時間：2023-09-18 17:34:27
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇化學(xué)工程與工藝的前景，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
前言
進入21世紀(jì)，人類正面臨著越來越嚴(yán)重的環(huán)境危機，最突出的是人口劇增、能源日漸減少、資源瀕臨枯竭、生活廢棄物和工農(nóng)業(yè)污染物正迅速惡化生態(tài)環(huán)境，使得人與自然的矛盾不斷激化。
綠色化學(xué)的設(shè)想是在化學(xué)生產(chǎn)過程中，不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再處理廢物。相應(yīng)的，綠色化學(xué)工程與工藝是通過改進化學(xué)的技術(shù)和方法，減少甚至完全消除對人類健康、生態(tài)環(huán)境有危害作用的化工產(chǎn)物，同時促進化學(xué)工業(yè)節(jié)能目標(biāo)的實現(xiàn)。
一、綠色化學(xué)工程與工藝的開發(fā)
我國傳統(tǒng)的化學(xué)工程與工藝對有害污染物是滯后的被動治理，即不能根除污，并且成本很高，治標(biāo)不治本。如利用煙氣除塵、脫硫，雖然達(dá)到了凈化氣體的目的，但是污染物卻轉(zhuǎn)移為廢渣、廢水。綠色化學(xué)工程與工藝的開發(fā)，則本著零排放、清潔生產(chǎn)的原則，從化學(xué)反應(yīng)的始端著手，進而有效防止和控制污染的產(chǎn)生。
1.選擇、采用無毒害化學(xué)原料
原料的選擇生產(chǎn)化學(xué)品的源頭，同時，還決定著不同的化學(xué)生產(chǎn)流程和工藝。綠色化學(xué)工程與工藝的開發(fā)首要目標(biāo)是不使用有毒有害的原料。為了從源頭上防止化學(xué)污染，綠色化學(xué)工程與工藝開發(fā)的原則是盡量選用可再生的自然物質(zhì)作原料，如野生植物、農(nóng)作物等生物質(zhì)。將諸如蘆葦、木屑、樹枝等野生纖維植物以及諸如蔗渣、麥秸、稻草等農(nóng)副產(chǎn)品的廢棄物作為原料加工為糠醛以及醇、酮、酸類化學(xué)品，用生物質(zhì)氣化產(chǎn)生氫氣等，都是綠色原料應(yīng)用的典型例子。
2.提高化學(xué)反應(yīng)的選擇性
烴類選擇性氧化是一類具有強放熱性的反應(yīng)，石油化工中經(jīng)常會有這種反應(yīng)，其目的產(chǎn)物不穩(wěn)定，容易進一步氧化成H2O和CO2.在各類的催化反應(yīng)中，此反應(yīng)的選擇性最低，有時有些產(chǎn)品還具有異構(gòu)體形式，為了得到更多的終產(chǎn)物，需要使用那些選擇性高的試劑。為了降低分離產(chǎn)品和純化產(chǎn)品的難度，需要提高反應(yīng)的選擇性，這樣可以降低成本，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。在這一方面已經(jīng)有不少的科研成果，比如開發(fā)載氧能力強、選擇性好的新型催化劑，來應(yīng)對不同的烴類氧化反應(yīng)。
3.采用無毒無害的化學(xué)催化劑
目前，約 90 %以上的化學(xué)反應(yīng)要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)必須采用，催化劑提高其反應(yīng)速率。開發(fā)新型高效、無毒無害的催化劑是綠色化學(xué)工藝的方向之一。國內(nèi)外都在研發(fā)新的烷基化固相催化劑。另外，分子篩催化劑也得到了很好的開發(fā)和應(yīng)用。
二、綠色化學(xué)工程與工藝在化學(xué)工業(yè)節(jié)能中的應(yīng)用
綠色化學(xué)工程與工藝開始與使用，很大程度上促進了化學(xué)工業(yè)節(jié)能的實現(xiàn)。具體來講，目前在國內(nèi)主要有以下幾方面的應(yīng)用。
1.清潔生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用
