離心分離技術(shù)在切削液凈化清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
清潔生產(chǎn)是對產(chǎn)品和產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、產(chǎn)品及服務(wù)采取預(yù)防污染的策略來減少污染物的產(chǎn)生，是將環(huán)保節(jié)能與工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行有效結(jié)合，注重資源的循環(huán)利用，保證產(chǎn)品的清潔和工業(yè)生產(chǎn)過程的清潔，達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的目的。
隨著現(xiàn)代機(jī)械加工制造業(yè)的高速發(fā)展，切削加工液（即去除加工）消耗量巨大，占到加工潤滑劑總消耗量的38%。然而切削液是現(xiàn)今機(jī)械加工制造業(yè)中主要的污染源，要從根本上解決污染問題，必須“預(yù)防為主”，將污染物消除在生產(chǎn)過程之中，實(shí)行工業(yè)生產(chǎn)全過程控制。必須采取有效凈化處理措施，才能提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，減小對操作人員健康及環(huán)境帶來負(fù)面的影響，以適應(yīng)清潔生產(chǎn)的要求。國外發(fā)達(dá) 一直致力于清潔生產(chǎn)的工藝研究，以凈化再生水基切削液的新理念為基礎(chǔ)，研制出多種 的切削液凈化處理設(shè)備，采取相應(yīng)的清潔生產(chǎn)凈化方案，已成功應(yīng)用于金屬加工領(lǐng)域中，有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)目標(biāo)。
1 切削液污染的危害
在機(jī)械加工過程中，切削液發(fā)揮著良好的冷卻、潤滑、清洗和防銹等十分重要的作用，不僅可以優(yōu)化加工參數(shù)、降低廢品率，還能夠提高刀具切削能力、使用壽命和產(chǎn)品精度。但是切削液使用一段時(shí)間后，隨著金屬碎屑及粉末、微生物和繁殖物、油污等雜質(zhì)的不斷堆積，切削液潤滑和冷卻能力不斷下降，機(jī)床及刀具磨損加劇，導(dǎo)致加工精度降低，損壞供液系統(tǒng)閥和泵并堵塞設(shè)備，還會造成切削液黑臭變質(zhì)、惡化環(huán)境，刺激呼吸系統(tǒng)黏膜引起炎癥，使工人的呼吸道受到感染或產(chǎn)生皮炎，影響工人的身體健康。同時(shí)還會有很多導(dǎo)軌油、主軸油、液壓油等雜油泄漏混入切削液，使乳化液失去穩(wěn)定性，阻擋了乳化液和空氣的接觸，導(dǎo)致乳化液缺氧，使厭氧菌快速繁殖，加速乳化液的腐敗變質(zhì)，造成切削液的分解和失效，使切削液的使用壽命縮短約65%～85%。通常企業(yè)會在切削液效率降低或者一出現(xiàn)管路堵塞時(shí)就將用過的切削產(chǎn)生的大量廢液置換掉并徹底清洗循環(huán)系統(tǒng)，這樣不僅增加生產(chǎn)成本，也對環(huán)境造成污染，因此有必要通過對切削液污染源的分析，在生產(chǎn)過程中采取有效措施消除或減少污染。
2 切削液有效維護(hù)措施和凈化方法
隨著 對環(huán)境保護(hù)、三廢治理發(fā)展的要求，變質(zhì)后的切削液中含有 嚴(yán)禁直接排放的高危險(xiǎn)廢棄物（HW09），且對廢水中的pH值、油脂、固體和金屬含量的排放都有嚴(yán)格限制，因此減排甚至不排放、循環(huán)使用應(yīng)是企業(yè)遵循的發(fā)展方向。
根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，切削液中的乳化污油容納大量細(xì)菌且又是細(xì)菌的食物，當(dāng)含量超過7%時(shí)，該切削液就不能繼續(xù)使用了。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，將切削液中的固體顆粒污染物的粒徑從40μm降至10μm，可延長刀具使用壽命1～3倍。所以對切削液應(yīng)當(dāng)采取包括凈化、抑菌、維持合適的切削液和水的比例等有效維護(hù)措施。
