“雙碳”目標(biāo)下金屬切削液低碳化途徑的探討

劉騰飛，戴媛靜

1.季華實(shí)驗(yàn)室 廣東佛山 528200

2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 天津 300308

3.清華大學(xué) 北京 100084

4.天津清潤(rùn)博潤(rùn)滑科技有限公司 天津 300132

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(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)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(rùn)滑、冷卻、清洗及防銹的作用。目前，市場(chǎng)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。

基于此，金屬切削液的開發(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(shì)。

現(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(rùn)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(cè)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(cè)試條件見表2。

表2 機(jī)床切削測(cè)試條件

切削液對(duì)刀片磨損影響的測(cè)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(cè)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(rùn)滑性能更好，可顯著降低刀片磨損，刀片壽命可延長(zhǎng)1.68倍。

測(cè)試植物油基鈦合金切削液的生物降解率，測(cè)試條件見表4。

表4 植物油基鈦合金切削液生物降解率測(cè)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(cè)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(cè)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(rùn)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(zhǎng)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[2]。

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(rùn)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(chǎng)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[3]。

表6 切削液性能比較

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(cè)，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)[4]。

筆者團(tuán)隊(duì)曾結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)。此外，通過選擇適宜的切削液，加強(qiáng)切削加工時(shí)的潤(rùn)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(zhǎng)，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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)試兩組切削液工作液對(duì)GCr15軸承鋼和6061鋁合金的潤(rùn)滑性，測(cè)試條件見表10。

表10 攻螺紋扭矩測(cè)試條件

測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

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(rùn)滑性，平均扭矩值越小，潤(rùn)滑性越好。由測(cè)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(rùn)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。

可見，通過較為簡(jiǎn)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，李雪偉以銅包鐵粉作為類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[7]。

5 結(jié)束語

金屬切削液的整個(gè)生命周期應(yīng)包括開發(fā)、使用及后處理。開發(fā)高性能、易降解的環(huán)保型切削液，可降低切削加工中的刀具磨損，并使切削液易于生物降解；建立實(shí)施完善的切削液管理、維護(hù)體系，可幫助使用者選擇適宜的切削液，同時(shí)提升其使用效果、延長(zhǎng)其使用壽命；對(duì)切削液廢液進(jìn)行資源化處理，可減少排放，緩解環(huán)境壓力。這些都是從金屬切削液角度助力制造業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型的有效途徑，在該過程中切削液開發(fā)者及使用者應(yīng)相互協(xié)作，共同推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。