清潔生產(chǎn)技術(shù)也被稱為無害、無毒、無廢的綠色化技術(shù)，比如先進的脫硝和脫硫技術(shù)；城市垃圾的無害化處理技術(shù)；生活垃圾制沼氣技術(shù)；高效清潔的煤氣化技術(shù)；利用風(fēng)能、太陽能等自然能發(fā)電技術(shù)等等，這些都利用了清潔生產(chǎn)的技術(shù)。清潔生產(chǎn)技術(shù)包括的范圍很廣，主要有以下幾種技術(shù)：生物工程技術(shù)，這其中有細(xì)胞工程、酶工程、基因工程等等；輻射加工技術(shù)，如離子束、射線和中子束等在常溫常壓下就可以引起一些需要在高溫高壓下才能進行的反應(yīng)；綠色催化技術(shù)，這里有多種催化劑，比如分子篩催化劑、相轉(zhuǎn)移催化劑等；超臨界流體技術(shù)，這里有超臨界H2O和超臨界 CO2，都能阻燃并且無毒。清潔生產(chǎn)技術(shù)具有許多優(yōu)點，其產(chǎn)品清潔無毒，不管是對環(huán)境還是對人體都是安全的。
2. 結(jié)合生物技術(shù)的應(yīng)用
生物技術(shù)領(lǐng)域包括有細(xì)胞、基因、微生物和酶等的技術(shù)范疇。它在化工領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括兩個方面，化學(xué)仿生學(xué)和生物化工。生物酶在生物體內(nèi)作為一種催化劑具有高效性和專一性，廣泛參與到生物合成的各個過程。而在化學(xué)仿生學(xué)中主要是膜化學(xué)這一領(lǐng)域使用到生物技術(shù)。
綠色化學(xué)工程與工藝部分采用了生物技術(shù)，使可再生資源合成化學(xué)品。早期的有機化合物原料多數(shù)直接來源于動植物，之后才發(fā)展到利用石油和煤炭作為原料。在綠色化學(xué)工程與工藝中，催化劑一般用的都是自然界中存在的酶或者是工業(yè)酶。酶與一般的化學(xué)催化劑相比，具有無污染、反應(yīng)條件溫和產(chǎn)物性質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點。比如制備丙烯酰胺，使用的是丙烯腈，換用酶催化后，能耗大幅度降低，反應(yīng)完全且無副產(chǎn)物。
3.生產(chǎn)環(huán)境友好型產(chǎn)品
發(fā)展綠色化學(xué)工程與工藝，其目的是生產(chǎn)出環(huán)境友好型產(chǎn)品。在生活中有許多實例，比如尋找替代品來替代氟利昂，這樣可以保護大氣的臭氧層；使用可降解的塑料制品；無磷洗衣粉、清潔汽油等等。因為傳統(tǒng)汽油柴油給大氣帶來了嚴(yán)重污染，近年來國內(nèi)外流行使用的新汽油、低硫柴油或者是其他無污染燃料，大大減少汽車尾氣造成的污染。又如在山東推行的用二甲醚來做汽車用的燃料，二甲醚既經(jīng)濟又環(huán)保，這具有很好的發(fā)展前景。巴西在生物能源的開發(fā)上取得一定成就，如使用乙醇汽油，利用甘蔗產(chǎn)酒精，酒精燃料已經(jīng)取代了接近一半的汽油消費。另外還有H2和CO2在太陽能和電解質(zhì)存在的條件下合成乙醇這一新工藝，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品均對環(huán)境友好。
三、結(jié)束語
總之，綠色化學(xué)工程與工藝采用無毒害的溶劑、原料、催化劑等，選擇無污染、低耗、節(jié)能的化學(xué)工藝過程，應(yīng)用清潔的生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)與環(huán)境相容，產(chǎn)品和生態(tài)友好。開發(fā)和應(yīng)用綠色化學(xué)工藝，已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展趨勢和前沿技術(shù)，是建設(shè)環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
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[關(guān)鍵詞]：綠色化學(xué)；生物技術(shù)；清潔生產(chǎn)；環(huán)境友好型產(chǎn)品
1、前言
化學(xué)工藝主要是利用現(xiàn)有的化學(xué)方法或者改性優(yōu)化方式來改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或者組成從而達(dá)到合成新物質(zhì)的生產(chǎn)過程以及技術(shù)。化學(xué)工藝涉及范疇較為廣泛，基本包括對原料的選擇以及預(yù)處理、方法原理以及生產(chǎn)方法的選擇、能量的回收和利用、對不同工藝路線的評定以及經(jīng)濟預(yù)估等。化學(xué)工程則更加側(cè)重于研究工業(yè)等其他過程中的化工過程和物理過程中的相同以及相似的規(guī)律或者工藝。其理論主要包括由有工業(yè)催化理論，傳質(zhì)分離理論，反應(yīng)工程理論等。化學(xué)工藝的工程背景主要包括返混和擴散兩種方式。返混具有兩種理想狀態(tài)，即活塞流狀態(tài)以及全混流狀態(tài)。在多數(shù)情況下，返混是一種不利與反應(yīng)或者工藝進行的因素，研究人員們需要采用一定的方法對其加以限制。擴散則是一種發(fā)生在氣固相催化反應(yīng)過程中的常見現(xiàn)象，氣相反應(yīng)物必須克服外擴散以及內(nèi)擴散所產(chǎn)生的的阻力，從而達(dá)到催化劑內(nèi)表面并且進行反應(yīng)。
