摘要：当前我国大力推进节能减排的“双碳”目标，作为冶金工业中重要的应用材料，金属切削液在开发、使用、维护、处理等环节上贯彻减排目标也是一个重要的方面。本公司通过对传统石油化工油基金属切削液和非石化油基金属切削液，尤其是植物油基为基础的合成酯型金属切削液进行了实验对比，充分体现了植物油基合成酯金属切削液高性能、易降解的环保优势，并对金属切削液的管理、维护、处理体系进行了部分阐述，致力于在金属切削液的低碳化方向上建立一条有应用价值的途径，进而促进社会大众对非石化油基金属切削液的重视与应用，从而有效降低石化油基金属切削液的生产与使用，同时获得降低废液影响的社会效果，进而助力推进“双碳”目标。

　　关键词：双碳；金属切削液；低碳化；碳达峰；碳中和

　　“双碳”即“碳达峰”和“碳中和”的简称，我国在2020年联合国大会上承诺，中国“碳达峰”目标是在2030年前二氧化碳的排放量达到峰值之后不再增长，转而呈下降趋势，中国“碳中和”目标是到2060年，国家具有将排放的二氧化碳采取系列治理手段全部抵消掉的能力。为了发挥大国在环保事业方面的带头作用，实现造福全人类的宏伟目标，国家针对“双碳”目标推出了大量节能减排的具体方针措施。金属切削液并非冶金工业的原材料，但当前主要的金属切削液都是以石油制品为主要原材料生产制造，因此降低金属切削液中主要成分的石油制品比例，对于降低碳排放量，促进制造业低碳化转型有一定的意义。因此，本文对金属切削液的新材料应用、管理维护问题作了一些实践性研究，以促进“双碳”目标的向前发展。

　　1“双碳”目标下金属切削液低碳化两条必要途径1.1开发高性能、易降解的环保型金属切削液

　　金属切削液是指金属切削加工过程中使用的润滑剂、冷凝剂、清洗剂等助剂的统称，就其成分来看，还包括基础油及添加液诸如乳化剂、防锈剂、分散剂、防霉剂等等，其化学成分构成复杂的特性。当前与双碳目标主要的矛盾问题是当前市场主要的基础油及添加剂均属于石化产品，不利于进一步降低节能减排目标，因此开发高性能、易降解的环保型金属切削液可以直接减少对石油产品的依赖，例如：植物油基切削液相比于传统的矿物油基切削液润滑性能更强、生物降解率更高，也能够延长刀具寿命，具有促进降低污染的社会效益。

　　1.2建立并实施金属切削液管理、维护、处理体系

　　对金属切削液进行有效的管理与维护可提升其使用寿命，金属切削液如果管理与保养不当，会使有效成分流失、变质而产生损耗，微生物增殖还能够导致金属切削液变成废液而丧失使用性能。金属切削液废液的处理对其社会效益的体现至关重要，由于复杂的化学成分和不易降解的特点，金属切削废液的有效处理是环保领域的重点性难题，与“双碳”相匹配的环保政策急需推进我国制造业建立起完善的金属切削液管理、维护、处理体系。

　　2金属切削液低碳化当前面临的客观问题

　　2.1微生物降解能力低

　　当前市场上主流尽数切削液多以石化产品为基础油，不但耗费宝贵的石油资源，而且矿物油的微生物降解能力极低，导致其废液的处理难度大、成本高，往往不经过处理直接排放至土地、水体中，导致金属切削废液中的有害物质又随着水循环作用四处扩散至农田系统、水利系统，这些不能被微生物降解的有害物质或者存在一定毒性，或者能够通过富集作用对人身安全造成损害，或者不利于推进制造业的低碳减排，给环保目标造成很大的负担。矿物基油金属切削废液的理化性质相对稳定，不易产生化学反应，有效收集后的处理难度也非常大。

