热处理工艺绿色性评价系统的研究

赵 曦，邱 城

（机械科学研究总院 中机生产力促进中心，北京 100044）

0 引言

我国机械制造业钢铁消耗总量的40%以上要进行热处理。热处理是高耗电行业，其用电量约占机械制造业总用电量的25%～30%。同时，热处理又带来了十分严重的环境污染问题：据不完全统计，每年排放的污染物中，约有5000 吨淬火油蒸发燃烧成为CH 化合物、CO 及烟尘；盐浴炉生成盐节气7000 吨以上；喷砂处理产生SiO2等粉尘10000 吨以上；约有9000 吨废淬火油因排放不当而污染水质等等。可见实现绿色热处理任重而道远。

1 热处理生产对环境的影响

热处理加工是通过对零件进行加热、保温和冷却等工艺过程来实现改变零件材料的内部组织，以达到满足零件性能要求。在加热、保温和冷却等过程中，存在着资源和能源的输入以及相关产品及副产品的输出问题，从而导致对环境的影响。

由表1 可知，热处理加工过程产生的废（热）气、废液、废渣、噪声等副产品，引起大气污染、水体污染、地球暖化等方面的环境影响，其产生的主要根源来自于：①淬火、回火油的蒸发和局部燃烧，以及老化油的排放；②盐浴的盐蒸气和废渣；③清（酸）洗液的蒸发和排放；④喷砂粉尘等。

利用生命周期清单分析法对热处理加工过程中的输入及输出建立如图1 所示的系统边界。

2 热处理工艺绿色性评价体系的建立

2.1 评价体系框架

热处理工艺的绿色性评价指标体系包含以下的资源环境参数：原材料及辅料消耗、能耗、气体废弃物、液体废弃物、固体废弃物、其他污染和职业健康与安全危害等7 个分类准则；每个分类准则下还有具体指标。热处理工艺绿色性评价指标体系为目标层；而资源和环境属性为准则层；准则层下有不同的指标层，例如环境属性包括气体废弃物、固体废弃物、液体废弃物等。

表1主要加热设备及其环境影响Tab.1Themainheatingequipmentanditsenvironmentalimpact

图1 热处理加工系统的生命周期评价边界Fig.1 Life cycle assessment boundary of heat treatment processing system

图2 热处理工艺资源消耗和环境影响指标体系Fig.2 Resource consumption and environmental impact index system of heat treatment process

2.2 热处理生产IPO 过程模型

热处理工艺是输入待处理的金属零部件、各种辅助材料（如矿物油、熔盐、熔碱等）、能源（电能）等，经过加热、退火、正火、淬火、回火等加工工艺过程，生产出合格产品或零件。同时在制造过程中也会各种排放物，这些排放物可能对生态环境、人体健康等造成危害和影响。从热处理工艺过程的功能模型图可以看出，热处理过程实际上是一个资源-环境的输入和输出过程。

2.3 热处理工艺资源环境属性清单分析

图3 热处理工艺输入输出IPO 图Fig.3 Input and output IPO map of heat treatment process

图4 清单分析流程图Fig.4 Inventory analysis flow chart

热处理工艺过程资源环境属性清单分析是对该工艺整个生命周期过程中资源和环境的数据进行收集、量化、分析并列出清单分析表的过程。输入主要包括主辅原材料以及能量资源等的输入；输出是指粉尘、废液、废气以及热辐射等废弃物的排放。清单分析流程如图4所示。

2.4 清单分析表的建立

清单分析表中量化的指标有定量指标和定性指标。定量指标包括：原材料和辅料消耗、能耗两个指标；定性指标包括：气体废弃物、液体废弃物、固体废弃物、其他污染和职业健康与安全五个指标。表2 为按评估要求整理出的热处理工艺数据清单示例。

表2热处理工艺的清单分析表Tab.2Inventoryanalysistableofheattreatmentprocess

3 建立热处理工艺综合评价的数学模型

热处理工艺过程对资源和环境影响的因素是多种多样的，既有定量因素也有定性因素，如何把定性因素转变为定量因素，以获得最后的结果，可以利用模糊数学评价方法（Fuzzy）将定性因素转变为定量数据，建立一个多层次的模糊综合评价系统来解决这个问题，从而为热处理工艺绿色性评价系统提供所需的绿色度评价数据。

3.1 建立评价因素集S

S={s1，s2，…，si，…，sM}

式中：M—评价内容的个数。

对第i 方面si（i=1，2，…，M）可进一步划分为si={s1，s2，…，sj，…，sN}i

式中：N—第i 方面所需要评价要素的个数。

对第j 要素sji=（i=1，2，…，N）进一步划分为sj={s1，s2，…，sk，…，sP}ji，式中P 为对第i 方面、第j 个评价要素中评价因素的个数。

3.2 建立评价等级集W

W={w1，w2，…，wn}

各因素取相同数量的评价等级集，其中，n 是评价等级的个数。

3.3 建立模糊评价矩阵TIJ

式 中：TIJ的每行 （Ti）IJ=（ti1ti2… tin）IJ是对第i个因素的评价结果，而tij是第i 个评价因素对第j 个评价等级的隶属度，它反映出评价因素与评价等级之间隶属度的模糊关系。

3.4 建立权重系数矩阵D

评价系统的权重系数矩阵为：D=（d1，d2，…，di，…，dM），式中di为第i个评价方面的权重值，且满足

评价要素的权重系数矩阵为：DI=（d1，d2，…，diJ，…，dN）I，式中，djI为第I 个评价方面中第j 个评价要素的权重值，且满足

评价因素的权重系数矩阵为：DIJ=（d1，d2，…，dK，…，dP）IJ，dkIJ为第I 个评价方面中第J 个评价要素中第k 个评价因素的权重值，且满足

4 结论

热处理工艺绿色性评价系统的建立有助于对企业的热处理工艺进行评价和判定，并指导企业进行工艺设备上的改进，使其制造过程更加地环保。实现热处理工艺的绿色性是解决传统热处理工艺污染严重、能源消耗大的问题，是实现可持续发展的一个非常有效的手段。而通过对热处理工艺的绿色性评价，可以实现对各方案的比较，发现问题，并找到最合理有效的解决方法。

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