汽车车轮材料的环境协调性研究new

1、铝制汽车车轮环境协调性研究xx yyyymmdd摘 要 本文利用生态材料的观点和生命周期评价方法，分析了铝制汽车车轮的环境协调性，并介绍了降低铝制车轮环境负荷的技术途径及研究进展关键词 铝 汽车车轮 LCA 环境协调性车轮是汽车的重要部件，影响到汽车的整车性能。车轮材料的选用，影响到车轮结构和制造工艺，并与车轮的负载能力、缓冲性以及外观的装饰性密切相关，是决定车轮整体性能的关键因素。汽车车轮按材质主要分为传统钢制车轮和铝合金车轮。对于铝合金车轮，全世界95%的铝合金车轮采用铸造工艺，而铸造材料普遍采用A356（ZL101A）。目前载重汽车车轮大部分采用钢材制造，乘用车大多采用铝合金，其中轿车使

2、用铝合金车轮的比例高达90%以上1。随着资源能源的紧张和对材料环保要求的不断提高，评价铝制汽车车轮的环境协调性具有重要的现实意义1. 铝制车轮的环境协调性评价生命周期评价是国际上普遍认同的环境协调性评价方法，用以评价产品或服务相关的环境因素及整个生命周期环境影响，涵盖产品从自然中来到自然中去的全过程，也就是既包括制造产品所需要的原料采集、加工等生产过程，也包括产品贮存、运输等流通过程，还包括产品的使用过程及报废或处置等废弃回到自然的过程。ISO14040将生命周期评价分为四个步骤：目的范围确定、清单分析、影响评价和结果解释2。1.1. 目的与范围及功能单位的确定研究目的是通过生命周期评价，从全

3、局观点描述铝制汽车车轮对环境的影响，对提高产品的环境友好程度提供一定借鉴。研究范围是汽车车轮铝合金的原料开采、冶炼、车轮铸造、车轮使用与回收再利用的全过程，考虑到铝合金和汽车的特殊性，重点讨论过程中的能耗问题。功能单位定为单件车轮。1.2. 清单分析1.2.1. 采矿阶段和冶炼阶段铝在地壳中含量丰富，约占质量分数8.13%，氧化铝的开采工艺成熟，但我国铝矿的品质较低。目前，铝冶炼相关的公开研究报告包括IAI于2003年和2007年发表的世界原生铝工业清单数据以及EAA于2008年发表的欧洲铝工业的环境绩效报告：铝生产和转化过程的生命周期清单数据等3。主要数据摘录如下表1和表2所示。表1.欧洲铝

4、工业电解生产1t铝液直接投入（2005）氧化铝,kg氟化铝,kg碳素阴极,kg耐火材料,kg柴油,kg电力,kwh193216.48.05.401.5015289表2.世界铝工业电解生产1t铝液直接污染物排放（2005）氟化物,kg颗粒物,kgNOx ,kgSO2,kg苯并芘,gCF4,kg0.553.700.3214.902.600.1301.2.2. 铸造阶段铝合金车轮一般使用整体铸造，国内铝合金材料生产中60%采用低压铸造，38%采用重力铸造，铸造过程中的主要污染物如下表34。原铝需要通过熔炼，加入其他合金元素，如Si、Mg、Ti、Fe等，得到适合铸造的铝合金。此过程中包应计入各合金成分

5、的烧损和其他元素的环境成本。表3.铸造过程主要污染固废污染噪音污染废气污染废液污染余料回收型砂；粉尘；涂料等打磨工件噪音；清理噪音；设备噪音等电炉烟气；涂料气味等废水浇注系统；冒口等此外，铸造过程中需要消耗大量能源用于熔化铝合金和设备运行，间接消耗的化石燃料和由此产生的废气，如CO，CO2，NOx等也应当计入铝制车轮铸造过程的环境成本中。1.2.3. 车轮使用阶段一般铝合金车轮乘用车耗油约为7L/100km，根据汽车报废标准，一辆汽车累计行驶50万km或8年，即达到报废标准。按50万km计，耗油约35kL，约合26.81t。目前中低档轿车车重1.21.8t，铝合金车轮单件重量69kg，利用车轮

6、占汽车质量比，即可得到车轮在使用阶段的油耗。以一般车重1.2t，车轮8kg计，每50万km，单件铝制车轮油耗为233.3L。根据汽油对环境影响，可以衡量汽车车轮生命周期中对环境的影响。按照93号汽油计算，得到铝制汽车车轮环境影响如表4所示。表4.铝制汽车车轮环境影响汽油,LCH4,gCO2 ,gCO ,gNOx,g新鲜空气，g233.36811362536590255463406168134052503500根据相关统计数据，汽车车轮每减重1kg，每百公里可降低0.06L油耗，而铝制车轮的质量仅相当于传统钢制车轮质量1/3，因此铝合金车轮在使用阶段中，有利于改善汽车的环境协调性。1.2.4.

