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金属切削乳化液的合理使用 |
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作者：戚墅堰机车车辆工艺研究所 叶毅 叶伟昌 |
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乳化液是目前生产中使用最广泛的一种切削液。本文介绍了乳化液的组成，特别是它的净化方法和废液的回收处理工艺，最后还研讨了延长乳化液使用寿命的问题。
近几年来，我国切削液生产发展较快，新产品不断推出，但归纳起来，它们的基本成分都是由油、 水和各种化学添加剂配制而成。生产中常用的切削液有切削油、乳化液和水溶液三大类。切削油润滑和防锈性好，但冷却和清洗性较差，切削时在切削区会形成油雾，造成环境污染，同时油资源消耗多，生产成本高。水基切削液的冷却和清洗性较好，但防锈性较差。乳化液具有一定的润滑性、冷却性、清洗性和防锈性，是目前生产中使用最广泛的一种切削液。但它的使用寿命短，废液多，排放时水质污染较严重，因此必须进行净化和废液回收处理。现就乳化液的组成及其净化方法，废液的回收处理，以及如何延长乳化液使用寿命等问题，介绍如下。
乳化液的组成及其净化方法
乳化液的组成
乳化液是用矿物油、乳化剂（如石油磺酸钠、磺化蓖麻油等）及添加剂预先配制好的乳化油，加水稀释而成。因为油不溶于水，为了使两者混合，所以必须加入乳化剂。乳化剂是一种表面活性剂，它的分子是由极性基团和非极性基团两部分组成。前者亲水，可溶于水；后者亲油，可溶于油。把油在水中搅拌成细粒时，乳化剂分子能定向地排列吸附在油水两界面上，把油和水连接起来，使分离的细粒不再因凝聚而浮游在水中，成为浮浊液。乳化液中含乳化油少，即浓度低的（如浓度为3%~5%），冷却和清洗作用较好，适于粗加工和磨削；浓度高的（如浓度为10%~20%），润滑作用较好，适于精加工（如拉削和铰孔等）。为了进一步提高乳化液的润滑性能，还可加入一定量的氯、硫、磷等极压添加剂，配制成极压乳化液。
乳化液的净化方法
近几年来研究表明，如将切削液中的杂质（如碎屑、砂轮粉末等）从40μm降低到10μm，刀具耐用度可延长1~3倍。由于人们的肉眼看不见小于40μm的微粒，所以当切削液中的杂质，尺寸小于20μm，常被人们所忽视，然而这些不可见的杂质对金属切削加工有着不可低估的影响。在切削加工时，它们将进入到刀具前刀面与切屑以及刀具后刀面与工件接触区的界面上，产生强烈摩擦，使切削温度增加，并使刀具耐用度大大降低，同时使加工表面质量变差。因此，目前的研究认为，无论是精密加工，还是在钻削、扩孔、铰孔和镗孔等普通加工中，为了提高刀具耐用度和可靠性，改善零件加工质量，均应使用净化的切削液。此外，清洁的切削液还可防止微生物的生长。乳化液的使用寿命短、易变质，与在乳化液中微生物的生长有重要关系。在乳化液中微生物的繁殖十分惊人。乳化液含细菌量的标准是不超过1000个/mL，当细菌繁殖到大于0.1×105~1×106个/mL时，乳化液就会变质发臭，并会污染周围环境，使空气中含有硫化氢和二氧化碳等有害气体，影响工人健康。保持乳化液的清洁可以将细菌繁殖降至最低。
乳化液的净化处理就是将它在工作中带入的碎屑、砂轮粉末等杂质及时去除。常用的净化方法有：过滤法和分离法。过滤法是使用多孔材料，如铜丝网、布质网、泡沫塑料等制成过滤器，以除去在工作时乳化液产生的杂质；分离法是应用重力沉淀、惯性分离、磁性分离等装置，除去在工作时乳化液产生的杂质。实际生产中常将几种方法综合使用。图1所示即是一种乳化液的多级过滤装置。它不仅制造简单，结构紧凑，并且过滤效果好，能保证乳化液具有较高的清洁度。
图1 乳化液的多级过滤装置
1和8—控制阀 2和5—漩涡分离器 3—溢流阀 4—密封箱 6—液压泵 7—储液箱 9—管路 10—磁性分离器 11—过滤箱 12—回收器
