“雙碳”目標(biāo)下金屬切削液低碳化途徑的探討

1序言自2020年9月中國于第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和后，國家相關(guān)部門圍繞“雙碳”目標(biāo)出臺(tái)了一系列節(jié)能減排的指導(dǎo)意見。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國制造業(yè)產(chǎn)生的碳排放量約占總量的30%～50%，所以，加快推進(jìn)制造業(yè)的綠色低碳化轉(zhuǎn)型迫在眉睫[1]。綠色制造的核心是節(jié)約資源、降低排放、保護(hù)環(huán)境，需要對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)制造過程進(jìn)行綜合考量，以做到高資源利用率、低環(huán)境影響。2開發(fā)高性能、易降解的環(huán)保型金屬切削液金屬切削液作為制造業(yè)的“血液”，是影響其綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素之一。金屬切削液是指金屬切削加工過程中所使用的助劑，主要起潤滑、冷卻、清洗及防銹的作用。目前，市場上的金屬切削液大多由基礎(chǔ)油、防銹劑、乳化劑、分散劑、防霉劑及其他助劑等化學(xué)成分構(gòu)成。主要存在以下問題：基礎(chǔ)油及添加劑主要來自于石油產(chǎn)品，耗費(fèi)大量的石油資源；添加劑存在一定的化學(xué)危害，某些添加劑存在一定的生物毒性；使用或管理不當(dāng)易導(dǎo)致切削液腐敗變質(zhì)，影響加工效果，惡化工作環(huán)境；切削液廢液穩(wěn)定性高、不易降解，環(huán)保處理負(fù)擔(dān)沉重?；诖耍饘偾邢饕旱拈_發(fā)者及使用者應(yīng)努力協(xié)同解決以上問題，以促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及制造業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。目前，切削液開發(fā)者大多選用礦物油作為基礎(chǔ)油，在耗費(fèi)大量石油資源的同時(shí)，其生物降解性差，廢液難于處理，造成沉重的環(huán)境負(fù)擔(dān)。此外，切削液添加劑種類繁多，其中不乏一些對(duì)人體及環(huán)境有害的品類，如常用的極壓添加劑短鏈氯化石蠟，不易降解，易在生物體內(nèi)富集，可致癌、致畸、致死。常用的無機(jī)鹽防銹劑亞硝酸鈉與切削液中的有機(jī)堿結(jié)合可生成具有致癌性的亞硝胺。常用的甲醛釋放型殺菌劑在環(huán)境中釋放出的甲醛具有致癌、致畸性等。因此，用可生物降解的植物油或植物油基合成酯替代礦物油作為基礎(chǔ)油，并使用新型無毒無害的添加劑替代傳統(tǒng)有毒有害的添加劑，開發(fā)出高性能、易降解的環(huán)保型切削液已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)以筆者團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的植物油基鈦合金切削液為例，說明以植物油替代礦物油后，為切削液在潤滑性能及生物降解率方面所帶來的改善。配方組成見表1。表1植物油基鐵合金切削液化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）對(duì)其進(jìn)行機(jī)床切削測試，分析其對(duì)刀具磨損的影響（以后刀面磨損量＞0.2mm為試驗(yàn)停止節(jié)點(diǎn)），并與某商用礦物油基鈦合金切削液進(jìn)行對(duì)比。測試條件見表2。

表2機(jī)床切削測試條件切削液對(duì)刀片磨損影響的測試結(jié)果如圖1所示，切削液對(duì)刀片壽命的影響見表3。圖1切削液對(duì)刀片磨損的測試結(jié)果影響表3切削液對(duì)刀片壽命的影響由圖1、表3可知，相比于礦物油基商用液，在鈦合金切削加工中使用植物油基切削液潤滑性能更好，可顯著降低刀片磨損，刀片壽命可延長1.68倍。測試植物油基鈦合金切削液的生物降解率，測試條件見表4。表4植物油基鈦合金切削液生物降解率測試條件以COD（化學(xué)需氧量）去除率表征切削液的生物降解率，測試結(jié)果見表5。