绿色制造技术

绿色制造技术概述

主讲人：胡建林（中国联合工程公司研究员级高工）

内容目录

1.绿色制造的概念

2.绿色制造的内涵和特征

3.绿色制造的研究现状

4.绿色制造技术的内容

5.绿色制造的发展趋势

1.绿色制造的概念

20世纪高速发展的工业经济给人类带来了高度发达的物质文明，同时也带来了一系列严重的环境污染问题（温室气体,雾霾,水污染）,并制约了人类社会的持续发展。

制造业是最大的污染源之一，据统计，造成环境污染的排放物70%以上来自制造业，制造业每年产生大量的温室气体和有害物。

传统的制造业一般采用“末端治理”的方法无法从根本上解决制造业及其

产品产生的环境污染，而且投资大、运行成本高、消耗资源和能源。国内外经验证明，要消除或减少工业生产环境污染的根本出路在于实施绿色制造战略。

绿色制造，又称为环境意识制造或面向环境的制造，最早起源于20世纪30年代，到1996年才由美国工程师学会（SME）比较系统的提出“绿色制造”的概念。从20世纪90年代以来，绿色制造技术在绿色浪潮和可持续发展思想的推动下，迅速发展并在发达国家得到了广泛的应用。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个周期内，对环境的影响（负面影响）为零或者极小，资源消耗尽可能小，并使企业的经济效益和社会效益协调优化。

绿色制造模式是一个闭环系统，也是一种低熵的生产制造模式，即原料－工业生产－产品使用－报废－二次原料资源，从设计、制造、使用一直到产品报废回收整个寿命周期对环境影响最小，资源效率最高，也就是说要在产品整个生命周期内，以系统集成的观点考虑产品环境属性，改变了原来末端处理的环境保护办法，对环境保护从源头抓起，并考虑产品的基本属性，使产品在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量等。

1.绿色制造的概念---中国背景

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》明确提出“积极发展绿色制造，加快相关技术在材料与产品开发设计、加工制造、销售服务及回收利用等产品全生命周期中的应用，形成高效、节能、环保和可循环的新型制造工艺，使我国制造业资源消耗、环境负荷水平进入国际先进行列”；

《国民经济和社会发展第十二个五年规划》提出建设资源节约型、环境友

好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点；

《国家“十二五”科学和技术发展规划》将“绿色制造”列为“高端装备制造业”领域六大科技产业化工程之一，提出“重点发展先进绿色制造技术与产品，突破制造业绿色产品设计、环保材料、节能环保工艺、绿色回收处理等关键技术。开展绿色制造技术和绿色制造装备的推广应用和产业示范，培育装备再制造、绿色制造咨询与服务、绿色制造软件等新兴产业。”

2012年科技部发布了《绿色制造科技发展“十二五”专项规划》，提出“面向汽车、机械、家电、流程工业等国民经济支柱产业以及废旧家电与电子产品折解与资源化、装备再制造等循环经济新兴产业需求，以制造业绿色化为目标，开展绿色制造基础理论和共性技术研究、典型绿色新产品、新工艺、新装备研制，形成绿色制造理论、技术和标准体系，开发出一批具有典型创新性和示范性的产品、工艺和重点装备，实施应用工程和产业示范，带动传统产业资源节约和环境友好提升，支撑节能环保战略性新兴产业的发展，增强量大面广出口产品跨越绿色贸易壁垒的基础能力。”

中国制造2025，提出了“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的指导方针，加快我国从制造大国向制造强国转变。

2.绿色制造的内涵

绿色制造具有非常深刻的内涵，主要有：

1）绿色制造涉及制造技术、环境影响和资源利用等多个学科领域的理论、技术和方法。具有多学科交叉、技术集成的特点，是广义的现代制造模式。

2）绿色制造考虑两个过程：

a.产品的生命周期过程；

b.物流转化过程.

