1、鋁制汽車車輪環境協調性研究xx yyyymmdd摘 要 本文利用生態材料的觀點和生命周期評價方法，分析了鋁制汽車車輪的環境協調性，并介紹了降低鋁制車輪環境負荷的技術途徑及研究進展關鍵詞 鋁 汽車車輪 LCA 環境協調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，影響到車輪結構和制造工藝，并與車輪的負載能力、緩沖性以及外觀的裝飾性密切相關，是決定車輪整體性能的關鍵因素。汽車車輪按材質主要分為傳統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90%以上1。隨著資源能源的緊張和對材料環保要求的不斷提高，評價鋁制汽車車輪的環境協調性具有重要的現實意義1. 鋁制車輪的環境協調性評價生命周期評價是國際上普遍認同的環境協調性評價方法，用以評價產品或服務相關的環境因素及整個生命周期環境影響，涵蓋產品從自然中來到自然中去的全過程，也就是既包括制造產品所需要的原料采集、加工等生產過程，也包括產品貯存、運輸等流通過程，還包括產品的使用過程及報廢或處置等廢棄回到自然的過程。ISO14040將生命周期評價分為四個步驟：目的范圍確定、清單分析、影響評價和結果解釋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，從全

3、局觀點描述鋁制汽車車輪對環境的影響，對提高產品的環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，約占質量分數8.13%，氧化鋁的開采工藝成熟，但我國鋁礦的品質較低。目前，鋁冶煉相關的公開研究報告包括IAI于2003年和2007年發表的世界原生鋁工業清單數據以及EAA于2008年發表的歐洲鋁工業的環境績效報告：鋁生產和轉化過程的生命周期清單數據等3。主要數據摘錄如下表1和表2所示。表1.歐洲鋁

4、工業電解生產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.世界鋁工業電解生產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，國內鋁合金材料生產中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。此過程中包應計入各合金成分

5、的燒損和其他元素的環境成本。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；設備噪音等電爐煙氣；涂料氣味等廢水澆注系統；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備運行，間接消耗的化石燃料和由此產生的廢氣，如CO，CO2，NOx等也應當計入鋁制車輪鑄造過程的環境成本中。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，根據汽車報廢標準，一輛汽車累計行駛50萬km或8年，即達到報廢標準。按50萬km計，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，每50萬km，單件鋁制車輪油耗為233.3L。根據汽油對環境影響，可以衡量汽車車輪生命周期中對環境的影響。按照93號汽油計算，得到鋁制汽車車輪環境影響如表4所示。表4.鋁制汽車車輪環境影響汽油,LCH4,gCO2 ,gCO ,gNOx,g新鮮空氣，g233.36811362536590255463406168134052503500根據相關統計數據，汽車車輪每減重1kg，每百公里可降低0.06L油耗，而鋁制車輪的質量僅相當于傳統鋼制車輪質量1/3，因此鋁合金車輪在使用階段中，有利于改善汽車的環境協調性。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%，生產成本降低4050%，目前美國鋁制品總消費中再生鋁已經超過50%，而汽車工業中，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，因此能耗和污染應當綜合進行評價。同時，鋁制品的回收階段還應計入回收過程的能耗，如拆卸和處理鋁制車輪時所消耗的電能、排放的廢水及產生的噪音污染。1.3. 影響評價和結果解釋對清單中列出的要素按對環境的影響進行定性和定量分析。可以將環境影響類型根據不同標準進行分類， EAA分類標準將其分為九類：非生物資源消耗、酸化、富營養化、溫室氣體、臭氧破壞、光

8、化學氧化劑、可再生能源消耗、不可再生能源消耗。將清單要素分類后，參照相關國際組織，如SETAC等，公布的相關特征化系數和歸一化方法，對不同影響類型進一步量化。根據EAA公布的數據可以得到鋁制汽車車輪的環境影響如下表5所示。最后依據得到鋁合金車輪環境協調性的定量分析數據，根據不同的研究目的得出結論和建議。表5.1t原生鋁、1t再生鋁及單件鋁制汽車車輪環境影響(2005)環境影響類型1t原生鋁1t再生鋁單件(8kg)車輪非生物質資源消耗，kg Sb-當量45.363.020.2613酸化潛力，kg SO2-當量45.411.110.2569富營養化潛力，kg phosphate-當量1.940.0

9、810.0111溫室氣體排放，kg CO2-當量967750955.4128臭氧層消耗潛力，kg R11-當量9.79E-042.33E-055.54E-06光化學氧化劑的合成潛力，kg Ethene-當量2.7300.0850.0155可再生能耗，MJ423861843241.7847不可再生能耗，MJ1306995683745.55362. 降低環境負荷的技術進展2.1. 鋁合金冶煉原生鋁生產過程中，尋找合適電解質以降低電解溫度、提高電流利用率、降低電解電壓是節能的主要手段，在鋁合金生產中，通過控制氧化、降低燒損率可以提高熔煉效率。針對鋁合金中元素燒損率不同，中國鋁業青海分公司鑄造廠根據不

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

11、續加工。（2）開發環保鑄造輔料，開發無污染的優質殼芯砂，采用無毒無味的精煉劑、粘結劑和環保無機粘接劑，發展舊砂回用新技術。（3）鑄造廢物再循環8。例如集中回收鋁合金碎屑，熔渣和爐渣經水處理成為顆粒狀筑路和爆炸材料或襯墊砂，在鑄造廠內部復原含有金屬的粉塵，非金屬含量較高粉塵收集制成團塊后集中封存，以防止產生可吸入顆粒物。2.3. 廢鋁回收目前多數企業回收處理廢鋁使用傳統方式，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）、生產效率低（約1.5t/人·日），煙塵排放難以達標9。為解決回收過程中的問題，可采取的措

12、施有：（1）對廢鋁合金進行科學有序分類管理。針對廢鋁安不同合金系列及品種進行歸類，對廢料及時跟蹤并進行標識專箱專用，廢鋁裝卸和運輸中避免混料現象。（2）優化鋁合金處理工藝，采用雙室式熔化爐作為廢鋁合金處理的核心設備，根據回收品種合理配置相關參數。雙室爐分為廢料室和爐室兩部分，大爐室結構可以保證爐內氣體循環穩定，同時廢鋁在廢料室中有足夠空間進行預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。采用鋁屑循環技術，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，實現金屬直熔；使用全封閉軌道式爐門進料車，封閉的爐門杜絕了外界空氣進入廢料室；采用溫和的加熱溫

13、度（9501050），避免傳統加熱的過熱點，通過采用大面積熔池實現均勻加熱，減少鋁液對氫的吸入及爐渣形成。 根據以上廢鋁回收的優化方案，南山輕合金有限公司已取得了良好的經濟效益和環境效益。3. 結語鋁合金車輪盡管在開采和冶煉階段能耗較大，但在使用階段節能減排效果良好，加工性能和使用性能優越。隨著鋁合金產品降低環境負荷技術的發展、廢鋁回收技術的進步以及鋁制品循環使用量的增加，鋁合金汽車車輪將具有良好的環境協調性，實現產品性能、環境友好和經濟效益三者的統一。參考文獻1.張鐵軍.汽車車輪的生命周期評價C.第九屆中國鑄造協會年會論文集2.曹標,鄭建國.環境協調材料LCA評價方法簡介J.科學技術與工程.2006.73.陳偉強,萬紅艷.鋁的生命周期評價與鋁工業的環境影響J.輕金屬.2009.54.邢書明,鮑培瑋.綠色鑄造技術與應用C.河北省鑄造行業協會第