尹瑞雪（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003）

0 引言

近年來，全球變暖問題日趨嚴(yán)峻，越來越受到政府及企業(yè)的關(guān)注。2015年9月21日發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》的論文《持續(xù)增長的二氧化碳排放總量對達(dá)成氣候造成影響》顯示，2013年，全球的二氧化碳排放量再創(chuàng)歷史新高，達(dá)到361億t左右。其中，中國排放二氧化碳100億t，美國52億t，歐盟28國35億t，印度24億t。這意味著，當(dāng)年中國的碳排放超過美國和歐盟的總和，占世界總排放量的近3成[1]。根據(jù)2014年我國各個行業(yè)能源消耗情況統(tǒng)計(jì)，制造業(yè)能源消耗約占國內(nèi)全年能源消耗總量的57.55%，是我國碳排放的主要來源[2]。因此，制造業(yè)的迅速發(fā)展是導(dǎo)致我國工業(yè)領(lǐng)域的能源資源消耗與溫室氣體排放激增的重要原因，亟需實(shí)施節(jié)能減排。

在國內(nèi)外低碳制造研究中，碳排放被作為度量機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中資源消耗的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)與制造生產(chǎn)過程如何將碳排放數(shù)據(jù)納入，并與CAD/CAM/PDM系統(tǒng)集成，以支持產(chǎn)品低碳化是制造業(yè)低碳化的一個發(fā)展趨勢。因此，如何描述制造生產(chǎn)過程排放狀況，并分析制造過程碳排放特性以及碳源的分布流量、碳排放全過程變化規(guī)律，是當(dāng)前迫切需要解決的科學(xué)問題之一，而量化產(chǎn)品制造過程碳排放量化是研究工作的基礎(chǔ)。針對這個制造過程碳排放量化問題，專家學(xué)者們展開了一系列研究。Wiedmann等[3]在其研究報(bào)告中提到2種計(jì)算和評估產(chǎn)品碳足跡的方法，其中一種按工藝先后順序的生命周期評價(jià)法，該方法側(cè)重于產(chǎn)品從原材料加工到產(chǎn)品使用后的處理的整個生命周期各個階段的能源、物料輸入、輸出對環(huán)境的影響，分析和發(fā)現(xiàn)碳排放的薄弱環(huán)節(jié)。Jong S S等[4]提出以溫室氣體排放代替產(chǎn)品零部件的碳排放,給出了其計(jì)算方法,并以此為基礎(chǔ)建立了一種集成的g-BOM（gress house gas-BOM）低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型,該系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)過程中迅速地評估設(shè)計(jì)方案的碳排放特性。Meier H等[5]提出了一種基于混合分析的用于制造階段碳排放量計(jì)算的新方法，該方法以制造過程中的物料流、能源流以及排放強(qiáng)度為重點(diǎn)考慮對象，幫助企業(yè)確定制造業(yè)減少碳排放的潛力，有助于全生命周期評估方法（LCA）的發(fā)展。Amy等[6]采用一種基于投入產(chǎn)出與生命周期評價(jià)的評估方法，對新產(chǎn)品的碳足跡進(jìn)行分析，可為低碳產(chǎn)品開發(fā)提供方法支持。目前國內(nèi)關(guān)于制造過程碳排放量化的直接研究相對較少，但與之相關(guān)的綠色設(shè)計(jì)與制造、制造過程能效與節(jié)能的研究已取得一定的研究成果。清華大學(xué)的陳啟鑫等[7]研究了電力行業(yè)節(jié)能發(fā)電調(diào)度的低碳化效益評估模型，分析了在不同調(diào)度模式下國內(nèi)電力行業(yè)的碳排放軌跡。重慶大學(xué)綠色制造課題組在國家863計(jì)劃的資助下對9大類26種典型制造工藝（切削、鑄造、沖壓、焊接、涂層、電鍍等）的資源消耗、環(huán)境影響特性以及環(huán)境影響評價(jià)進(jìn)行了研究[8]。重慶大學(xué)的李先廣等[9]通過對機(jī)床制造過程碳排放特性進(jìn)行分析，建立了基于Petri網(wǎng)的機(jī)床制造過程碳排放模型，并提出了機(jī)床制造過程碳排放動態(tài)量化方法。重慶大學(xué)的李聰波等[10]針對機(jī)械加工系統(tǒng)碳排放問題，提出了一種機(jī)械加工系統(tǒng)碳排放量化方法，對機(jī)械加工系統(tǒng)多源碳排放量化方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，并分別給出了其量化方法和對量化方法中的關(guān)鍵要素進(jìn)行了研究。張秀芬等[11]則通過產(chǎn)品與零部件的特征關(guān)聯(lián)分析，提出了一種高排放連接單元認(rèn)定的新型方法，并通過生命周期分析得出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)部件與產(chǎn)品碳足跡的關(guān)聯(lián)因子，通過分析產(chǎn)品的連接特征，采用基于層次分析法的連接單元的遞歸分析法計(jì)算出連接單元的溫室氣體排放量，通過連接單元在產(chǎn)品中的質(zhì)量與連接方式的權(quán)重來算出連接體的碳排放所占比例，并對產(chǎn)品碳足跡進(jìn)行優(yōu)化。在建立以上模型時(shí)，大多采用現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，只針對某一種加工方法，或某一臺機(jī)床，因此導(dǎo)致所建模型缺乏靈活性，無法應(yīng)用于更大范圍的制造工藝碳排放的評估。