表5切削液生物降解率與礦物油基商用液進(jìn)行對(duì)比，可以看到，植物油基鈦合金切削液的生物降解率明顯優(yōu)于礦物油基商用液，可有效降低后續(xù)廢液處理的壓力，減輕對(duì)環(huán)境的影響。通過以上測試結(jié)果可知，相比于傳統(tǒng)的礦物油基切削液，植物油基切削液潤滑性能更強(qiáng)、生物降解率更高。通過以植物油替換切削液中的礦物油，不僅減少了對(duì)石油產(chǎn)品的依賴，而且使切削液獲得了延長刀具壽命、降低刀具損耗、低污染的效果。此外，天津科技大學(xué)的李想等以廢舊機(jī)油為基礎(chǔ)油制備了滿足使用要求的乳化切削液，在降低切削液對(duì)石油資源消耗的同時(shí)還使廢舊機(jī)油得到了資源化利用，為切削液的低碳化發(fā)展提供了一種選擇。3建立金屬切削液管理、維護(hù)體系即便是性能良好的切削液，若使用不當(dāng)、維護(hù)不佳也會(huì)出現(xiàn)諸多問題，如銹蝕、潤滑能力下降、泡沫增多及壽命縮短等。因此，在機(jī)械加工中，使用者不僅要選擇高性能的環(huán)保型切削液，還要結(jié)合現(xiàn)場工藝，掌握切削液正確的使用、管理、維護(hù)方法，這樣才能充分發(fā)揮切削液的作用，以減少加工過程中刀具的磨損，提升加工質(zhì)量，并降低切削液的消耗與排放。但對(duì)于大多數(shù)企業(yè)而言，由于金屬切削液技術(shù)涉及多門學(xué)科，管理難度大，存在問題多，缺乏熟悉切削液相關(guān)知識(shí)的專職人員，對(duì)切削液的選擇、使用及維護(hù)不夠重視或力不從心。所以，結(jié)合使用者實(shí)際情況，建立一套系統(tǒng)而完整的切削液管理、維護(hù)體系對(duì)于提升制造業(yè)的加工水平及降耗減排尤為重要。金屬切削液的管理、維護(hù)體系應(yīng)包括：切削液的選擇、切削液的更換及切削液的維護(hù)三個(gè)方面。其中，切削液的選擇應(yīng)對(duì)使用工廠的類型、機(jī)床類型、加工工藝、工件材質(zhì)、刀具材質(zhì)、稀釋水水質(zhì)、機(jī)床供液系統(tǒng)、油品倉庫存儲(chǔ)條件、廢液處理難易程度、切削液的安全環(huán)保性能及產(chǎn)品性價(jià)比等充分考慮，綜合評(píng)估，選擇最適宜的產(chǎn)品。下面對(duì)各種類型的切削液性能進(jìn)行比較歸納，用于指導(dǎo)實(shí)際加工時(shí)切削液的選擇，見表6。選擇適宜的切削液后，在開始使用之前應(yīng)對(duì)機(jī)床內(nèi)原有的切削液進(jìn)行更換，切削液的更換包括：清理液槽及循環(huán)系統(tǒng)、對(duì)液槽及循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行消毒、配制合適濃度的新液等步驟。更換完畢后，若要使切削液發(fā)揮好的使用效果，仍需對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。在日常維護(hù)中，一般應(yīng)對(duì)切削液的外觀、濃度、pH值、電導(dǎo)率、水質(zhì)硬度、泡沫、防銹性能及微生物菌落數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，若指標(biāo)發(fā)生異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)切削液進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；同時(shí)，還需保證循環(huán)管路的暢通，保持切削液的日常循環(huán)，并及時(shí)去除切削液中的雜油及其他雜質(zhì)。表6切削液性能比較筆者團(tuán)隊(duì)曾結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況為深圳市某企業(yè)制定了一套金屬切削液管理、維護(hù)體系，企業(yè)使用者實(shí)施該體系前后切削液的使用情況見表7。表7切削液管理、維護(hù)體系實(shí)施前后切削液使用情況通過表7可以計(jì)算出，管理、維護(hù)體系建立實(shí)施之后，該企業(yè)切削液用量降低了37.5%，且使用周期大幅延長。此外，通過選擇適宜的切削液，加強(qiáng)切削加工時(shí)的潤滑，降低了刀具磨損，刀具節(jié)約率達(dá)到15%。由此可見，建立并實(shí)施金屬切削液管理、維護(hù)體系可在很大程度上促進(jìn)機(jī)械加工過程中的降耗、減排。4