即从原材料到最终产品的过程。

通过绿色制造要实现两个目标：

a.减少污染物排放，保护环境；

b.实现资源优化。

3）绿色制造技术综合考虑了产品在整个生命周期过程中对环境造成的影响和损害，内容十分广泛，包括：绿色设计、清洁生产、绿色再制造等现代设计和制造技术。

4）资源、环境、人口是实现可持续发展要面临的三大主要问题，绿色制造

是一种充分考虑资源、环境的现代制造模式。绿色制造技术是制造业可持续发展的重要生产方式，也是实现社会可持续发展目标的基础和保障。

绿色制造与传统制造模式的区别：

1）绿色制造是面对整个产品生命周期过程的广义制造，要求在原材料供应、产品制造、运输、销售、使用、回收的过程中，实现减少环境污染、资源优化的目标。

2）绿色制造是以提高企业经济效益、社会效益和生产效益为目标，强调以人为主体，集成各种先进技术和现代管理技术，实现企业经济效益、社会效益和生态效益的协调与优化。

3）绿色制造致力于包括制造资源、制造模式、制造工艺、制造组织等方面的创新。鼓励采用新的技术方法、使用新的材料资源用于制造工程。

4）绿色制造模式具有社会性。相对于传统制造模式，绿色制造需要企业投入更多的人、财、物来减少废物排放，保护生态环境。

3.绿色制造的研究现状

a.外国政府在绿色制造方面的计划:

世界主要经济体积极推进绿色计划，促进社会的可持续发展 ;

美国政府提出了可持续制造促进计划（Sustainable Manufacturing Initiative,SMI）,并出台了可持续制造度量标准。

欧盟第7框架计划设立了“未来工厂（The Factories of the Future）”重大项目，开展新型生态工厂模型（New Eco-Factory Model）和绿色产品研发是其中的重要内容。

日本公布《绿色革命与社会变革》的政策草案，提出至2015年将环境产业打造成日本重要的支柱产业和经济增长核心驱动力量。

绿色制造成为各国重振传统制造业、培育和发展新兴产业的发力点。

b.国外跨国公司在绿色制造方面的设想:

通用电气于2005年在全球推出了“绿色创想（Ecomagination）”行动，承诺研发投入倍增，开发更多绿色创新产品以及减少公司运营中的温室气体排放量并提高能源效率和增加企业透明度与公众保持信息畅通。

2010年8月25日，丰田公司宣布《第五套丰田环境行动计划》“Fifth Toyota Environmental Action Plan”,为2011到2015年的行动落实制定了详细的计划。

到2011年，西门子环境友好型产品和解决方案将实现250亿欧元的收入，业务范围包括发电、输电及用电——建筑、照明、运输和工业——以及有关的环境技术，如水净化技术和空气污染防治技术等。

索尼公司推出了“Road to Zero/ 走向零负荷之路”环境计划，到2050年实现环境负荷为零。

卡特彼勒公司大力发展再制造业务，2007年再制造业务部门销售额超过20亿美元，年处理200万旧件能力，年超过1亿磅的废旧金属的再制造和循环适用，再制造过程保留了原产品附加值的85%,近于“零弃物”排放。

c.国内科研院校研究现状:

国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对绿色制造技术进行了广泛的研究探索 ;

机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目－－清洁生产技术选

择与数据库的建立、机械工业基金项目－－绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工业中九个行业对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，在国内首次提出适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。还在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。以环境保护绿色技术评价体系为研究载体，将ETV评价技术导入机械制造业的绿色设计、绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和ETV评价体系。

清华大学为创建绿色大学，已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，在美国“China Bridge”基金和国家自然科学基金会的支持下，已与美国“Texas Tech University”先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得一定进展。

上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与Ford公司合作，研究中国轿车的回收工程问题；与内贸部中国物资再生利用华东分公司合作，撰写了“探讨中国汽车销售、维修、二手车交易及回收利用一条龙管理模式的可行性报告”；与法国柏林工业大学IWF研究所建立了合作关系，在废弃工业品回收方面展开了研究工作。

合肥工业大学开展了机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究。

重庆大学承担了国家自然科学基金和国家863/CIMS主题资助的关于绿色

制造技术的研究项目，主要研究可持续发展CIMS（S－CIMS）的体系结构研究、清洁化生产系统和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。