7、回收再利用阶段铝合金有较好的回收利用性，且再生铝单位能耗仅为原生铝的36%，生产成本降低4050%，目前美国铝制品总消费中再生铝已经超过50%，而汽车工业中，每年约使用的铝制品中70%来自再生铝。由于铝制汽车车轮的环境影响分别来自原生铝部分和再生铝部分，因此能耗和污染应当综合进行评价。同时，铝制品的回收阶段还应计入回收过程的能耗，如拆卸和处理铝制车轮时所消耗的电能、排放的废水及产生的噪音污染。1.3. 影响评价和结果解释对清单中列出的要素按对环境的影响进行定性和定量分析。可以将环境影响类型根据不同标准进行分类， EAA分类标准将其分为九类：非生物资源消耗、酸化、富营养化、温室气体、臭氧破坏、光

8、化学氧化剂、可再生能源消耗、不可再生能源消耗。将清单要素分类后，参照相关国际组织，如SETAC等，公布的相关特征化系数和归一化方法，对不同影响类型进一步量化。根据EAA公布的数据可以得到铝制汽车车轮的环境影响如下表5所示。最后依据得到铝合金车轮环境协调性的定量分析数据，根据不同的研究目的得出结论和建议。表5.1t原生铝、1t再生铝及单件铝制汽车车轮环境影响(2005)环境影响类型1t原生铝1t再生铝单件(8kg)车轮非生物质资源消耗，kg Sb-当量45.363.020.2613酸化潜力，kg SO2-当量45.411.110.2569富营养化潜力，kg phosphate-当量1.940.0

9、810.0111温室气体排放，kg CO2-当量967750955.4128臭氧层消耗潜力，kg R11-当量9.79E-042.33E-055.54E-06光化学氧化剂的合成潜力，kg Ethene-当量2.7300.0850.0155可再生能耗，MJ423861843241.7847不可再生能耗，MJ1306995683745.55362. 降低环境负荷的技术进展2.1. 铝合金冶炼原生铝生产过程中，寻找合适电解质以降低电解温度、提高电流利用率、降低电解电压是节能的主要手段，在铝合金生产中，通过控制氧化、降低烧损率可以提高熔炼效率。针对铝合金中元素烧损率不同，中国铝业青海分公司铸造厂根据不

10、同添加剂的烧损速率，调整配料加入时段，提高了添加剂的实收率5；从利用烟气余热和改善燃烧技术等方面入手，对熔炼炉进行改进，充分利用余热和潜热以实现节能降耗。2.2. 绿色铸造在我国科技发展规划中提出了绿色制造战略，在铸造业中的体现就是实现绿色铸造工程，其核心是就是清洁生产6，是全面考虑环境影响和资源、能源利用效率的生产模式，开端减量、末端处理，原辅料的循环利用和无害化都是绿色铸造的重要内容。为实现这一目标，铝合金车轮的铸造可采用以下改进措施：（1）加强对铸造新工艺、新装备的研究7。采用更加合理的浇注系统和浇注方法，提高铸件质量和工艺成品率，推广低压铸造等先进成形工艺，努力实现近净成形，减少浇注后

11、续加工。（2）开发环保铸造辅料，开发无污染的优质壳芯砂，采用无毒无味的精炼剂、粘结剂和环保无机粘接剂，发展旧砂回用新技术。（3）铸造废物再循环8。例如集中回收铝合金碎屑，熔渣和炉渣经水处理成为颗粒状筑路和爆炸材料或衬垫砂，在铸造厂内部复原含有金属的粉尘，非金属含量较高粉尘收集制成团块后集中封存，以防止产生可吸入颗粒物。2.3. 废铝回收目前多数企业回收处理废铝使用传统方式，向铝合金熔炼炉直接投料重熔，突出问题是金属烧损大（平均烧损约7.5%）、能耗高（天然气能耗约159.96m³/t）、生产效率低（约1.5t/人·日），烟尘排放难以达标9。为解决回收过程中的问题，可采取的措

12、施有：（1）对废铝合金进行科学有序分类管理。针对废铝安不同合金系列及品种进行归类，对废料及时跟踪并进行标识专箱专用，废铝装卸和运输中避免混料现象。（2）优化铝合金处理工艺，采用双室式熔化炉作为废铝合金处理的核心设备，根据回收品种合理配置相关参数。双室炉分为废料室和炉室两部分，大炉室结构可以保证炉内气体循环稳定，同时废铝在废料室中有足够空间进行预处理已获得更高熔化速率，降低重熔能耗。（3）降低重熔烧损，提高回收率。采用铝屑循环技术，在电磁力作用下，将铝屑推入燃烧室，使之始终保持与空气隔绝，避免铝屑氧化，实现金属直熔；使用全封闭轨道式炉门进料车，封闭的炉门杜绝了外界空气进入废料室；采用温和的加热温

13、度（9501050），避免传统加热的过热点，通过采用大面积熔池实现均匀加热，减少铝液对氢的吸入及炉渣形成。 根据以上废铝回收的优化方案，南山轻合金有限公司已取得了良好的经济效益和环境效益。3. 结语铝合金车轮尽管在开采和冶炼阶段能耗较大，但在使用阶段节能减排效果良好，加工性能和使用性能优越。随着铝合金产品降低环境负荷技术的发展、废铝回收技术的进步以及铝制品循环使用量的增加，铝合金汽车车轮将具有良好的环境协调性，实现产品性能、环境友好和经济效益三者的统一。参考文献1.张铁军.汽车车轮的生命周期评价C.第九届中国铸造协会年会论文集2.曹标,郑建国.环境协调材料LCA评价方法简介J.科学技术与工程.2006.73.陈伟强,万红艳.铝的生命周期评价与铝工业的环境影响J.轻金属.2009.54.邢书明,鲍培玮.绿色铸造技术与应用C.河北省铸造行业协会第