本文在分析典型機(jī)械零件制造過程的輸入輸出特性的基礎(chǔ)上，建立了包括下料、鍛造、機(jī)加工、熱處理典型工藝的碳排放量化模型，并最終以生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品作為案例，對其生產(chǎn)過程碳排放進(jìn)行了量化，并利用量化結(jié)果對制造過程實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提出了優(yōu)化方法。

1 制造過程碳排放估算函數(shù)

1.1 能源碳排放系數(shù)

機(jī)加工零件的制造過程實(shí)際上不僅是一個產(chǎn)生產(chǎn)品的過程，也是一個不斷產(chǎn)生能耗的過程，在這一過程中，主要消耗的能源是電力，但由于制造過程中將消耗各種輔助物料，因此制造過程也消耗除電力以外的其他一次、二次能源。為計(jì)算制造過程中由于能耗所導(dǎo)致的碳排放，首先應(yīng)確定各類能源的碳排放系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，各類能源碳排放系數(shù)如表1，這一數(shù)據(jù)考慮將各類溫室氣體根據(jù)其GWP（Global Warming Potential，全球變暖趨勢）值等效為CO2。該數(shù)據(jù)包括了能源在整個生命周期內(nèi)的碳排放，包括能源在使用過程中產(chǎn)生的直接排放，例如鑄造過程中焦炭的燃燒產(chǎn)生的碳排放，以及開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)雀麟A段產(chǎn)生的間接排放之和，例如運(yùn)輸中使用的汽油在其生產(chǎn)過程中的碳排放將被視作由于運(yùn)輸導(dǎo)致的間接碳排放，單位采用kgCO2e/kg標(biāo)煤。

表1 各種能源的碳排放系數(shù)

1.2 制造過程碳排放估算函數(shù)

文中采用的研究對象為普通機(jī)加工零件的常用制造過程，包括下料、鍛造、機(jī)加工等工序，其中根據(jù)零件機(jī)械性能的需要，插入部分熱處理工序。根據(jù)各工序能源的輸入以及各工序的輸出情況，普通機(jī)加工零件制造過程碳排放情況如圖1。

圖1 制造過程碳排放流圖

由圖1可知，制造過程各工序的輸入流包括各類能源和物料，但實(shí)際上物料的輸入也可以看作是能源的輸入，確定各單位物料全生命周期內(nèi)的能耗以及制造過程中消耗的物料的數(shù)量，即可得到整個制造過程的能耗數(shù)據(jù)，再乘以各能源的碳排放系數(shù)，即可得到制造過程碳排放。因此制造過程中碳排放可用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：CFP為某零件制造工藝過程碳排放量，kgCO2e；ECk為制造過程中所消耗的第k種能源消耗量，kgCO2e；CEFk為第k種能源的碳排放系數(shù)，kgCO2e/kgce，電力能源碳排放系數(shù)為CES（kgCO2e/kWh）。

2 制造過程能耗計(jì)算

2.1 典型工藝加工能耗

2.1.1 下料工序

大多數(shù)毛坯要經(jīng)過下料工序，得到與零件尺寸和形狀接近的坯料。在剪床上下料時(shí)，能耗主要用于工件發(fā)生剪切變形，文獻(xiàn)[13]中下料工序能耗表達(dá)式為

