“双碳”目标下金属切削液低碳化途径的探讨
1 前言
自2020年9月中国在第75届联合国大会一般性辩论上宣布力争2030年前二氧化碳排放达到峰值、2060年前力争实现碳中和以来，国家相关部门围绕“双碳”目标出台了一系列节能减排指导意见。据统计，我国制造业产生的碳排放约占总量的30%至50%，加快制造业绿色低碳转型刻不容缓[1]。绿色制造的核心是节约资源、减少排放、保护环境，需要综合考虑产品的全制造过程，实现资源利用率高、环境影响低。
2.开发高性能、易降解、环境友好的金属切削液
金属切削液作为制造业的“血液”，是影响其绿色低碳转型的关键因素之一。金属切削液是指金属切削加工过程中使用的添加剂，主要起到润滑、冷却、清洗、防锈等作用。目前，市场上的金属切削液大多由基础油、防锈剂、乳化剂、分散剂、防霉剂及其他添加剂等化学成分组成。主要存在以下问题：基础油和添加剂主要来源于石油产品，消耗了大量的石油资源；添加剂具有一定的化学危害性，部分添加剂具有一定的生物毒性；使用或管理不当易导致切削液腐败变质，影响加工效果，恶化工作环境；切削液废液稳定性强，不易降解，环保处理负担重。
基于此，金属切削液的开发商和使用者应共同努力，解决上述问题，促进“双碳”目标的实现和制造业的稳定发展。
目前，切削液开发商大多选择矿物油作为基础油，消耗大量石油资源，且生物降解性差，废液处理困难，造成沉重的环境负担。另外，切削液添加剂种类繁多，有些对人体和环境有害，如常用的极压添加剂短链氯化石蜡，不易降解，易在体内富集，可致癌、致畸、致死；常用的无机盐防锈剂亚硝酸钠与切削液中的有机碱结合生成致癌的亚硝胺；常用的释放甲醛的杀菌剂释放到环境中的甲醛具有致癌、致畸作用。因此，以可生物降解的植物油或植物油基合成酯为基础油替代矿物油，用新型无毒无害添加剂替代传统有毒有害添加剂，开发高性能、易降解、环境友好的切削液已成为行业的发展趋势。
以作者团队研制的植物油基钛合金切削液为例，说明用植物油替代矿物油后切削液润滑性能及生物降解性的改善，其配方组成如表1所示。
表1 植物油基铁合金切削液化学成分（质量分数）（%）
进行机床切削试验，分析其对刀具磨损的影响（刀具背面磨损大于0.2 mm时停止试验），并与市售矿物油基钛合金切削液进行比较，试验条件如表2所示。
表2 机床切削试验条件
切削液对刀片磨损影响的试验结果如图1所示，切削液对刀片寿命的影响如表3所示。
图1 切削液对刀片磨损试验结果的影响
表3 切削液对刀片寿命的影响
从图1和表3可以看出，与矿物油基商用液相比，在钛合金切削中使用植物油基切削液具有更佳的润滑性能，可以显著减少刀片磨损，并可延长刀片寿命1.68倍。
对植物油基钛合金切削液的生物降解率进行测试，测试条件如表4所示。
表4 植物油基钛合金切削液生物降解性试验条件
切削液的生物降解速度用COD（化学需氧量）去除率来表征，测试结果见表5。
表5 切削液的生物降解率
与矿物油基商品液对比可以看出，植物油基钛合金切削液的生物降解速度明显优于矿物油基商品液，可有效减少后续废液处理的压力，降低对环境的影响。以上试验结果表明，与传统矿物油基切削液相比，植物油基切削液具有更强的润滑性能和更高的生物降解速度。通过用植物油替代切削液中的矿物油，不仅减少了对石油产品的依赖，还能使切削液达到延长刀具寿命、减少刀具损耗、减少污染的效果。
此外，天津科技大学的李翔等人以废机油为基础油，制备出了符合使用要求的乳化切削液，不仅减少了切削液对石油资源的消耗，还实现了废机油的资源化利用，为切削液的低碳发展提供了一种选择[2]。
3.建立金属切削液管理维护制度