凈化處理方法有：
（1）沉降法。在容器中放置一定時(shí)間，用撇油器撇除上部漂浮雜質(zhì)，再去除底部顆粒雜質(zhì)。
（2）離心法。能同時(shí)去除密度大的固體顆粒和密度小的油類。
（3）過濾法。用濾紙或?yàn)V袋過濾其大顆粒的雜質(zhì)。
實(shí)踐表明，離心分離法是切削液較快速、經(jīng)濟(jì)和有效的凈化方法，能同時(shí)去除1～5μm微米級顆粒和冷卻液中的浮油，浮油回收率高，切削液壽命可延長6～8倍，甚至更長，經(jīng)過凈化后的切削液廢液排放和處理費(fèi)用相應(yīng)減少，更加符合環(huán)保要求。目前國內(nèi)外已有多款新型離心凈化處理設(shè)備成功地應(yīng)用于金屬加工行業(yè)中。
3 離心分離技術(shù)在切削液凈化循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1 離心分離工作原理
離心分離是在離心力場中進(jìn)行非均勻物系的分離技術(shù)，具有高精度、良好的穩(wěn)定性和連續(xù)性，在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。其工作原理是將帶固相細(xì)小顆粒和污油的切削液由污液管進(jìn)入離心分離設(shè)備轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，并隨轉(zhuǎn)鼓一起高速旋轉(zhuǎn)，靠高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力將固相細(xì)小顆粒甩向轉(zhuǎn)鼓，凈液由離心分離設(shè)備頂部排出。高速沉降離心機(jī)分離出的固體含濕量較低，一般情況下分離效率也較高。
離心力場包括離心力、分離因數(shù)、哥氏力以及離心液壓等。分離因數(shù)是離心機(jī)分離能力和性能的主要指標(biāo)，數(shù)值愈大，物料受到的離心力愈大，分離效果也就越好。對于固體顆粒小、液相黏度大和難分離的懸浮液，要采用分離因數(shù)較大的離心設(shè)備。
3.2 新型離心分離設(shè)備的選用
根據(jù)處理不同類型物料要求，選用不同的離心分離方案。在金屬零件加工中的精磨，高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷等材料的刀具加工等場合，要同時(shí)去除切削液體中的微米級固體雜質(zhì)及浮油，則采用三相離心分離設(shè)備。被污染的液體被送入設(shè)備中進(jìn)行凈化處理，可將1～5μm級的固體顆粒和雜油同時(shí)分離出來，凈化后的干凈液體被導(dǎo)回到冷卻液系統(tǒng)集液槽。這個(gè)操作可以在工作時(shí)間內(nèi)或停機(jī)以后完成，靈活方便，切削液不被破乳，保持其冷卻潤滑等作用。
4 切削液凈化循環(huán)使用系統(tǒng)中的清潔生產(chǎn)凈化方案
利用 的離心分離設(shè)備對切削液的凈化處理可以達(dá)到清潔生產(chǎn)的要求。一般單機(jī)凈化循環(huán)處理適用于機(jī)床數(shù)量不多或使用不同類型切削液的工況。對于采用濕式加工的大型機(jī)械加工廠，推薦采用集中凈化循環(huán)處理。在國外現(xiàn)代化生產(chǎn)車間里的自動化生產(chǎn)線上，切削液集中凈化處理系統(tǒng)被廣泛采用。
德國某過濾技術(shù)有限公司和瑞士某過濾設(shè)備有限公司都是在液體凈化技術(shù)領(lǐng)域的過濾凈化處理，已有數(shù)萬套設(shè)備和系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。研究院曾與上述公司合作在國內(nèi)開展技術(shù)和產(chǎn)品推廣應(yīng)用，根據(jù)液體的凈化量、所要求的純凈度、預(yù)計(jì)的固體量和場合進(jìn)行配置，選擇可移動式的單機(jī)旁路處理、集中凈化旁路處理系統(tǒng)的液體凈化分離技術(shù)方案，取得了良好的效果。