式中：Ws為下料工序能耗，J；iD為工件初始直徑，mm；χ為系數(shù)，對于塑性材料取值在0.6～0.8，脆性材料取值為0.8～1；τb為材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.1.2 鍛造工序

鍛造是利用外力的作用對坯料施加壓力，使坯料產(chǎn)生永久性變形的一種加工方法。鍛造過程中各個工步所需能耗可以通過分析或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ偷玫?，還可通過有限元分析得到。在文獻(xiàn)[13]中，軸類零件鍛壓過程作用力表達(dá)式為

式中：Fc為鍛壓作用力，N；σy為材料屈服強(qiáng)度，MPa；r為鍛前工件半徑，mm；h為鍛前工件高度，mm；μ為工件與鍛模之間的摩擦因數(shù)。

因此，鍛造工序能耗計(jì)算式為

2.1.3 熱處理工序

在熱加工后以及各切削加工工序之間，根據(jù)零件機(jī)械性能要求，可穿插部分熱處理工序。計(jì)算其能耗時(shí)主要考慮一定質(zhì)量的材料達(dá)到熱處理溫度所吸收的熱量，可用比熱容公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：m為工件質(zhì)量，kg；C1為加熱到預(yù)定溫度時(shí)的平均比熱，kJ/（kg·℃）；C0為裝爐時(shí)的平均比熱，kJ/（kg·℃）；t1為預(yù)定加熱溫度，℃；t0為鋼絲或臺架等原始溫度，℃；Q為熱量消耗，kJ。

2.1.4 切削工序

在計(jì)算切削能耗時(shí)，如不考慮切削參數(shù)，僅僅考慮工件的去除體積，文獻(xiàn)[14]中切削能耗計(jì)算式為

式中：ECcut為切削能耗，W·s；μt為切削比能耗，指單位時(shí)間內(nèi)去除單位體積的已知材料所消耗的能量，W·s/mm3；k為修正系數(shù)，取值為2.7778×10-7；V為總的材料去除體積，mm3。

2.2 原材料能耗

制造過程碳排放的來源除了由于消耗以電能為主的各種能源所產(chǎn)生碳排放，還包括由于物料消耗所導(dǎo)致的碳排放。普通機(jī)加工零件制造過程中主要的原材料消耗是指切屑的產(chǎn)生，其能耗是指其生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的各種能耗，目前機(jī)加工零件主要的原材料有鋼、鑄鐵及有色金屬，制造方法主要有高爐煉鋼、沖天爐煉鐵及電爐冶煉有色合金，根據(jù)對冶煉過程各工序能耗分析及統(tǒng)計(jì)得到總能耗，已知各能耗的碳排放系數(shù)，即可得到各原材料單位質(zhì)量綜合碳排放。根據(jù)文獻(xiàn)［15］，鋼的碳排放為生產(chǎn)每公斤鋼材產(chǎn)生的CO2為8.200 kg。

2.3 輔助材料能耗

為滿足工藝要求或改善加工條件，在制造過程中常常使用輔助材料，如鍛造中使用的脫模劑、切削中使用的切削液等。

2.3.1 潤滑劑能耗

在鍛壓工藝中，工件與工具或模具總是接觸的，因此兩個接觸的物體之間的摩擦是不可避免的，這種摩擦將會導(dǎo)致模具與工件發(fā)生粘結(jié)、工件損壞以及模具的磨損等，必須采用潤滑劑進(jìn)行改善，潤滑劑可有效地減少模具磨粒磨損和其他機(jī)理磨損，可控制生產(chǎn)零件表面粗糙度。

單位質(zhì)量潤滑油能耗Eliu等于潤滑油中單位質(zhì)量的各組成物料的能耗之和，包括各物料在生命周期評估系統(tǒng)邊界內(nèi)物料的載能量（kgce），它由物料的開采階段能耗Eex，運(yùn)輸階段能耗Etr及加工階段能耗Epr三部分組成：

在獲得單件工件具體所使用的潤滑劑質(zhì)量時(shí)，可采用稱重法，將潤滑前及潤滑后的同一工件質(zhì)量進(jìn)行稱重，兩者之差即為潤滑劑質(zhì)量，除以工件表面積，即可得到單位面積潤滑劑質(zhì)量ψ（g/mm2），表面積為S（mm2）的零件所使用的潤滑劑質(zhì)量計(jì)算公式為