华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高院校也开展了绿色制造

技术研究。

国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。

4.绿色制造技术的内容

绿色设计技术

在绿色制造实施过程中，绿色设计是关键，因为在产品的全部生命周期中，虽然设计费用仅占产品全部成本的5%左右，却决定了80%～90%的产品生命周期的全部消耗。绿色设计技术包括:

轻量化设计技术---节约材料

节能性设计技术--节约能源消耗

面向资源循环的设计技术--可折解技术技术、可回收设计技术、可再制造设计技术

低碳设计技术

无害化设计技术

生命周期设计技术

………

绿色制造的材料选择:

①优先选用可再生材料，尽量选用回收材料，提高资源利用率，实现可持续发展；

②选用原料丰富，低成本，少污染的材料代替价格昂贵，污染大的材料；

③尽量选择环境兼容性好的材料，避免选用有毒、有害和有辐射性的材料。这样有利于提高产品的回收率，节约资源，减少产品毁弃物，保护生态环境。

绿色制造工艺技术

绿色制造工艺技术是指在产品加工过程中尽量节约能源、减少污染的制造技术。绿色制造工艺技术包括绿色新型工艺技术、传统工艺绿色化技术、绿色替代工艺新技术、生产过程绿色化技术等。

机械行业典型的绿色制造工艺技术有：

1.绿色铸造技术，包括：

消失模铸造；

v法铸造；

水玻璃自硬砂工艺等。

2.绿色锻造技术，包括：

精密锻造；

多向模锻；

回转塑性成型锻造技术等。

3.绿色热处理技术，包括：

真空热处理；

高能束热处理；

氮基保护气氛热处理技术等。

4.绿色表面涂装技术，包括：水性涂料；

高固体份涂料；

粉末涂装；

电泳涂装等。

5.绿色切削加工技术，包括：高效数控加工；

干式切削；

低温切削；

硬态切削等。

6.特种加工技术，包括：

激光加工技术；

超声波技术；

高压水谢流切削等。

7.现代制造技术，包括：

3D打印技术；

虚拟制造技术；

网络化制造技术等。

绿色工程设计技术

余能回收利用技术；

新能源应用技术；

能源集中管理技术。

2.绿色室内环境调控技术，包括：

地（水）源热泵技术；

空气源热泵技术；

高大空间分层空调技术；

辐射采暖技术；

车间通风技术。

3.绿色建筑技术，包括：

绿色建材技术；

建筑保温隔热技术；

遮阳技术；

采光照明技术。

4.绿色水系统技术，包括：

循环冷却技术；

中水回用技术；

雨水收集利用技术。

5.隔音降噪技术及粉尘治理技术，包括：隔音降噪技术；

废气粉尘治理技术。

再制造折解技术；

再制造清洗技术；

再制造检测技术；

再制造加工技术等。

资源回收利用技术，包括：

报废汽车产品回收折解及利用技术；

废弃机电产品回收折解利用技术。

绿色制造共性技术

绿色制造共性技术可以为绿色制造实现节能减排、提高资源的综合利用率提供技术支持,主要有：

1.绿色设计与生命周期评价方法及技术，重点研究产品的轻量化设计、节能降噪设计、资源节约性设计等面向产品全生命周期的绿色设计方法，建立绿色设计基础数据库和知识库，开发支持生命周期评价技术的绿色设计工具平台，促进绿色产品设计的推广和应用，推动产品资源性能和节能性能的大幅提升。

2.绿色制造技术标准及信息平台，构建绿色制造技术标准体系，开展绿色制造技术标准研究以及标准协调、标准化服务活动，制订与国际接轨的绿色制造技术规范和标准，针对制造企业产品的设计、制造、使用、回收及再制造等全生命周期的绿色化，建立统一的标准基础数据及信息平台。

3.洁净切削加工理论与技术，开展干切削、新型绿色切削介质、准干切削等相关切削机理、刀具技术与工艺实现方法研究，实现加工方式从传统的大量使用切削液向绿色少、无切削液使用转变，达到高效切削、节能减排、绿色环