　　2.2添加剂对环境危害较大

　　金属切削液除了基液意外，还有各种添加剂在内，一些添加剂对人体、环境产生一定危害，而且化学成分相对复杂，处理起来需要一定的技术支持，例如：一些比较常用的极压添加剂如短链氯化石蜡，具有一定的毒性，自然界微生物作用无法将之降解，排入水体中易在水生生物体内产生富集作用而被人体吸收，导致人体出现癌变、畸形等病理，再例如：一些无机盐防锈剂，在生产过程和排放过程中容易发生碱化反应生成致癌性强烈的化学物质，因此，金属切削液的添加剂也在系统管理范围之内，其安全性对推进“双碳”降耗减排事业也至关重要。

　　2.3处理成本高

　　冶金工业中的金属切削液使用量非常大，所产生的残液、废液数量也随着生产的开展而不断增加。这些废液中主要含有石化基础油、有害添加剂、重金属离子、微生物等复合型的环境污染物，所需的处理技术手段涉及多门学科，专业性较强且处理成本较高。当前我国冶金企业大多不专门设置三废回收部门，而是采取外包给具有处理资质的专业公司，但一些处理企业的经验不够全面，对于近年来新增的非石化矿物油基金属切削废液的处理经验不足，导致企业为了节省处理成本选择私自排放，给本来能够实现节能减排目标的环保型金属切削液的可持续发展前景蒙上了阴影。

　　2.4管理维护不当

　　当前许多冶金企业对环保型金属切削液缺乏专门的管理制度，或者对其管理知识不熟悉、不重视，成为了普及非石化矿物油基金属切削液的一大阻碍。金属切削液根据油基类型的不同，其使用、保养、维护要点也各有不同，主要是由其理化性质决定的。例如：当前为了降低对环境的影响，应用了一些非矿物乳化油基金属切削液，其在防锈蚀、抗起泡、水合性等参数指标上与石化矿物油基金属切削液有很大不同，但管理员往往采取管理石化矿物油基金属切削液的经验去指导使用、管理、维护，这样不但容易影响非矿物油基金属切削液的使用寿命与使用量，而且容易导致环保型金属切削液的商誉下降，造成人为管理事故。

　　3一种可生物降解的植物油基合成酯金属切削液及其理化性质

　　3.1化学成分研究

　　本次推荐的金属切削液是由某冶金研究院在之前研究的可生物降解植物油基乳化切削液的基础上，制备的一种植物油基合成酯乳化金属切削液，以植物油为原料，完全替代了石油产品的矿物基础油，对可回收、可降解资源进行了充分化利用，为金属切削液的低碳化发展提供了一条可持续发展途径。

　　从该植物油基合成酯乳化金属切削标准工作液的化学成分来看，该标准工作液中植物油质量分数占比为35%，有机碱质量分数占比为13%，乳化剂质量分数占比为6%，缓蚀剂、防锈剂质量分数占比各为1%，杀菌剂质量分数占比为2%，消泡剂质量分数占比为0.3%，去离子水质量分数占比为41.7%。

　　该新型金属切削液基础油搭配的缓蚀剂、防锈剂均为可降解的邮寄添加剂，消泡剂的质量分数占比大大低于石化油基金属切削剂，作为一种高性能、易降解的环保型切削液，符合当前的行业发展趋势。从这种新型的植物油基合成酯乳化金属金属切削液在研发、应用及处理过程中的表现来看，证明以植物油替代矿物油作为金属切削液基础油的路径是可行的，在保持产品设计的润滑性能要求前提下并进一步优化配方组成后，植物基油比矿物基油具有更高的微生物降解率。

　　为了对可生物降解的植物油基合成酯金属切削液应用效果进行研究，我们安排了其与当前市场占有率较高的某石化矿物基油金属切削液分别进行机床切削测试，分析在正常工作条件下两种金属切削液对刀具磨损的影响。本次实验选用了两台HASSminimi数控铣床，选取直径35/mm、l刀齿可转位硬质合金刀片当，铣床加工线速度设计为50m/min，进给速度设计为270mm/min，背吃刀量设计为0.5/mm，切削宽度设计为15/rain，加工工件材质为1095钢材，以后刀面磨损量>0.2/mill为停止试验节点并进行两种金属切削液对刀片磨损影响的测试对比。

　　经过测试结果发现，在植物油基合成酯金属切削液的情况下，刀片寿命达到了264min，而矿物油基商用液170min，在植物油基合成酯金属切削液的润滑条件下使刀片寿命比在矿物油基商用液润滑条件下提高了1.7倍左右，在同等工作时间下，在金属切削加工中使用植物油基合成酯金属切削液对刀片磨损的降低作用更为明显。

