熱處理工藝綠色性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究

趙 曦，邱 城

（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

0 引言

我國機(jī)械制造業(yè)鋼鐵消耗總量的40%以上要進(jìn)行熱處理。熱處理是高耗電行業(yè)，其用電量約占機(jī)械制造業(yè)總用電量的25%～30%。同時(shí)，熱處理又帶來了十分嚴(yán)重的環(huán)境污染問題：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年排放的污染物中，約有5000 噸淬火油蒸發(fā)燃燒成為CH 化合物、CO 及煙塵；鹽浴爐生成鹽節(jié)氣7000 噸以上；噴砂處理產(chǎn)生SiO2等粉塵10000 噸以上；約有9000 噸廢淬火油因排放不當(dāng)而污染水質(zhì)等等。可見實(shí)現(xiàn)綠色熱處理任重而道遠(yuǎn)。

1 熱處理生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響

熱處理加工是通過對(duì)零件進(jìn)行加熱、保溫和冷卻等工藝過程來實(shí)現(xiàn)改變零件材料的內(nèi)部組織，以達(dá)到滿足零件性能要求。在加熱、保溫和冷卻等過程中，存在著資源和能源的輸入以及相關(guān)產(chǎn)品及副產(chǎn)品的輸出問題，從而導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的影響。

由表1 可知，熱處理加工過程產(chǎn)生的廢（熱）氣、廢液、廢渣、噪聲等副產(chǎn)品，引起大氣污染、水體污染、地球暖化等方面的環(huán)境影響，其產(chǎn)生的主要根源來自于：①淬火、回火油的蒸發(fā)和局部燃燒，以及老化油的排放；②鹽浴的鹽蒸氣和廢渣；③清（酸）洗液的蒸發(fā)和排放；④噴砂粉塵等。

利用生命周期清單分析法對(duì)熱處理加工過程中的輸入及輸出建立如圖1 所示的系統(tǒng)邊界。

2 熱處理工藝綠色性評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 評(píng)價(jià)體系框架

熱處理工藝的綠色性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含以下的資源環(huán)境參數(shù)：原材料及輔料消耗、能耗、氣體廢棄物、液體廢棄物、固體廢棄物、其他污染和職業(yè)健康與安全危害等7 個(gè)分類準(zhǔn)則；每個(gè)分類準(zhǔn)則下還有具體指標(biāo)。熱處理工藝綠色性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為目標(biāo)層；而資源和環(huán)境屬性為準(zhǔn)則層；準(zhǔn)則層下有不同的指標(biāo)層，例如環(huán)境屬性包括氣體廢棄物、固體廢棄物、液體廢棄物等。

表1主要加熱設(shè)備及其環(huán)境影響Tab.1Themainheatingequipmentanditsenvironmentalimpact

圖1 熱處理加工系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)邊界Fig.1 Life cycle assessment boundary of heat treatment processing system

圖2 熱處理工藝資源消耗和環(huán)境影響指標(biāo)體系Fig.2 Resource consumption and environmental impact index system of heat treatment process

2.2 熱處理生產(chǎn)IPO 過程模型

熱處理工藝是輸入待處理的金屬零部件、各種輔助材料（如礦物油、熔鹽、熔堿等）、能源（電能）等，經(jīng)過加熱、退火、正火、淬火、回火等加工工藝過程，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品或零件。同時(shí)在制造過程中也會(huì)各種排放物，這些排放物可能對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康等造成危害和影響。從熱處理工藝過程的功能模型圖可以看出，熱處理過程實(shí)際上是一個(gè)資源-環(huán)境的輸入和輸出過程。

2.3 熱處理工藝資源環(huán)境屬性清單分析

圖3 熱處理工藝輸入輸出IPO 圖Fig.3 Input and output IPO map of heat treatment process

圖4 清單分析流程圖Fig.4 Inventory analysis flow chart

熱處理工藝過程資源環(huán)境屬性清單分析是對(duì)該工藝整個(gè)生命周期過程中資源和環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、量化、分析并列出清單分析表的過程。輸入主要包括主輔原材料以及能量資源等的輸入；輸出是指粉塵、廢液、廢氣以及熱輻射等廢棄物的排放。清單分析流程如圖4所示。