化學(xué)工藝在應(yīng)用過程中極易對人類自身以及周圍環(huán)境造成一定危害，應(yīng)用綠色化學(xué)工藝就是使用科學(xué)的技術(shù)以及手段，對危害人與環(huán)境的化學(xué)產(chǎn)物、試劑進行治理，從而保證化學(xué)工藝的安全性與環(huán)保性，在一定程度上從根本解決污染現(xiàn)象，維持社會的可持續(xù)發(fā)展。近幾年在各大小城市爆發(fā)的嚴(yán)重霧霾問題，暴露出了化工企業(yè)對環(huán)境和人類的危害作用。為了降低環(huán)境和人類健康的危害，研究人員們逐漸⒙躺化學(xué)作為其優(yōu)先發(fā)展的工藝，同時各大企業(yè)也將其作為重點的研究對象。
2、綠色化學(xué)的應(yīng)用
2.1 生物技術(shù)（醫(yī)藥生物技術(shù)）方面的應(yīng)用
當(dāng)今世界大部分國家尤其是發(fā)達(dá)國家都以生物技術(shù)以及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做作為提高國家科技和經(jīng)濟的重要競爭手段。醫(yī)藥生物技術(shù)則是生物技術(shù)領(lǐng)域中首先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化分支之一，并且取得了重大的突破，呈現(xiàn)出蓬勃向上的發(fā)展態(tài)勢。
近幾十年來，飛速發(fā)展的生物技術(shù)為世界各國的農(nóng)業(yè)，醫(yī)療業(yè)，畜牧業(yè)等各大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開辟了廣闊的前景。而基因工程藥物則是其中應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域之一。比如銷售額較大的生長激素、干擾素、紅細(xì)胞生成素（EPO）、白細(xì)胞介素等，都是基因工程藥物中被研究人員廣為應(yīng)用和開發(fā)的分支。同時，單克隆抗體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用，在器官移植抗免疫排斥、腫瘤、風(fēng)濕及自身免疫疾病等方面顯示出不俗的臨床效果。在歐美、日本等國家大力發(fā)展醫(yī)藥生物的同時，我國也開啟了這方面的大門，比如動物血蛋白轉(zhuǎn)化為人血的代用品的成功、組織工程技術(shù)修復(fù)骨和肌腱韌帶損傷研究的重大突破等。雖然我國醫(yī)藥生物技術(shù)面臨著藥物生產(chǎn)重復(fù)、轉(zhuǎn)化率較低等問題，但是隨著國家自主創(chuàng)新能力的不斷提高以及國際合作與競爭能力的持續(xù)加強，生物技術(shù)的應(yīng)用前景、經(jīng)濟利益以及社會效益也不容小覷。
2.2 清潔生產(chǎn)技術(shù)方面的應(yīng)用
2.2.1 太陽能的運用
太陽能作為一種新型的可再生能源，有著環(huán)保、清潔、長效、持久等優(yōu)點，已經(jīng)成為各國應(yīng)對氣候變暖，能源短缺等問題的重要選擇之一。太陽能的大規(guī)模廣泛利用有效地減少了人們對化石燃料的依賴程度，其發(fā)展前景也甚為可觀。
首先，太陽能資源有著無可比擬的優(yōu)勢，其豐富的儲量對于人類來說可被認(rèn)為“取之不盡，用之不竭”。中國太陽能資源及其分布狀況如表1所示。
由表1可知，我國西北，青藏高原地區(qū)太陽能資源極為豐富，對于西部大開發(fā)的國家戰(zhàn)略也有著極強的推進作用；而由于太陽能資源幾乎不產(chǎn)生任何污染，所以可以大幅度減輕各大城市的霧霾等惡劣天氣的出現(xiàn)，也比危險系數(shù)較大的核能更加安全以及方便；其低廉的成本也為其大范圍的推廣創(chuàng)造了極其有利的條件。其次，太陽能利用技術(shù)也已得到政府較大的重視與發(fā)展。其中，單晶硅電池與選擇性太陽吸收涂層兩項技術(shù)的突破既是人類對能源利用技術(shù)的又一次變革，又是太陽能利用進入現(xiàn)代化發(fā)展的重大標(biāo)志之一。我國在利用太陽能熱發(fā)電的技術(shù)研究中取得了不小的進步；2011 年浙江華儀康迪斯太陽能科技有限公司自主研發(fā)的國內(nèi)首臺 10kW 碟式太陽能聚光發(fā)電機系統(tǒng)樣機投入試運行，填補了中國在太陽能聚光發(fā)電方面的一個空白，由此我國的太陽能利用技術(shù)邁上了一個新的平臺。