保的目标。

4.绿色制造过程碳效优化理论与关键技术，研究制造过程碳效分析模型及评估，能耗产需预测、测量、监控与评估，以及制造过程资源和能量利用率优化、废弃物排放最小、制造过程碳效协同平衡与综合优化、管网模拟、机电系统能耗测量、节能减排监控及其支持系统等技术。

5.退役产品逆向回收物流与再资源化技术，开展退役产品回收、拆解、分选、回收利用、再制造、废弃物处理在内的逆向物流设施布局、自动分拣与跟踪技术、废旧物资库存控制等逆向回收物流技术研究；对退役产品破碎、材料分选以及破碎残余物的资源化和能源化关键技术进行研究，提高退役产品回收利用率。

6.再制造基础理论及关键技术，针对制约再制造技术应用中的关键基础科学和技术瓶颈问题，重点突破再制造对象剩余寿命演变规律，可再制造性评价理论；再制造毛坯绿色清洗技术；再制造成型过程的高效控形、控制理论；再制造产品寿命预测及其可靠服役。构建再制造基础理论方法和关键技术体系，促进我国再制造产业的快速和健康发展。

7.再制造产品寿命预测与安全服役关键技术，针对再制造产品寿命的不确定性问题，对再制造毛坯的损伤检测技术、再制造零件初始质量评价与控制技术、再制造零件动态健康监测的传感技术、再制造产品在强耦合条件下的服役安全与综合验证技术，开发相关应用装置，在重载车辆及关键部件发动机等典型再制造产品和零部件上进行试验验证。

5.绿色制造的发展趋势

1.全球化——绿色制造的研究和应用将愈来愈体现全球化的特征和趋势

2.社会化——绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，以建立绿色制造所必需的社会支撑系统。

3.集成化——绿色制造涉及到产品生命周期全过程，涉及到企业生产经营活动的各个方面，因而是一个复杂的系统工程问题。

4.并行化——绿色设计今后仍将是绿色制造中的关键技术。绿色设计今后的一个重要趋势就是与并行工程的的结合，从而形成一种新的产品设计和开发模式绿色并行工程。

5.智能化——人工智能和智能制造技术将在绿色制造研究中发挥重要作用

6.产业化——绿色制造的实施将导致一批新兴产业的形成

谢谢，祝大家身体健康，工作顺利!

前言

铸造：将液态金属液体浇入预先准备的型腔里，金属液在重力场或外场（如压力场、电磁场等）的作用下凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。利用铸造工艺形成的毛坯或零件就叫铸件。铸造的方法很多，主要有砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造以及熔模铸造等，其中以砂型铸造应用最为广泛。目前，对于形状复杂的机器结构零件，铸造仍然是最可行和最经济的加工方法。铸造为机械工业提供毛坯，机械工业是其他工业的基础，因此，铸造是基础的基础。如果取消铸造，有一些行业就难以生存，如机床行业、汽车行业、冶金行业、矿山行业等。

铸件在一些机器中所占的比重：

机床80～90% 拖拉机50～70% 内燃机70～90%.

发动机80～90% 重型机器70～90% 农业机械40～70%

铸件也与日常生活有密切关系。例如经常使用的门把、门锁、暖气片、上下水管道、铁锅、煤气炉架、熨斗等，都是铸件。

铸造行业作为中国制造业的一个重要组成部分，在快速发展的同时也暴露出了极大的能源和环境问题。由于能源消耗和环境污染给中国经济的可持续发展带来了巨大的压力，国家将节能减排、绿色制造和循环经济作为国家社会和经济发展的重点，面向21世纪的铸造技术也将朝着绿色铸造工艺方法和材料装备的方向发展。

砂型铸造是铸造工艺的主要方法，占整个铸件产量的80%～90%。在铸造生产中，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染最为严重。因此，实现砂型铸造的绿色清洁生产对实现绿色铸造具有重要的意义。要实现砂型铸造的绿色清洁生产，应尽量采用绿色的无机粘结剂，并尽量降低粘结剂的加入量（最好不加粘结剂），这样对解决旧砂的再生回用问题大有益处，对环境的压力也将大大减小。

