“雙（shuāng）碳”目標下金屬切（qiē）削液低碳化途徑的探討

1 序（xù）言

自2020年9月中國於第七（qī）十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，二氧化（huà）碳排放力爭於2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前（qián）實（shí）現碳中和後，國家相關部門圍繞“雙碳”目標出台（tái）了一係列節能減排的指導（dǎo）意見。據統計，我國製造業產生（shēng）的碳排放量約占（zhàn）總量的30%～50%，所以，加快推進製造業的（de）綠色（sè）低（dī）碳化轉型迫在眉（méi）睫[1]。綠色製造的核心是節約資源、降低排放、保護環境，需要對產品的整個製造過程進行綜（zōng）合（hé）考量，以做到高資源利用率、低環境影響。

2 開發高性能、易降解的環保型金屬切削液

金屬切削液作為製造業的“血液（yè）”，是影響其綠色低碳轉型的關鍵因素之一。金屬切削液是指金屬切削（xuē）加工過程中所使用的助劑，主要起潤滑（huá）、冷卻、清洗及防鏽的作用。目前（qián），市（shì）場上的金屬切削液大多由基礎油、防鏽劑、乳化劑、分散劑、防黴劑及其他助劑等化學成（chéng）分（fèn）構成。主要（yào）存在以下（xià）問（wèn）題：基礎油及添加劑主要來自於石油產品，耗費大量的石油資源；添加（jiā）劑（jì）存在一定的化學危害（hài），某（mǒu）些添加劑存在一定的生物毒性；使用或管理不當易導致切（qiē）削液腐敗變質，影響加（jiā）工效果，惡化工作環境；切削液廢（fèi）液穩定性高、不易降解（jiě），環（huán）保處理負擔沉重。

基於此，金屬切（qiē）削液的開發者及使（shǐ）用者應努力協同（tóng）解決以上問題，以促進（jìn）“雙（shuāng）碳（tàn）”目標的實現及製造業的平穩發（fā）展（zhǎn）。

目前，切削液開發者大多選用礦（kuàng）物油作為基礎（chǔ）油，在耗費大量石油資源的同時，其生物降解性差，廢液難於處（chù）理，造成沉重的環境負擔。此外，切削（xuē）液添（tiān）加（jiā）劑種類繁（fán）多，其中不乏（fá）一些對人體（tǐ）及環境有害的品類，如常用的極壓添加劑短鏈氯化石蠟，不易降解，易在生物體內富集，可致癌（ái）、致畸（jī）、致死。常用的無機鹽防鏽劑亞（yà）硝酸鈉與切（qiē）削液中的（de）有機堿結合可生（shēng）成（chéng）具有致癌性（xìng）的（de）亞硝胺。常（cháng）用的甲醛釋放型殺菌劑在環（huán）境中釋放（fàng）出的甲醛具（jù）有致（zhì）癌、致畸性等。因此，用可生（shēng）物降解的（de）植物油或植物（wù）油基（jī）合成（chéng）酯替代礦物油作為基礎油，並使用新型無（wú）毒無害的添加劑（jì）替代傳統有毒（dú）有害（hài）的添加劑，開發（fā）出高性能、易降解的環保型切（qiē）削液已成為行業的發展趨勢。

現以筆者團隊（duì）所開發的植物油（yóu）基鈦合金切削液為例，說（shuō）明以植（zhí）物油替代礦物油後，為切削液在潤滑性能及生物降解率方麵所帶來（lái）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（質量分數）（%）

對其進行機床切削測試（shì），分析其對刀具磨損的影響（以後刀麵磨（mó）損量＞0.2mm為試驗停止節點），並與某（mǒu）商用礦（kuàng）物油基鈦合金切削液進行對（duì）比。測試條件見表2。
表2 機床切削測試條件

切削液（yè）對刀片（piàn）磨損影響的測試結（jié）果如圖1所示，切削液對刀片壽命的影響見表3。

圖1 切削液（yè）對刀片磨損的測試結果影（yǐng）響

表3 切削液（yè）對刀片壽命（mìng）的影響

由圖1、表3可知，相（xiàng）比於礦物油基商用液，在（zài）鈦合金切削加工中使用植物油（yóu）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（tiáo）件見表4。