對(duì)金屬切削液廢液進(jìn)行資源化處理建立并實(shí)施金屬切削液管理、維護(hù)體系可有效提升其使用壽命，但隨著切削液使用時(shí)間的延長，有效成分不斷損耗，微生物不斷增殖，最終仍會(huì)導(dǎo)致腐敗、變質(zhì)，喪失使用性能，形成切削液廢液。切削液廢液具有成分復(fù)雜、性質(zhì)差別巨大、穩(wěn)定性高、不易降解的特點(diǎn)，其COD可達(dá)105～106mg/L，如何對(duì)廢舊切削液進(jìn)行有效處理已經(jīng)成為環(huán)保領(lǐng)域的一大難題[5]。目前，國內(nèi)企業(yè)的切削液廢液主要由具有處理資質(zhì)的專業(yè)公司處理，處理成本高，處理困難，環(huán)境壓力大。切削液廢液中主要含有基礎(chǔ)油、各種添加劑、金屬離子、微生物及其代謝產(chǎn)物、無機(jī)鹽及水等。其中，水作為切削液工作液的稀釋介質(zhì)，在廢液中的含量最大，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)劃一般大于80%。使用者通過較為簡單的工藝，將廢液中的水經(jīng)過分離、凈化達(dá)標(biāo)后，繼續(xù)作為切削液稀釋水使用，實(shí)現(xiàn)廢液中含量最大組分的資源化利用，是切削液廢液減排的一種行之有效的方法。為探究該方法的可行性，筆者團(tuán)隊(duì)采用絮凝沉降-膜處理工藝，對(duì)切削液廢液中的水進(jìn)行回收處理，檢測其相關(guān)指標(biāo)，并分析以其作為稀釋水配制的切削液工作液是否滿足使用性能。切削液廢液資源化處理流程如圖2所示。圖2切削液廢液資源化處理流程所選用切削液廢液來自東莞市某鋁合金加工企業(yè)，為半合成型切削液。廢液及資源化處理后納濾出水的性狀及相關(guān)理化指標(biāo)見表8。表8切削液廢液及資源化處理后納濾出水的性狀及相關(guān)理化指標(biāo)廢液資源化處理后的納濾出水，仍含有少量的切削液，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算濃度為0.5%，電導(dǎo)率為2200μS/cm，COD為6800mg/L，遠(yuǎn)不滿足GB18918—2016中規(guī)定的工業(yè)廢水三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不可直接排放。以納濾出水為稀釋水配制切削液工作液，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算濃度為5%，測試其基本理化指標(biāo)，并與以去離子水為稀釋水配制的工作液進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表9。表9切削液工作液基本理化指標(biāo)以MicrotapTTT攻螺紋扭矩儀分別測試兩組切削液工作液對(duì)GCr15軸承鋼和6061鋁合金的潤滑性，測試條件見表10。測試結(jié)果如圖3、圖4所示。表10攻螺紋扭矩測試條件圖3切削液GCr15軸承鋼攻螺紋扭矩圖4切削液6061鋁合金攻螺紋扭矩以攻螺紋過程中的平均扭矩值表征切削液工作液的潤滑性，平均扭矩值越小，潤滑性越好。由測試結(jié)果可知，對(duì)于GCr15軸承鋼和6061鋁合金，兩組工作液所取得的平均扭矩值相近，潤滑性能相當(dāng)。結(jié)合表9，說明以廢液資源化處理后的納濾出水為稀釋水配制的切削液工作液，其相關(guān)性能與以去離子水配制的工作液相近，可滿足使用需求?？梢姡ㄟ^較為簡單的絮凝沉降-膜處理工藝對(duì)切削液廢液中的水進(jìn)行資源化處理，雖不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但可作為稀釋水回用于切削液工作液的配制。既降低了廢液的處理難度、處理成本，又使其中的水得以循環(huán)利用，減少了水資源的消耗和廢液的排放量，進(jìn)一步助力制造業(yè)的低碳、減排。目前，該工藝已在提供切削液廢液的東莞市某鋁合金加工企業(yè)應(yīng)用，并取得了廢液排放率降低80%的良好效果。此外，以銅包鐵粉作為類Fenton反應(yīng)催化劑，采用破乳—類Fenton氧化—pH回調(diào)—混凝處理工藝，處理廢舊切削液，取得了較為理想的結(jié)果[6]。陳益成利用機(jī)械格柵—pH調(diào)節(jié)—隔油池—?dú)飧　锍毓に囂幚砬邢饕簭U水，出水可回用于生產(chǎn)和生活。5結(jié)束語金屬切削液的整個(gè)