即使切削液具有良好的性能，如果使用不当、保养不善，也会出现很多问题，如生锈、润滑能力下降、泡沫增多、寿命缩短等。因此，在机械加工中，用户不仅要选择高性能环保型切削液，还要结合现场工艺，掌握切削液的正确使用、管理和维护方法，才能充分发挥切削液的作用，减少加工过程中刀具的磨损，提高加工质量，减少切削液的消耗和排放。但对于大多数企业来说，由于金属切削液技术涉及多个学科，管理难度大，问题多，缺乏熟悉切削液相关知识的专职人员，重视程度不够或不会。因此，结合用户的实际情况，建立系统、完善的切削液管理维护体系，对提高制造业加工水平、降低消耗和排放显得尤为重要。
金属切削液的管理维护制度应包括切削液的选择、切削液的更换和切削液的维护三个方面。其中，切削液的选择应充分考虑使用切削液的工厂类型、机床类型、加工工艺、工件材质、刀具材质、稀释水质量、机床供液系统、油仓储存条件、废液处理难易程度、切削液的安全环保性能、产品性价比等，进行综合评估，选择最合适的产品。下面对各类切削液的性能进行了比较总结，以指导实际加工中切削液的选择，见表6[3]。
在选择了合适的切削液之后，在开始使用机床之前，应该对机床中现有的切削液进行更换。切削液的更换包括：清洗液罐及循环系统、对液罐及循环系统进行消毒、配制适当浓度的新液等。更换完成后，若要使切削液有效使用，还需对其进行保养。在日常保养中，一般应监测切削液的外观、浓度、pH值、电导率、水质硬度、泡沫、防锈性能及微生物菌落数等，若其中任何一项指标出现异常，应及时对切削液进行相应调整；同时，还要保证循环管路的通畅，保持切削液的日常循环，及时清除切削液中的碎屑等杂质[4]。
表6 切削液性能对比
笔者团队根据现场实际情况，为深圳某公司制定了金属切削液管理维护制度，制度实施前后该公司用户切削液使用情况如表7所示。
表7 切削液管理维护制度实施前后切削液使用情况
表7表明，该公司管理维护体系建立实施后，切削液消耗量降低了37.5%，使用寿命大大延长。另外，通过选择合适的切削液，增强了切削时的润滑作用，减少了刀具磨损，刀具节省率达到15%。
可见，建立和实施金属切削液管理与维护制度，对机械加工过程中的消耗和排放的减少有极大的促进作用。
4、金属切削液废弃物的资源化处理
建立并执行金属切削液管理维护制度，可有效延长其使用寿命。但随着切削液使用时间的增加，有效成分不断流失，微生物不断增殖，最终导致切削液腐败变质、性能下降，形成切削液废液。切削液废液具有成分复杂、性质差异巨大、稳定性高、降解难度大等特点，其COD可达105～106mg/L。如何有效处理废切削液已成为环保领域的一大难题[5]。目前，国内企业的切削液废液主要由具有处理资质的专业公司处理，处理成本高、难度大、环保压力大。切削液废液主要含有基础油、各类添加剂、金属离子、微生物及其代谢产物、无机盐和水等，其中，水作为切削液工作液的稀释介质，在废液中的含量最大，按质量分数计一般大于80%。 用户可采用较为简单的工艺，将废液中的水分分离净化至达标后，再作为切削液稀释水继续使用，实现废液中含量最大的组分的资源化利用，这是减少切削液废弃物排放的有效方法。
为探索该方法的可行性，本团队采用絮凝沉淀-膜处理技术对切削液废液中的水进行回收利用，检测其相关指标，分析以其作为稀释水配制的切削液工作液是否满足性能要求。切削液废液资源化处理流程如图2所示。
图2 废切削液资源化回收流程
所选用的切削液废液来自东莞市某铝合金加工企业，为半合成切削液，该废液及资源化处理后纳滤出水性质及相关理化指标见表8。