表（biǎo）4 植物油（yóu）基鈦合金切削液生物降解率測試條件

以COD（化學需氧量）去除率表征切削液的生物降（jiàng）解率，測試結果見表5。

表5 切削液生物降（jiàng）解率

與（yǔ）礦物（wù）油基商用液進行對比，可以看到，植物油基鈦合（hé）金切削液的（de）生物降（jiàng）解率明顯優於礦物（wù）油基商用液，可有效降低後續（xù）廢液處理的壓力，減輕對環境的影響。通過以上測試結果可知，相比於（yú）傳統的礦物油基切削液，植物油基切削液潤滑性能更強、生物降解（jiě）率更高（gāo）。通過以植物油替換（huàn）切削液中的礦物油，不僅減少了對石油產品的依賴（lài），而且使切削液獲得了延長刀具壽命、降低刀具損耗、低（dī）汙染的效果。

此外，天津科（kē）技大（dà）學的李想等以廢舊機油為基礎油製備了滿足使用要求的乳化切削液，在降低切（qiē）削液對石油資源（yuán）消耗的同時還使廢舊機油得（dé）到了（le）資（zī）源化利（lì）用，為（wéi）切（qiē）削液的低碳化發展提供了（le）一種選擇[2]。

3 建立金屬切削（xuē）液管理、維（wéi）護體係

即（jí）便是性能良好的切削液，若使用不（bú）當、維護不佳也會出現諸多問題，如鏽蝕、潤滑能力下降、泡沫（mò）增多及壽命縮短等（děng）。因此，在機械加工中，使用者不僅要選（xuǎn）擇高性能的環保型切削液，還要結合現場工藝，掌握切削液正確的使用、管理、維護方法，這樣才能充分發揮切削液（yè）的作用，以減少（shǎo）加工過程中刀具的磨損，提升加工質量，並降低切削液的消耗與排放（fàng）。但對（duì）於大多數企業而言，由於金（jīn）屬切削液技術涉及多門學科，管理難度大，存（cún）在問題多，缺乏熟悉切削液相關知識的專（zhuān）職人員，對切削液的選擇、使（shǐ）用及維護不夠重視或（huò）力不從心。所以，結合使用者實際情況，建立一套係統而完整的切削液管理、維護體係對於提升（shēng）製造業的加工（gōng）水平及降耗減排（pái）尤為重要。

金屬切削液的管理、維護體係應包括：切削液的選擇、切削液的更換及切削液的維護三個方麵。其中，切削液的選擇應對使用工廠的類（lèi）型、機床類型、加工工（gōng）藝、工件材質（zhì）、刀具材質（zhì）、稀釋水水質、機床供液係統、油品倉庫（kù）存儲條件、廢液處理難易程度、切削液的（de）安全環（huán）保性能及產品性（xìng）價（jià）比等充分考慮（lǜ），綜合評估，選擇最（zuì）適宜的產品。下麵對各（gè）種類型的切削液性能（néng）進行比較歸納，用於指導實際加工時（shí）切削液的（de）選（xuǎn）擇，見表6[3]。

選擇適（shì）宜的切削（xuē）液後，在開始使用之前應對（duì）機床內原有的切削液（yè）進行更換，切削液的更換包括：清理液槽及循環係統、對液槽及循環係統進行消毒、配製合適濃度的新液等（děng）步驟。更換（huàn）完畢後，若要使切削液發揮好的使用效果，仍需（xū）對其進（jìn）行維護。在（zài）日常維護中，一般應對切削液的外觀、濃（nóng）度、pH值、電導率、水質硬度、泡沫、防鏽性能及微生物（wù）菌落數（shù）等（děng）指（zhǐ）標進行監測，若指標發生異常時，應及時對切（qiē）削（xuē）液進行相應調整；同時，還需保證循（xún）環管路的暢通，保持切（qiē）削液的（de）日常循（xún）環，並及時去除切削液中的雜油及其（qí）他雜質[4]。