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，可取值ψ=3.5×10-3g/mm2。

2.3.2 切削液能耗

3 實(shí)例

研究選用齒坯零件作為實(shí)例，齒坯零件是典型的盤套零件，主要由孔、外圓與端面所組成，一般采用通用設(shè)備和通用工裝加工完成。工藝路線主要是：下料→鍛造→熱處理→機(jī)加工。零件如圖2所示。

3.1 制造過程碳排放計(jì)算

1）下料工序能耗。該零件材料為45鋼，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，鍛件毛坯初始直徑為66 mm，高度為100 mm，該工序能耗計(jì)算如下：

折合0.023 kW·h，總計(jì)碳排放為0.037 kgCO2e。

圖2 齒坯零件圖

2）鍛造工序能耗。根據(jù)零件相關(guān)尺寸及數(shù)據(jù)，鍛造工序能耗計(jì)算如下：

折合0.021 58 kW·h，總計(jì)碳排放為0.036 kgCO2e。

3）熱處理工序能耗。該鍛件質(zhì)量為2.684 kg，采用正火熱處理，裝爐時(shí)平均溫度為100℃，比熱為0.473 kJ/（g·℃）預(yù)定加熱溫度平均值為800℃，比熱為0.691 kJ/（g·℃）加熱的熱量消耗計(jì)算如下：

折合0.037 687 kW·h，總計(jì)碳排放為0.062 kgCO2e。

4）切削加工能耗。機(jī)加工毛坯尺寸為φ110 mm×36 mm，工序包括粗車、精車、孔的加工，切削能耗計(jì)算如表2[15]。

總計(jì)碳排放為0.158～0.71 kgCO2e，其具體數(shù)值與采用的切削加工條件有關(guān)。

5）潤滑劑能耗。由于該鍛件采用自由鍛，可不使用潤滑劑，因此不對潤滑劑碳排放進(jìn)行計(jì)算。

6）切削液能耗。切削中采用水基切削液，礦物油占70%，礦物油碳排放系數(shù)可參考原油碳排放系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，正常射流潤滑的切削液消耗量可達(dá)6 L/min，經(jīng)計(jì)算該工序總共消耗切削液6.25×10-3L，其碳排放為0.01 kgCO2e。

因此，該零件制造過程總的碳排放為0.30～0.85 kgCO2e。

3.2 工藝優(yōu)化

在實(shí)際加工中，根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求，可設(shè)計(jì)出不同的工藝路線，通常由技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)原則選擇最優(yōu)工藝路線，為適應(yīng)低碳制造發(fā)展的需求，備選工藝路線碳排放值也成為工藝優(yōu)化的原則之一。

在本實(shí)例中，通過計(jì)算，可以看出切削加工能耗所產(chǎn)生的碳排放是該零件制造過程產(chǎn)生碳排放的主要原因，原因是在該工序中需要去除大量的金屬余量。該零件在制造毛坯時(shí)采用了自由鍛，φ40的孔未鍛出，由后續(xù)切削加工來完成。從優(yōu)化的角度可考慮將φ40孔鍛出，留有少量余量進(jìn)行切削，當(dāng)加工余量為2 mm時(shí)，實(shí)際減少切削體積為36 625 mm3，可節(jié)約切削能耗0.02～0.09 kW·h，減少碳排放0.03～0.15 kgCO2e。

表2 切削能耗計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

以常用的機(jī)加工零件的工藝過程作為研究對象，針對下料工序、鍛壓工序、熱處理工序以及切削工序的能耗情況進(jìn)行分析與計(jì)算，并結(jié)合各類能源碳排放系數(shù)，對整個加工過程的碳排放進(jìn)行了估算，這一方法不僅可以較為準(zhǔn)確地對典型的機(jī)加工零件加工過程碳排放量進(jìn)行估算，同時(shí)可根據(jù)計(jì)算結(jié)果識別主要影響工序并對其進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)節(jié)能減排提供了一種思路。但由于相關(guān)數(shù)據(jù)大多來源于相關(guān)文獻(xiàn)，因此計(jì)算結(jié)果與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況存在差異，如何獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)將成為后續(xù)研究工作中關(guān)注問題之一。

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