表8 资源化处理后切削液废水和纳滤出水性质及相关理化指标
废液资源化处理后的纳滤出水仍含有少量切削液，按质量分数计算浓度为0.5%、电导率为2200μS/cm、COD为/L，远远达不到2016年规定的工业废水三级标准，不能直接排放。
以纳滤出水为稀释水配制切削液工作液，浓度按质量分数计为5%，测试其基本理化指标并与以去离子水为稀释水配制的工作液进行对比，结果见表9。
表9 切削液工作液基本理化指标
采用攻丝扭矩仪测试了两组切削液对GCr15轴承钢和6061铝合金的润滑性，试验条件如表10所示。
测试结果如图3、图4所示。
表10 攻丝扭矩试验条件
图3 切削液GCr15轴承钢攻丝扭矩
图4 切削液6061铝合金攻丝扭矩
用螺纹加工过程中的平均扭矩值来表征切削液工作液的润滑性，平均扭矩值越小，润滑性越好。从试验结果可以看出，对于GCr15轴承钢和6061铝合金，两组工作液得到的平均扭矩值相近，润滑性能相当。结合表9可知，用废液资源化处理后的纳滤出水作为稀释水配制的切削液工作液，其相关性能与用去离子水配制的工作液相近，可以满足使用要求。
可以看出，通过较为简单的絮凝沉淀-膜处理工艺对切削液废液中的水进行资源化处理虽然无法达到排放标准，但可以作为切削液工作液配制中的稀释水进行回用。不仅降低了废液处理的难度和成本，而且可以使其中的水得到循环利用，减少了水资源的消耗和废液的排放，为制造业的低碳减排做出贡献。目前，该工艺已在东莞市一家提供切削液废液的铝合金加工企业应用，取得了减少废液排放率80%的良好效果。
此外，李学伟等采用铜包铁粉作为准反应催化剂，采用破乳-准氧化-pH调节-混凝处理工艺处理废切削液，取得了较为理想的效果[6]；陈义成等采用机械格栅-pH调节-油分离器-气浮-生物池工艺处理切削液废水，出水可在生产、生活中重复利用[7]。
5 结论
金属切削液的整个生命周期应包括开发、使用和后处理。开发高性能、易降解、环境友好的切削液，可以减少切削过程中的刀具磨损，使切削液可生物降解；建立和执行完善的切削液管理维护制度，可以帮助用户选择合适的切削液，同时提高其使用效果，延长使用寿命；切削液废弃物的资源化处理，可以减少排放，缓解环境压力。这些都是从金属切削液的角度帮助制造业向低碳经济转型的有效途径。在这个过程中，切削液开发商和用户应该相互协作，共同推动“双碳”目标的实现。
参考文献： [1] 胡鞍钢. 中国2030年前碳排放达峰目标及实现主要途径[J]. 北京工业大学学报（社会科学版），2021，21（3）：1-15。 [2] 李想，曹亚星，周忠伟，等. 利用废机油制备乳化切削液及其性能研究[J]. 轴承，2021（2）：47-51。 [3] 清华大学天津先进装备研究院金属加工杂志社. 金属加工液选用指南[M]。北京：机械工业出版社，2021。 [4] 李欢. 切削液应用中的问题及措施[J]. 华通技术，2007（Z2）：56-57。 [5] 高坤，程娟娟. 机械加工行业废切削液处理方法研究进展[J]. 中国机械，2014（19）：81-83。 [6]李学伟.废弃切削乳化液处理工艺研究[D].武汉:武汉科技大学,2018. [7]陈毅成.某汽车制造厂切削液废水处理工程实例[J].广东化工,2019,46(11):164-165.
本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第1期第20-24页。作者为吉华实验室、清华大学天津先进装备研究院刘腾飞；清华大学、天津清润博润滑科技有限公司戴元静。原文标题为：《“双碳”目标下金属切削液低碳化途径探讨》。