表6 切削（xuē）液（yè）性能比較

筆者團隊曾結合現場實際情況為深圳市某企業製定了（le）一套金屬（shǔ）切削液管理、維護體係，企業使用（yòng）者實施該體係前後切削液（yè）的使用情況見表7。

表7 切削液管理、維護體係實（shí）施前後（hòu）切削液使用情況

通過表（biǎo）7可以計算出，管理、維（wéi）護體係建立實（shí）施之後，該企業切削液用量降低了（le）37.5%，且使用周期大幅延長。此外，通過選（xuǎn）擇適宜的切削液，加強切削加工時的潤滑，降低（dī）了刀具磨損，刀具節約率達到15%。

由此可見，建立並實施金屬（shǔ）切（qiē）削液管（guǎn）理、維護體係可在很大程度上促進機械加工過程中的降耗、減排（pái）。

4 對金（jīn）屬切削液廢液進行資源化（huà）處理

建立並實施金屬切削液管理、維護體係可有效提升其使用壽命，但隨著切削液使用時間的延長，有效成分不斷損耗，微生物不斷增殖，最終仍會導致腐敗、變質，喪失使（shǐ）用性能（néng），形成切削液（yè）廢液。切削液廢液具有成分複（fù）雜、性質差別巨大、穩定性高、不易降解的特點，其COD可達105～106 mg/L，如何對廢舊切削液進行有效處理已經成為環保領域的（de）一大難題[5]。目前（qián），國內（nèi）企業的切削液廢液主要（yào）由（yóu）具有處理資（zī）質的專業公司處理，處理成本高，處理困難，環境壓力大。切削液廢液中主要含有基礎油、各種添加劑、金屬離子、微生物及其（qí）代謝產物、無機鹽及（jí）水等。其中，水作為切削液工作液的稀釋（shì）介質，在（zài）廢液中的含量最大（dà），按照質量分數（shù）計劃一般大於80%。使用者通過較（jiào）為簡單的工藝，將廢液中的水（shuǐ）經過分離、淨化達標後，繼（jì）續作為切削液稀釋水使（shǐ）用，實現廢（fèi）液（yè）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（xiào）的方法。

為探究該方法的可（kě）行（háng）性，筆者團隊采用絮凝沉降-膜處理工藝，對（duì）切削（xuē）液廢液（yè）中的水進（jìn）行回收處理，檢測其相關指標，並分析以其作為稀釋水配製（zhì）的（de）切削液工作液是（shì）否滿足使（shǐ）用性（xìng）能。切削液廢液資源化處理流程如（rú）圖2所示。

圖2 切削液廢液資源化處理流程

所選用（yòng）切削液廢液（yè）來（lái）自東莞市某（mǒu）鋁合金（jīn）加工企業，為半合成型切削液。廢液及資源化處理後（hòu）納濾出水的性狀及相關理化指標見表8。

表8 切削液廢液及（jí）資源化處理後納濾出水（shuǐ）的性狀及相關理化指標

廢液（yè）資源（yuán）化處理後的（de）納濾出水，仍含有少量的切（qiē）削液，按照（zhào）質量分數計算（suàn）濃度為0.5%，電導率為2200μS/cm，COD為6800mg/L，遠不滿足GB18918—2016中規定的（de）工業廢水三級標準，不可直接排放。

以納濾出（chū）水為稀釋水配製切削液工作液，按（àn）照質量分數計算濃度為5%，測（cè）試其基本理化指標（biāo），並（bìng）與以（yǐ）去離子（zǐ）水為稀釋水配製的工作液進行對比，結果見表9。

表9 切削液工作液基本理（lǐ）化指（zhǐ）標

以MicrotapTTT攻螺紋（wén）扭（niǔ）矩儀分別測試兩組切削液（yè）工作液對（duì）GCr15軸承鋼和6061鋁合金的潤滑性，測試條（tiáo）件見表10。