该装置由液压泵6、旋涡分离器2和5（粗滤5，精滤2）、磁性分离器10、高压密封箱4、过滤箱11、贮液箱7、溢流阀3及控制阀1和8等组成。工作时，液压泵6将乳化液从贮液箱7内抽出并压入到第一级旋涡分离器5内，使乳化液中10~25μm的杂质被分离出来，然后充满整个密封箱4并使箱内产生高压。当压力达到一定值后，乳化液被压入到第二级旋涡分离器2内，进行精滤净化处理，并将5~10μm的细小微粒分离出来。经过上述净化处理后的乳化液便可引向机床工作区使用。而使用过的含杂质较多的乳化液，以及从旋涡分离器2和5中产生的沉淀物则通过回收器12的锥体流入到过滤箱11内。经过磁性分离处理，将其中含有切屑的杂质进行初步处理，然后再流回到贮液箱7内继续使用。使用中，如需暂时切断乳化液的供给（例如要更换加工零件），只要关闭控制阀，乳化液就会通过溢流阀3而流回到贮液箱7内，使整个过滤净化系统不中断工作。
据报道，国外还研制出一种利用转子——定子系统作为基础的乳化液净化处理装置（俄罗斯专利发明号No 1503895），它是根据流动乳化液在通过变截面的孔时具有较大压力降和速度梯度声空现象原理，故能获得高度弥散细小的乳化液，乳化液中的微粒可破碎成0.8~1.2μm。据称，这是净化乳化液最有效的一种装置。
废乳化液的回收处理
废乳化液中含有大量矿物油料（例如配制一吨乳化油需用机械油600~800kg）及表面活性剂，过去由于对它的危害性认识不足，所以都采用直接排放。随着工业的迅速发展，这种含油污水的排放量与日俱增。据不完全统计，中国大陆仅机械工业废乳化液的日排放量已逾2亿吨。含油污水造成的环境污染日益严重，严重地影响了水生动植物的生长、农业灌溉和人们的生活用水。此外，废乳化液中的表面活性剂（乳化剂）由于其作用是使矿物油料高度分散在水中，所以更难清除，而且不少乳化剂有增加致癌物的作用，其危害性比分散的油污更为严重。因此，未经处理的废乳化液不得任意排放。废乳化液的回收处理，既符合环保要求，又可节约能源，降低生产成本。
废乳化液的回收处理工艺
废乳化液回收处理的工艺过程大致为：废乳化液的集中→去除杂质→破乳→取油→水质净化→取水样化验→废水排放或供再循环使用。废乳化液处理的关键工艺是要使油水分离，即破乳。也就是要将乳化液中的油滴，从水的包围中分离出来，并使油滴相互聚集，然后借助于重力分离作用，使油、水分离开来。
废乳化液的破乳方法
废乳化液的破乳方法，主要有酸化法和聚化法两种。酸化法就是往废乳化液中加入酸（如盐酸或硫酸）。所加入的酸可利用工业废酸。由于在目前的乳化液配方中，多数选用阴离子型乳化剂（如石油磺酸钠、磺化蓖麻油），所以遇到酸就会破坏，乳化生成相应的有机酸，使油水分离，而酸中氢离子的引入，也有助于破乳的过程。酸的用量是待处理乳化液重量的0.2%，浓度为37%；如果采用废酸时，则酸的用量应适当加大。聚化法就是在废乳化液中添加盐类电解质（如0.4%氯化钙）和凝聚剂（如0.2%明矾），以达到乳化液破乳的目的。酸化法的优点是油质较好，成本低廉，水质也好，水质中含油量一般在20mg/L以下，化学耗氧量（COD）值也比其它破乳方法低；其缺点是沉渣较多。聚化法的优点是投药量少，一般工厂均有条件使用，但油质较差。
去除浮油的方法
图2所示为从乳化液的液面上去除浮油的一种装置，它是利用浸在液体中旋转着的甩油盘2来实现的。浮油黏附在盘上，利用刮板把油刮下来并沿着斜槽6流聚到油罐5中，然后用活塞泵3再将油从罐5中抽出并输送到容器4中，甩油盘的旋转是通过传动机构1来实现的。
废乳化液回收处理装置
图3为废乳化液回收处理流程的示意图。它是由贮液箱1、去除浮油装置2、贮酸槽3、电凝器4、破乳箱11、贮油罐6和9，以及水箱5等组成。工作时，将使用过的废乳化液先汇流集中到贮液箱1内，静置一段时间，使其中的杂质（如碎屑、砂轮粉末等）沉淀于箱底，部分悬浮在液面上的油层利用去除浮油装置2使其导入到贮油罐9内。沉淀过的乳化液用泵12吸入到破乳箱11内，而在吸管入口处应装有铜丝网过滤器。破乳箱供乳化液破乳用，为此须从贮酸槽3中注入盐酸或硫酸，以调整PH值（酸硷值），并促使油、水分离，而飘浮在箱11中液面上的浮油用去除浮油装置2也导入到贮油罐9中，然后用油泵8将其从罐9内吸出并送到贮运罐中。在破乳箱中破乳后的液体再用泵10输送到电凝器4中，通过压缩空气的搅拌使其中油料成悬浮凝结状被分离出来，并将它引入到贮油罐6内，而沉渣可从电凝器4的下端排出。经电凝器处理后的净水引入到容器5中，然后用液压泵7输送到其它循环容器内供再循环使用或取水样化验，合格后即可排放。
根据GB3551规定，工业污水排放标准须符合如下要求：
