金屬含量較高粉塵收集制成團(tuán)塊后集中封存，以防止產(chǎn)生可吸入顆粒物。2.3. 廢鋁回收目前多數(shù)企業(yè)回收處理廢鋁使用傳統(tǒng)方式，向鋁合金熔煉爐直接投料重熔，突出問題是金屬燒損大（平均燒損約7.5%）、能耗高（天然氣能耗約159.96m³/t）、生產(chǎn)效率低（約1.5t/人·日），煙塵排放難以達(dá)標(biāo)9。為解決回收過程中的問題，可采取的措

12、施有：（1）對廢鋁合金進(jìn)行科學(xué)有序分類管理。針對廢鋁安不同合金系列及品種進(jìn)行歸類，對廢料及時(shí)跟蹤并進(jìn)行標(biāo)識專箱專用，廢鋁裝卸和運(yùn)輸中避免混料現(xiàn)象。（2）優(yōu)化鋁合金處理工藝，采用雙室式熔化爐作為廢鋁合金處理的核心設(shè)備，根據(jù)回收品種合理配置相關(guān)參數(shù)。雙室爐分為廢料室和爐室兩部分，大爐室結(jié)構(gòu)可以保證爐內(nèi)氣體循環(huán)穩(wěn)定，同時(shí)廢鋁在廢料室中有足夠空間進(jìn)行預(yù)處理已獲得更高熔化速率，降低重熔能耗。（3）降低重熔燒損，提高回收率。采用鋁屑循環(huán)技術(shù)，在電磁力作用下，將鋁屑推入燃燒室，使之始終保持與空氣隔絕，避免鋁屑氧化，實(shí)現(xiàn)金屬直熔；使用全封閉軌道式爐門進(jìn)料車，封閉的爐門杜絕了外界空氣進(jìn)入廢料室；采用溫和的加熱溫

13、度（9501050），避免傳統(tǒng)加熱的過熱點(diǎn)，通過采用大面積熔池實(shí)現(xiàn)均勻加熱，減少鋁液對氫的吸入及爐渣形成。 根據(jù)以上廢鋁回收的優(yōu)化方案，南山輕合金有限公司已取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。3. 結(jié)語鋁合金車輪盡管在開采和冶煉階段能耗較大，但在使用階段節(jié)能減排效果良好，加工性能和使用性能優(yōu)越。隨著鋁合金產(chǎn)品降低環(huán)境負(fù)荷技術(shù)的發(fā)展、廢鋁回收技術(shù)的進(jìn)步以及鋁制品循環(huán)使用量的增加，鋁合金汽車車輪將具有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能、環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)效益三者的統(tǒng)一。參考文獻(xiàn)1.張鐵軍.汽車車輪的生命周期評價(jià)C.第九屆中國鑄造協(xié)會年會論文集2.曹標(biāo),鄭建國.環(huán)境協(xié)調(diào)材料LCA評價(jià)方法簡介J.科學(xué)技術(shù)與工程.2006.73.陳偉強(qiáng),萬紅艷.鋁的生命周期評價(jià)與鋁工業(yè)的環(huán)境影響J.輕金屬.2009.54.邢書明,鮑培瑋.綠色鑄造技術(shù)與應(yīng)用C.河北省鑄造行業(yè)協(xié)會第