測試結果如圖3、圖4所示。

表10 攻螺紋扭矩測試（shì）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（gōng）作液的潤滑（huá）性，平均扭（niǔ）矩（jǔ）值越（yuè）小，潤滑（huá）性越好。由（yóu）測試結（jié）果可知，對於GCr15軸承鋼和6061鋁（lǚ）合金，兩組工作液所取得的平均（jun1）扭矩值相近，潤滑性能相（xiàng）當。結合表（biǎo）9，說明以（yǐ）廢液資源化處理後的納濾出水為稀釋水配製的切削（xuē）液工（gōng）作液，其（qí）相關性能與（yǔ）以去離子水配製的工作（zuò）液相近，可滿足使用需（xū）求（qiú）。

可見，通過較為簡單的絮凝沉降-膜處（chù）理工藝對切削（xuē）液廢液中的水進行資源化處理，雖不能達到排放標準，但（dàn）可作為稀釋水回用於切削液（yè）工作液（yè）的配製。既降（jiàng）低了廢液的處理（lǐ）難度、處理成（chéng）本，又使其中的水得以循環利用，減少了水（shuǐ）資源（yuán）的消耗（hào）和廢液的排放量，進（jìn）一步助力製（zhì）造（zào）業的低碳、減排。目前，該工藝已（yǐ）在提供（gòng）切削液廢液的東莞市某鋁合金加工企業應用，並取得了廢液排放率降低80%的良好（hǎo）效果。

此外，李雪偉以銅（tóng）包（bāo）鐵（tiě）粉作為類Fenton反應（yīng）催化劑，采用破乳—類Fenton氧化（huà）—pH回調—混凝處理工藝，處理廢舊切削液，取得了較（jiào）為理想的結果（guǒ）[6]。陳益（yì）成利用機械格柵—pH調節—隔油池—氣浮—生物池工藝處理切削液廢水（shuǐ），出水可回（huí）用於生產和生（shēng）活[7]。

5 結束語

金屬切削液的整個生命周期應包括開（kāi）發、使用及後處理。開發高性能、易降解的環保型切削液，可降低切削加工中的刀具磨損，並使（shǐ）切削液易於生（shēng）物（wù）降解；建立實（shí）施完善的（de）切（qiē）削（xuē）液管理（lǐ）、維護體係，可幫助使用者選擇適宜的切削液，同時提升其（qí）使用效果（guǒ）、延長其使用壽命；對切削液廢液進行資源化（huà）處理，可減少排放，緩解環境壓力。這（zhè）些都是（shì）從金屬切削液角度（dù）助力製造業低（dī）碳化轉（zhuǎn）型的有效（xiào）途徑，在（zài）該過程中切削液開發者及使（shǐ）用者應相互協作，共同推進“雙碳”目標的實現。

參考文獻：[1] 胡鞍鋼．中國（guó）實現2030年前碳達峰目標及主要途徑（jìng）[J]．北京工業大學學報（社會科學版），2021，21（3）：1-15.[2] 李想（xiǎng），曹雅星（xīng），周忠偉，等．廢機油製備（bèi）的乳化切削液及（jí）其（qí）性能研（yán）究[J]．軸承（chéng），2021（2）：47-51.[3] 金（jīn）屬（shǔ）加工雜誌社，清（qīng）華大學天津高端裝備研究院．金屬加工油液選用指南[M]．北京：機械工業出版社，2021．[4] 李環．切削（xuē）液在應用中出現的問題及措施[J]．華通技（jì）術，2007（Z2）：56-57.[5] 高坤，程（chéng）娟娟. 機（jī）械加工行業廢切削液處理方法研究進展[J]. 中國機械，2014（19）：81-83.[6] 李雪偉. 廢切削乳化液處理（lǐ）工藝研究[D] . 武漢：武（wǔ）漢科技大學，2018.[7] 陳益成. 某汽車（chē）製造廠切削液廢水處理工程實例[J]. 廣（guǎng）東化工（gōng）， 2019，46（11）：164-165.

本文發表於（yú）《金屬加工（冷加工）》2022年第1期20-24頁，作者：季華實（shí）驗室、清華大學天津高端裝備研究院 劉騰（téng）飛；清華大學（xué）、天津清潤博潤滑科（kē）技有限公司 戴媛靜 ，原標題：《“雙碳（tàn）”目標下金屬切削液低碳化途徑的探討》。