普通機械零件制造過程工藝碳排放估算

尹瑞雪（貴州大學機械工程學院，貴陽 550003）

0 引言

近年來，全球變暖問題日趨嚴峻，越來越受到政府及企業(yè)的關注。2015年9月21日發(fā)表在《自然-地球科學》的論文《持續(xù)增長的二氧化碳排放總量對達成氣候造成影響》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，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)展是導致我國工業(yè)領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械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中資源消耗的統(tǒng)一標準，在產(chǎn)品設計開發(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，是當前迫切需要解決的科學問題之一，而量化產(chǎn)品制造過程碳排放量化是研究工作的基礎。針對這個制造過程碳排放量化問題，專家學者們展開了一系列研究。Wiedmann等[3]在其研究報告中提到2種計算和評估產(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,給出了其計算方法,并以此為基礎建立了一種集成的g-BOM（gress house gas-BOM）低碳產(chǎn)品設計系統(tǒng)模型,該系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品零部件設計過程中迅速地評估設計方案的碳排放特性。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、能源流以及排放強度為重點考慮對象，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)出與生命周期評價的評估方法，對新產(chǎn)品的碳足跡進行分析，可為低碳產(chǎn)品開發(fā)提供方法支持。目前國內(nèi)關于制造過程碳排放量化的直接研究相對較少，但與之相關的綠色設計與制造、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。重慶大學綠色制造課題組在國家863計劃的資助下對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)境影響評價進行了研究[8]。重慶大學的李先廣等[9]通過對機床制造過程碳排放特性進行分析，建立了基于Petri網(wǎng)的機床制造過程碳排放模型，并提出了機床制造過程碳排放動態(tài)量化方法。重慶大學的李聰波等[10]針對機械加工系統(tǒng)碳排放問題，提出了一種機械加工系統(tǒng)碳排放量化方法，對機械加工系統(tǒng)多源碳排放量化方法進行了詳細論述，并分別給出了其量化方法和對量化方法中的關鍵要素進行了研究。張秀芬等[11]則通過產(chǎn)品與零部件的特征關聯(lián)分析，提出了一種高排放連接單元認定的新型方法，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)品碳足跡進行優(yōu)化。在建立以上模型時，大多采用現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，只針對某一種加工方法，或某一臺機床，因此導致所建模型缺乏靈活性，無法應用于更大范圍的制造工藝碳排放的評估。

本文在分析典型機械零件制造過程的輸入輸出特性的基礎上，建立了包括下料、鍛造、機加工、熱處理典型工藝的碳排放量化模型，并最終以生產(chǎn)實際產(chǎn)品作為案例，對其生產(chǎn)過程碳排放進行了量化，并利用量化結(jié)果對制造過程實現(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)

機加工零件的制造過程實際上不僅是一個產(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。為計算制造過程中由于能耗所導致的碳排放，首先應確定各類能源的碳排放系數(shù)。根據(jù)文獻[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)、運輸?shù)雀麟A段產(chǎn)生的間接排放之和，例如運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輸導致的間接碳排放，單位采用kgCO2e/kg標煤。

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加工零件的常用制造過程，包括下料、鍛造、機加工等工序，其中根據(jù)零件機械性能的需要，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）進行計算：

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，能耗主要用于工件發(fā)生剪切變形，文獻[13]中下料工序能耗表達式為

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)嶒災Ｐ偷玫剑€可通過有限元分析得到。在文獻[13]中，軸類零件鍛壓過程作用力表達式為

式中：Fc為鍛壓作用力，N；σy為材料屈服強度，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)零件機械性能要求，可穿插部分熱處理工序。計算其能耗時主要考慮一定質(zhì)量的材料達到熱處理溫度所吸收的熱量，可用比熱容公式進行計算：

式中：m為工件質(zhì)量，kg；C1為加熱到預定溫度時的平均比熱，kJ/（kg·℃）；C0為裝爐時的平均比熱，kJ/（kg·℃）；t1為預定加熱溫度，℃；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

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

式中：ECcut為切削能耗，W·s；μt為切削比能耗，指單位時間內(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致的碳排放。普通機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［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，必須采用潤滑劑進行改善，潤滑劑可有效地減少模具磨粒磨損和其他機理磨損，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，可采用稱重法，將潤滑前及潤滑后的同一工件質(zhì)量進行稱重，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)量計算公式為