在目前涉及的砂型铸造的各种方法中，采用无粘结剂干砂造型的消失模铸造和V法铸造、采用有粘结剂的有机酯水玻璃砂自硬砂铸造是最可能实现绿色铸造生产的工艺方法。无粘结剂的消失模铸造被誉为“21世纪的铸造新技术”、“铸造中的绿色工程”等；有机酯水玻璃砂被国内外的许多专家称为最有可能实现铸钢件绿色铸造生产的型砂；而V法铸造也因其具有节能、高效、环保、高品质的工艺特点而广受好评，在21世纪将有广阔的应用前景。

1.消失模铸造工艺

01.工艺简介

02.主要特点

03.关键技术

04.与粘土砂对比

05.应用状况、存在问题和发展方向

06.消失模铸造设备

07.工艺的典型案例和应用

消失模铸造工艺简介

消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。

在国外，消失模工艺已经有了五十年的发展历史，但是应用于大规模生产还是在最近的二十几年。前几年我国消失模铸造技术应用虽然进展缓慢，但是在近五年来得到了快速发展。特别是由于消失模铸造设备投资少、工艺路线短、工序简化、占地面积小、铸件尺寸精度和外观精度高，许多原有的中小铸造企业也越来越多地采用该项技术。

消失模铸造的工艺过程包括制造模样、模片及浇注系统粘合、喷（或浸）涂料、填砂紧实、浇注、取出铸件等步骤，与普通砂型铸造工艺步骤相比要简单许多。

消失模铸造的主要特点

与普通砂型铸造相比，消失模铸造除了上述两个优点之外，还有以下四个特点：

（1）消失模铸造生产线可以一线多用，不仅可以做铸铁、球铁，还可以同时做铸钢件，而且同时适用与各种批量的铸造件，转项灵活，适用范围广。

（2）消失模铸造没有飞边毛刺，清理工时可以减少50%以上。

（3）消失模铸造劳动强度低，作业环境好。

（4）简化了工厂设计，固定资产投资能够减少30-40%，占地面积和建筑面积可减少30-50%，动力消耗可减少10-20%；

消失模铸造关键技术

消失模铸造的关键技术包括：

（1）泡沫模样材料及成形技术（2）型砂振动紧实技术

原始模样质量铸件废品率

（3）真空度（4）型砂水分

铸型强度型砂流动性

消失模铸造技术的应用状况、存在的问题及发展方向

我国铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟，铸钢件（除低碳钢件的渗碳缺陷控制外）的消失模铸造技术在我国也基本掌握。

铝合金的消失模铸造，仍然还有许多技术上的难关没有完全攻克，在工业发达国家（如:美国等）消失模铝合金铸件占主导地位，就是已铝合金消失模铸造为主；在我国则是以黑色金属尤其是铸铁为主，近年来有不少国内铸造企业已具有生产优质铝合金和钢合金铸件的能力，尽管与发达国家仍存在差距，但已走出了消失模生产有色精铸铸件的第一步，今后大力发展铝合金消失模铸造成为我国消失模铸造行业的一个方向。

消失模铸造设备

消失模铸造的专用设备主要分白区和黑区两大类：白区指的是泡沫模型的制作区、黑区指的是造型及砂处理区，白区（模样制作）设备，主要有间歇式预发泡机、成型机、蒸缸和电热丝切割机以及涂料搅拌机；白区工作环境相对较好，一般为单独的车间。

发泡机

泡沫模样

消失模铸造生产线

黑区设备主要有振实台、负压系统和EPC生产线（包括专用砂箱、砂箱输送系统、砂处理和砂冷却系统等）。消失模铸造生产线主要指黑区设备，现国内黑区设备主要分为三类：

单机或简易型铸造生产线

通常在铸造车间设置1台（造型时用）三维振动台，10多个专用砂箱，砂箱吊运或设有辊（轨）道的砂箱简易输送线，干砂一般是自然冷却或设有简易型砂冷却装置，另加一套抽真空系统和砂除尘筛分设备。

国产型消失模铸造流水线

采用机械、液压、气动和电控方式，自行设计的国产型生产线，其砂箱数在30-50余个不等；均设有比较齐全的砂处理生产线；生产规模在区间2000―