4.1 可移動式單機(jī)旁路凈化處理方案
德國某公司生產(chǎn)的可以在旁路循環(huán)中運(yùn)行的Clean-Boy移動式離心分離設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于不同場合的三相固液分離，加工企業(yè)可以根據(jù)各臺機(jī)床的切削液使用情況，在需要處理的機(jī)床邊外接旁路移動使用，靈活方便，可以極大地減少采購成本。
以某加工企業(yè)采用德國離心分離設(shè)備凈化處理后測試結(jié)果表明，取液體中含量90%、50%和10%被排除的顆粒的尺寸指標(biāo)，原有系統(tǒng)只能去除切削液中含量10%的0.893μm，含量50%的4.477μm和含量90%的17.825μm的雜質(zhì)顆粒，而通過德國離心分離設(shè)備的凈化系統(tǒng)處理后，能夠?qū)⒑?0%的0.632μm，含量50%的1.958μm和含量90%的4.477μm的雜質(zhì)顆粒從液體中分離出去，保留在液體中的細(xì)微顆粒只占很小比例。這樣經(jīng)過凈化處理的切削液不僅達(dá)到很高的純凈度，同時(shí)排除污油，凈化后液體被回收到切削液系統(tǒng)中相應(yīng)的凈液集液池再循環(huán)使用，分離出來的固體顆粒廢渣接近干燥狀態(tài)，易于收集，可非常容易地定期采用人工卸除，這個(gè)過程只需要幾分鐘的時(shí)間，也可進(jìn)行全自動卸料，極大程度杜絕切削液的浪費(fèi)，達(dá)到清潔生產(chǎn)的要求。
4.2 集中旁路凈化處理系統(tǒng)方案
對于中等流量或大流量切削液的機(jī)械加工場合，可采用切削液集中旁路凈化處理方案，將加工車間的切削液進(jìn)行集中供液、檢測、過濾、除油、增氧、殺菌，實(shí)現(xiàn)對其濃度、pH值和菌落數(shù)的控制。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動控制，運(yùn)行維護(hù)方便。主要優(yōu)點(diǎn)有：
（1）集中系統(tǒng)可以減少切削液的總?cè)萘?，集中對切削液進(jìn)行除浮油、除雜質(zhì)、控溫，實(shí)現(xiàn)切削液長期使用的零排放目標(biāo)。
（2）高精度的過濾效果可提高生產(chǎn)效率，改善工件表面加工質(zhì)量。
（3）降低生產(chǎn)成本、工人勞動強(qiáng)度、機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用以及切削液消耗。
（4）減少中間環(huán)節(jié)和排屑裝置，實(shí)現(xiàn)對廢切削液的集中處理，減少對環(huán)境的污染。
（5）設(shè)備占地面積小，節(jié)省車間的使用面積，切削液處理中心也可以設(shè)置在離生產(chǎn)線較遠(yuǎn)的地方，降低噪聲污染的影響。
德國某公司P220型全自動卸料離心分離機(jī)可用于多臺機(jī)械加工設(shè)備的冷卻液凈化系統(tǒng)，根據(jù)不同流量需求對集液槽、泵、冷卻單元等進(jìn)行配置和參數(shù)優(yōu)化選擇，單臺P220轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到2450r/min，流量（與液體黏度有關(guān)）為250L/min，分離因數(shù)為1800g，容渣量為1.2×10-2m3，集液槽容積為15000L，在大流量需求的情況下，可以采用多臺組成集中系統(tǒng)。污液先從各加工機(jī)械集中到污液槽，然后再送到高速離心分離設(shè)備處理，系統(tǒng)可定期將1～5μm級的顆粒分離出來并實(shí)現(xiàn)自動卸料，經(jīng)過凈化處理的切削液再被送回供液槽，排出的油還能作為燃料出售。