PH值为6~9，化学耗氧量（COD）<100mg/L，含油量<10mg/L，悬浮物500mg/L。如取水样化验仍达不到排放要求，可将水再通入放置有活性碳的吸附塔内，利用活性碳吸附，去除水中有机污染物质，但用聚沉法处理一吨污水，要用20 kg活性碳，很不经济。因此，一般工厂里都用筛馀物质——活性煤，作为水质净化吸附剂。所谓筛馀就是不符合一定规格的小煤粒。活性小煤粒具有比活性碳更大的表面积，故其吸附效果比活性碳更为理想。
延长乳化液使用寿命的方法
乳化液使用寿命短，如不妥善管理，就会变质发臭，为了保证乳化液的质量及延长的使用寿命，乳化液应随用随配，不宜久藏。乳化液应置放在室内或有挡阳的地方，温度应保持在2℃~27℃，贮液箱上要加盖，以防灰尘等杂质落入，影响使用质量。
配制乳化液时应先将水放在配制桶内，再根据浓度要求将乳化油慢慢注入水中，一边注入，一边搅拌，使其形成均匀的乳化液。水温不应过低，否则容易产生结块现象。应注意的是，目前不少操作者在配制乳化液时，都是先用桶到仓库内领取乳化油，然后直接放水稀释，这样不易使乳化油在水中搅拌均匀，难以保证质量。配制乳化液时还应注意水质硬度，水的硬度通常用每升中所含硬度矿物质碳酸钙的mg数表示，即用ppm表示，水的硬度应在100~200ppm之间。硬度过大的水不但会影响乳化液的稳定性和防锈性，并会加快细菌的繁殖，见表1。为此，需进行软化处理。如可加入洗涤苏打NaCO3．10H2O或采用蒸馏水。国外常用净水来配制乳化液。净水实际上是去离子水。用去离子水配制的乳化液，在使用中没有残留物，不腐蚀机床和工件，而且乳化液不易变质，使用寿命长。但价格较贵，主要用于精密加工等有特殊要求的场合。
乳化液应注意日常的维护与管理，要定期对水质、系统清洁度和系统液量进行检测。系统清洁度对乳化液性能稳定十分重要，系统清洁主要是除油污。由于在生产过程中会带走部分乳化液，所以每天要及时补充新液，使系统总液量不变。补液时，应注意倒入液槽的位置要低、速度要慢。必须指出，乳化液要经常不断地循环使用，停机较长时间不工作的乳化液（如五一和十一国庆节放长假），仍需定时进行循环（至少应隔3~4天，开动液压泵一次）、搅拌或通入空气；或加杀菌剂、补充添加剂等，以防止乳化液中厌氧菌大量繁殖，导致乳化液变质。
工作的乳化液还要定期检测和调整它的浓度和PH值。乳化液的浓度通常为5%~15%。浓度过高泡沫多，成本也高，刺激皮肤，冷却性差；浓度过低，则防锈性、抑制细菌能力和润滑性都变差。导致浓度下降的原因很多，如水质的硬度高、乳脂和油脂析出、细菌污染、乳化剂消耗、乳化液不稳定等，视情况须及时加以调整。乳化液的PH值应呈中性或略带硷性，即PH值应为7~9。当PH值小于6时，乳化液就不稳定，会起腐蚀作用。如果PH值下降，可加一些NaOH或苏打，但不能加得太多。如果PH值上升，则应添加一些新配制的乳化液。研究表明，当PH值由12~14下降到8~9时，此时乳化液中细菌繁殖极快，应加入杀菌剂（如亚甲二氯化酚、乙二胺四酯酸EDTA等）。杀菌剂用于乳化液中，仅起一种冲击性杀菌作用，所以要定期反覆使用，大约一个月左右加一次。但经常使用同一种杀菌剂，亦会造成细菌的抗药性。
为了延长乳化液的使用寿命，还可采用集中供液的方法。所谓集中供液就是将多台湿式加工的、使用相同的切削方式和材料的，每台机床上各自独立的乳化液供给装置，合并为一个供给系统，如图4所示。
集中供液由于采用了大循环、大流量、大行程液体回流，所以乳化液的热量散发快，供液系统温度低，并且在周末和节假日等停工期间还设有内循环（见图4中C回路），使大流量的乳化液能不间断地流动，有效地抑制了细菌的生长，同时也易于对乳化液的性能指标（如PH值、浓度以及泡沫等）实现自动控制，确保乳化液的质量。此外，集中供液也便于污液的集中净化处理，保护生态环境。中国大陆上海大众汽车有限公司发动机厂对乳化液采用集中供液后，使乳化液的平均寿命比单机分散供液时提高了2.5倍，取得了显着的经济效益。但集中供液一次性投入的成本较高。
实践证明，乳化液只要正确供给、配制、存放、保管和杀菌，它的使用寿命即可大大延长。(end)
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(8/2/2005) |
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