根據(jù)文獻[5]，可取值ψ=3.5×10-3g/mm2。

2.3.2 切削液能耗

3 實例

研究選用齒坯零件作為實例，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→機加工。零件如圖2所示。

3.1 制造過程碳排放計算

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

折合0.023 kW·h，總計碳排放為0.037 kgCO2e。

圖2 齒坯零件圖

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

折合0.021 58 kW·h，總計碳排放為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，裝爐時平均溫度為100℃，比熱為0.473 kJ/（g·℃）預定加熱溫度平均值為800℃，比熱為0.691 kJ/（g·℃）加熱的熱量消耗計算如下：

折合0.037 687 kW·h，總計碳排放為0.062 kgCO2e。

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

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

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行計算。

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6 L/min，經(jīng)計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

在實際加工中，根據(jù)零件設計要求，可設計出不同的工藝路線，通常由技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗以及相關原則選擇最優(yōu)工藝路線，為適應低碳制造發(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。

在本實例中，通過計算，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，留有少量余量進行切削，當加工余量為2 mm時，實際減少切削體積為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 切削能耗計算結(jié)果

4 結(jié)論

以常用的機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行分析與計算，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行了估算，這一方法不僅可以較為準確地對典型的機加工零件加工過程碳排放量進行估算，同時可根據(jù)計算結(jié)果識別主要影響工序并對其進行優(yōu)化，為實現(xiàn)制造業(yè)節(jié)能減排提供了一種思路。但由于相關數(shù)據(jù)大多來源于相關文獻，因此計算結(jié)果與企業(yè)實際生產(chǎn)情況存在差異，如何獲得更為準確的數(shù)據(jù)將成為后續(xù)研究工作中關注問題之一。

［參考文獻］

[1] 中國2013年碳排放量全球第一,或促使能源結(jié)構(gòu)加速調(diào)整[EB/OL].[2017-03-22].http://news.163.com/14/0923/21/A6RU881N0 0014SEH.html.

[2] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒:2014[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2014.

[3] WIEDMANN T,MINX J C.A definition of'carbon footprint'[Chapter 1][J].Universitas Psychologica,2015,12(5):1425-1438.

[4] SONG J S,LEE K M.Development of a low-carbon product design system based on embedded GHG emissions[J].Resources Conservation&Recycling,2010,54(9):547-556.

[5] MEIER H,SHI X Q.CO2 Emission Assessment:A Perspective on Low-Carbon Manufacturing [J].Advanced Materials Research,2011,356-360:1781-1785.

[6] TRAPPEY A C,TRAPPEY C,HSIAO C T,et al.System dynamics modelling of product carbon footprint life cycles for collaborative green supply chains[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing,2012,25(10):934-945.

[7] 陳啟鑫,周天睿,康重慶,等.節(jié)能發(fā)電調(diào)度的低碳化效益評估模型及其應用[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(16):24-29.

[8] 重慶大學制造工程研究所綠色制造課題組.常用機械制造工藝資源環(huán)境綠色特性研究系列報告 [R].國家863計劃資助項目(2001AA412200),2001-2004.

[9] 李先廣,李聰波,劉飛,等.基于Petri網(wǎng)的機床制造過程碳排放建模與量化方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2012,18(12):2723-2735.

[10] 李聰波,崔龍國,劉飛,等.基于廣義邊界的機械加工系統(tǒng)碳排放量化方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2013,19(9):2229-2236.

[11]ZHANG Xiufen, ZHANG Shuyou, HU Zhiyong etc.Identification of Connection Units with High GHG Emissions for Low-carbon Product Structure Design[J].Journal of Cleaner Production,2012(27):118-125.

[12]陶雪飛.陶瓷企業(yè)低碳制造系統(tǒng)模式及關鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學,2010.

[13]NAVA P.Minimizing carbon emissions in metal forming[D].Queen’s University,2009.

[14]楊建新.產(chǎn)品生命周期評價方法及應用[M].北京:氣象出版社,2002.

[15]KALPAKJIAN S,SCHMID S R.Manufacturing engineering and technology[M].New York,USA:Prentice Hall,2006.