瑞士某過濾設(shè)備有限公司的大型集中凈化系統(tǒng)為國內(nèi)外多家機(jī)床和刀具制造商用戶的不同需求提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決方案。如MZF-T系列三相離心分離設(shè)備適用于各種類型的切削液和潤滑油，可以處理硬質(zhì)合金鋼、高速鋼、鋁合金及其他各種金屬材料等不同的過濾介質(zhì)，能夠同時(shí)清除被污染的切削液中1～5μm級的固體顆粒和雜油。從加工機(jī)械產(chǎn)生的污液經(jīng)導(dǎo)向管自然由底部流入污液收集池，再用泵送給離心分離機(jī)進(jìn)行固液分離，經(jīng)過離心分離機(jī)凈化處理的干凈液體利用自身壓力經(jīng)導(dǎo)向管流到凈液收集池，再由泵根據(jù)加工所需的流量和壓力要求送給加工機(jī)械使用。被分離出來的外來雜油利用壓力流動到集油箱，浮油被回收，乳濁液被重新送到離心機(jī)分離處理。被分離出來的金屬顆粒與粉末則附著在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的卸料桶上，1～2天更換一次卸料桶即可，卸料只需3min，同時(shí)機(jī)床無需停機(jī)。
設(shè)備單機(jī)流量為250L/min，三相處理流量為5～15L/min，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到2880r/min，可以根據(jù)具體的流量要求組成集中供液與控制系統(tǒng)，同時(shí)穩(wěn)定和連續(xù)不斷的過濾可以獲得高度純凈的切削液，還可以減少切削液的總?cè)萘?，?jié)省車間的使用面積。例如該公司為某刀具加工企業(yè)提供的由20臺T72組成的集中處理系統(tǒng)，可為60多臺加工機(jī)床和加工中心提供2000L/min的切削液，集液池容量為20000L，每天24h連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，切削液無需更換，連續(xù)使用10年。集中供液凈化處理系統(tǒng)可以模塊化組裝，根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)容及分期施工。特別在汽車動力總成的生產(chǎn)過程中，切削液的集中凈化處理系統(tǒng)被廣泛采用。
在特殊要求場合，在利用離心分離設(shè)備的同時(shí)，還可以采用濾芯作為附加的旁路凈化處理。離心分離和過濾相結(jié)合的旁路處理滿足更為嚴(yán)格的1～3μm的過濾精度要求。離心分離與過濾組合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和靈活性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度要求，穩(wěn)定性和連續(xù)性好。
5 結(jié)語
在金屬加工過程中，切削液受到污染會降低冷卻和潤滑效果，影響工件表面加工質(zhì)量，增加刀具磨損以及大量廢液排放。為了達(dá)到清潔生產(chǎn)要求，在離心分離凈化技術(shù)應(yīng)用于切削液的清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，采用新型離心分離設(shè)備對不同生產(chǎn)規(guī)模的切削液進(jìn)行有效凈化循環(huán)使用的凈化工藝方案。生產(chǎn)實(shí)踐證明，上述凈化處理方案能夠清除1～5μm級以上的金屬碎屑及粉末顆粒、去除乳化污油、細(xì)菌的滋生也得到很好的抑制、延長切削液使用壽命和更換時(shí)間間隔，提高金屬加工精度和切削加工效率，還能有效地維護(hù)和延長刀具和切削液供應(yīng)系統(tǒng)中泵、閥等機(jī)械零部件的使用壽命，減少能耗和切削液廢液排出量。采用切削液集中處理的凈化工藝大大地降低企業(yè)的生產(chǎn)綜合使用成本，改善工作環(huán)境，符合清潔生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)要求，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，具有廣泛的應(yīng)用前景。