2.4 清單分析表的建立

清單分析表中量化的指標(biāo)有定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。定量指標(biāo)包括：原材料和輔料消耗、能耗兩個(gè)指標(biāo)；定性指標(biāo)包括：氣體廢棄物、液體廢棄物、固體廢棄物、其他污染和職業(yè)健康與安全五個(gè)指標(biāo)。表2 為按評(píng)估要求整理出的熱處理工藝數(shù)據(jù)清單示例。

表2熱處理工藝的清單分析表Tab.2Inventoryanalysistableofheattreatmentprocess

3 建立熱處理工藝綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型

熱處理工藝過程對(duì)資源和環(huán)境影響的因素是多種多樣的，既有定量因素也有定性因素，如何把定性因素轉(zhuǎn)變?yōu)槎恳蛩兀垣@得最后的結(jié)果，可以利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法（Fuzzy）將定性因素轉(zhuǎn)變?yōu)槎繑?shù)據(jù)，建立一個(gè)多層次的模糊綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)來解決這個(gè)問題，從而為熱處理工藝綠色性評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供所需的綠色度評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

3.1 建立評(píng)價(jià)因素集S

S={s1，s2，…，si，…，sM}

式中：M—評(píng)價(jià)內(nèi)容的個(gè)數(shù)。

對(duì)第i 方面si（i=1，2，…，M）可進(jìn)一步劃分為si={s1，s2，…，sj，…，sN}i

式中：N—第i 方面所需要評(píng)價(jià)要素的個(gè)數(shù)。

對(duì)第j 要素sji=（i=1，2，…，N）進(jìn)一步劃分為sj={s1，s2，…，sk，…，sP}ji，式中P 為對(duì)第i 方面、第j 個(gè)評(píng)價(jià)要素中評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù)。

3.2 建立評(píng)價(jià)等級(jí)集W

W={w1，w2，…，wn}

各因素取相同數(shù)量的評(píng)價(jià)等級(jí)集，其中，n 是評(píng)價(jià)等級(jí)的個(gè)數(shù)。

3.3 建立模糊評(píng)價(jià)矩陣TIJ

式 中：TIJ的每行 （Ti）IJ=（ti1ti2… tin）IJ是對(duì)第i個(gè)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果，而tij是第i 個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)第j 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，它反映出評(píng)價(jià)因素與評(píng)價(jià)等級(jí)之間隸屬度的模糊關(guān)系。

3.4 建立權(quán)重系數(shù)矩陣D

評(píng)價(jià)系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)矩陣為：D=（d1，d2，…，di，…，dM），式中di為第i個(gè)評(píng)價(jià)方面的權(quán)重值，且滿足

評(píng)價(jià)要素的權(quán)重系數(shù)矩陣為：DI=（d1，d2，…，diJ，…，dN）I，式中，djI為第I 個(gè)評(píng)價(jià)方面中第j 個(gè)評(píng)價(jià)要素的權(quán)重值，且滿足

評(píng)價(jià)因素的權(quán)重系數(shù)矩陣為：DIJ=（d1，d2，…，dK，…，dP）IJ，dkIJ為第I 個(gè)評(píng)價(jià)方面中第J 個(gè)評(píng)價(jià)要素中第k 個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重值，且滿足

4 結(jié)論

熱處理工藝綠色性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建立有助于對(duì)企業(yè)的熱處理工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和判定，并指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行工藝設(shè)備上的改進(jìn)，使其制造過程更加地環(huán)保。實(shí)現(xiàn)熱處理工藝的綠色性是解決傳統(tǒng)熱處理工藝污染嚴(yán)重、能源消耗大的問題，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)非常有效的手段。而通過對(duì)熱處理工藝的綠色性評(píng)價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各方案的比較，發(fā)現(xiàn)問題，并找到最合理有效的解決方法。

[1]劉飛. 綠色制造.先進(jìn)生產(chǎn)模式與制造哲理研討會(huì)論文集[C].大連理工大學(xué)出版社, 1997.

[2] 劉飛，張華，岳紅輝. 綠色制造——現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式[J].中國機(jī)械工程，1998，6.

[3] 楊建新，等.產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2002.

[4] 曹華軍，劉飛，閻春平，李聰波.制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用技術(shù)[D].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，6.

[5] 邢西哲，李凌.綠色制造評(píng)價(jià)的理論、方法及工具[D].河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2007，21，3.