　　3.2微生物降解率测试

　　通常情况下，以COD(化学需氧量)作为衡量金属切削液微生物降解率的参考指标，以百分比去除率进行数学表征，通过仪器分析法对本公司所选用之植物油基合成酯型金属切削液与矿物油基商用液进行同等条件下的测试结果对比。在条件设计方面将两种金属切削液调制成浓度为5%的样品并用移液枪移入比色管，在每个样品内接种入1%的降解菌群，将样品置于30℃恒温箱内，观察15天。

　　通过测试结果我们发现，植物油基金属切削液的COD去除率达到了96.63%，而矿物油基商用液的COD去除率仅为87.47%，可见该植物油基金属切削液在微生物降解方面与矿物油基商用液相比有较大优势，其金属切削废液的处理对环境产生非常有限的压力，有利于金属切削液从石油产品依赖转化为植物油产品依赖，以植物油替换矿物油在金属切削液低碳化应用方面的市场前景非常广阔。

　　4可生物降解的植物油基合成酯金属切削液的管理体系

　　4.1各种类型金属切削液的管理成本

　　不同类型的金属切削液因为理化性质及适应参数不同，因此其管理体系宜精细化分类而非统一管理。例如石化矿物油基金属切削液或者非矿物乳化油基切削液分别残留在机床内，现要对其进行更换，所用的清理液、消毒液均有不同要求，因为二者之间的清洗性由于水含量、水适应性完全不同，因此，对其的使用方法、维护方法也不同。本公司根据多年经验对当前市场占有情况较好的金属切削液分为：石化矿物油形、非矿物乳化型、生物油基型、分子合成酯型四大类。依据一线生产经验的回馈作出了若干指标的评价系统，对各种类型的切削液性能进行比较归纳，具体情况如下：①石化矿物油基类。该类金属切削液的优势在于冷却性、生物刺激性低，润滑性、防锈性、抗起泡性、机床油漆适应性较高，使用寿命长，劣势在于清洗性、抗氧化性、抗爆燃性、环保性低，而储存维护难度、废液处理难度很高，而且硬水适应性极差，不能水解；②非石化矿物乳化油基类，属于相对中庸的金属切削剂，既无石化矿物油基金属切削机优势项，也无其劣势项，对环境的危害略有降低，但废液处理难度仍然很大；③生物性油基类。当前一般以植物油基为主，也有部分动物油基，在润滑性方面比石化类、非石化矿物类略有降低，但其原材料较低而且易得，环保性和水溶性大大提高，废液处理难度降低，有着对矿物油基类金属切削剂极强的替代前景；④分子合成酯类。当前金属切削液的重点研发方向，与以上数种金属切削剂相比经久耐用，水溶性更好，非常易于清洗，抗爆燃而且可生物降解，废液处理难度进一步降低，但储存维护的专业性变得更强，部分理化性质较为复杂的还需要在日常储存维护中监测其特殊指标，以防止其组成成分在特定条件下发生理化性质的变化。

　　除了因为分类不同所导致的金属切削液理化参数不同以外，金属切削液的管理、维护体系也要考虑企业生产加工的实际条件，例如：机床类型、工艺工序、工件材质、刀具材质、稀释水水质、机床供液系统、油品仓库存储条件、废液处理难易程度、切削液的安全环保性能等等，进行评估并妥善进行分类管理、维护。

　　4.2金属切削液的管理与维护

　　本公司结合实际生产及金属切削液储备情况，设计了相应管理维护体系，应用管理维护体系的现用液为一种植物油基合成酯型金属切削液，使用浓度为13%，而原用液为一种石化油基乳化金属切削液，使用浓度为19%。

　　通过若干周期的观察与效益显示，在有明确的金属切削液管理维护体系下的现用液所产生的节约效益，比原用液的节约效益更加显著，从用量上看，原用液的月使用量为2246kg，而现用液的月使用量为1471kg，降低约35%左右，超过三分之一，从使用周期上看，原用液的使用周期平均为9个月，现用液的使用周期平均为12个月，平均增加了3个月左右，约一个季度的时间。从节约率上来看，刀具磨损率的降低幅度达到了15%，也凸显了植物油基合成酯型金属切削液的竞争优势。

　　4.3金属切削废液的资源化处理

　　对于金属切削废液的资源化处理是当前节能减排的核心问题，比较经济的处理方法一般采用絮凝沉降——膜处理工艺将金属切削液废液中的水滤出，能够起到回收水资源作用。对于纳滤出水需要进行指标检测，一方面是分析其是否达到了国家GBl8918—2016中规定的工业废水排放标准，一方面也可以检测金属切削液中的稀释水配比是否有合理性。

　　本公司选用一种非石化油基半乳化金属切削液进行实验，对废液进行及资源化处理，对实验用非石化油基半乳化金属切削液废液及资源化处理之前，该切削液废液目测其外观呈黄浊状乳液，上层有油体分离现象，表面有漂浮固体物，下层有沉淀，中层有固体悬浮物，气味刺鼻、酸腐，用折光计检验后发现，该废液的浓度为13.5%，用PH计计算测得该废液的PH值为8.76，属强碱性液体，对环境产生较大影响。用数显电导率仪进行测量，废液的电导率为6400uS/cm，置于水质分析仪内测得该废液的COD为322900mg/L，属重度污染。

　　以上数据按照国标GB/T-6144对比后发现，废液的单片防锈性、LYl2铝缓蚀性均为D级，在废液样品内投入测菌片发现，其细菌菌落数大于107cfu/mL，真菌菌落数大于105cfa/mL，对水体、土体均能产生严重污染。

　　由于水是金属切削液中的主要稀释介质和组成成分，一般金属切削废液中的质量分数在80%左右，因此，当前对金属切削液的纳滤出水处理主要应用的絮凝沉降——膜处理工艺。该工艺相对简单，其目的是将废液中的水进行初级分离净化，达到工业废水排放标准可以直接排放，也可以作为稀释水循环使用，达到资源重复利用的效果。

　　经过絮凝沉降——膜处理工艺处理后对纳滤出水进行采样送检发现，本次实验所用之废液资源化处理后的纳滤出水纯度较低，从目测来看，该纳滤出水呈淡黄色透明液体，已无刺鼻酸腐异味，用折光计检验后发现，该纳滤出水的浓度为0.47%，用PH计计算测得该废液的PH值为7.73，接近于中性液体，对环境的影响比废液大大降低。投入测菌片对该纳滤出水的微生物菌落进行检测，其细菌菌落数小于100 cfu/mL，真菌菌落数小于lOcfa/mL，对水体、土体的污染能力已经大大降低。

　　但进一步通过仪器分析显示，该纳滤出水中残留金属切削液质量分数浓度约为0.5%左右，用数显电导率仪进行测量该纳滤出水的电导率为2200uS/cm，COD为6800mg/L，达不到工业废水三级标准要求，不能直接排放，只能作为循环稀释水使用。

　　需要说明的是，絮凝沉降——膜处理工艺只是金属切削液废液减排的一种最简单、成本最低、性价比最高的方法，本公司经检测后，算出应用此工艺已可在铝合金加工作业中起到降低金属切削废液质量分数约78%的排放效果。经过资源化处理后的金属切削废液纳滤出水可作为稀释水循环使用，与原初稀释水所配制的工作液理化性质和使用需求较为接近。

　　5结语

　　“双碳”目标下金属切削液低碳化途径应从金属切削液的开发源头入手，以处理结果作为出口，贯穿整个金属切削液产品的生命周期。采取降解的环保材料作为基液，既能提高尽数切削液性能，也便于金属切削液的使用与管理，在应用后还可以根据金属切削液的理化性质对其实施生物降解方案。同样，在使用价值方面，低碳化金属切削液的应用效果和理化性质都要大大超过传统金属切削液，增强在市场上的竞争力，积极扩大市场占有率，才能够进一步推进金属削液废液的无害化处理、资源化回收进程，减少碳排放，达到碳中和，为我国保护自然环境的远景目标进一步添砖加瓦，推进实现“双碳”目标。