最后，在環(huán)境日趨惡化，能源日益枯竭的背景之下，太陽能技術(shù)的發(fā)展無疑有著極其重要的戰(zhàn)略地位。縱觀中國以及世界對太陽能的開發(fā)與利用，加大相關(guān)方面科技攻關(guān)、人才培養(yǎng)，發(fā)揚長處，并加大太陽能熱利用技術(shù)的投入與發(fā)展，引導(dǎo)并形成以太陽能相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，拓寬國內(nèi)外市場，使太陽能真正成為中國重要新能源之一。
2.2.2 風(fēng)能的運用
風(fēng)能在提高能源供應(yīng)、保障能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體的排放、保護生態(tài)環(huán)境等諸多方面有著重要的作用。2010年一年，我國風(fēng)電新增裝機容量突破 1 800萬 kw，實現(xiàn)連續(xù)五年快速增長的態(tài)勢。而在恰巧實在2010年當(dāng)年， 我國的總裝機容量突破了 4 400萬kw，成為世界風(fēng)能大國。雖然中國已經(jīng)成為世國際上的風(fēng)能大國，但還不是風(fēng)能強國。因此，在目前和今后一段時間內(nèi)，我國尚且存在一些制約風(fēng)能發(fā)展的因素：例如大規(guī)模風(fēng)電場系統(tǒng)的建設(shè)的約束，電網(wǎng)與風(fēng)電的協(xié)調(diào)發(fā)展問題，風(fēng)能資源精細(xì)化的評估困難以及國際競爭力的提升等。
我國風(fēng)能的陸上風(fēng)電發(fā)展速度較快，發(fā)展態(tài)勢也屬于穩(wěn)定增長型。新疆的達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電站更是將大自然賜予人類的風(fēng)力運用到了極致。由此可見，中國風(fēng)能的近期發(fā)展主要以陸上風(fēng)電為主，但同時，我國也在積極穩(wěn)定發(fā)展海上風(fēng)電等各項技術(shù)。雖然海上風(fēng)電場相比于陸地風(fēng)電場建設(shè)成本較高，建設(shè)難度較大，但是仍是風(fēng)電未來發(fā)展的一個可觀的趨近方向。例如2010年我國在上海東海大橋建立了容量為102MW的風(fēng)電場，對海上風(fēng)電的發(fā)展起到良好的標(biāo)桿作用。另外，海上風(fēng)電機組需要在高濕度、高鹽霧以及海流、海浪、海冰和臺風(fēng)等惡劣環(huán)境下運行，因而海上風(fēng)電機組除了需要可靠的功率特性之外，還需要研究人員， 對其的可靠性、防腐蝕性、易維護性以及抗疲勞性給予足夠的重視以及提高，從而減少設(shè)備的故障率，降低運行成本，從另一種方式對資源與環(huán)境進行保護與維護。
2.3 環(huán)境友好型產(chǎn)品的生產(chǎn)
綠色化學(xué)工藝技術(shù)最終目的即是生產(chǎn)環(huán)境友好型產(chǎn)品。例如近年來生產(chǎn)的無磷洗衣粉、防治白色污染的生物可降解塑料、清潔汽油等，在環(huán)境保護等方面起到了顯著的效果。再如目前種類繁多的通過生物技術(shù)生產(chǎn)和制造化y品，其主要原料成分大多為天然提取。而同時，具有獨特生理活性的天然綠色生物材料甲殼低聚糖則可通過甲殼素/甲殼胺的降解得到，以之合成化妝品對于皮膚和毛發(fā)有著不俗的效果，并且不污染環(huán)境，綠色無公害，實現(xiàn)了環(huán)境友好性。
3、結(jié)語
現(xiàn)今社會發(fā)展速度較快，發(fā)展模式較為廣泛。而化工生產(chǎn)更是會給環(huán)境帶來不容小視的危害。而例如燃料的燃燒、汽車尾氣的排放以及原子能與化工能源的利用導(dǎo)致的放射性或者腐蝕性污染等環(huán)境污染問題又是環(huán)境自身與人類活動相互作用的結(jié)果。綠色化學(xué)恰恰貫穿于環(huán)境自身與人類活動相互作用的相互作用之中，其與生命、信息、資源以及能源等緊密相聯(lián)。
現(xiàn)今，隨著綠色化學(xué)工藝技術(shù)的不斷快速發(fā)展，其也為人類解決環(huán)境問題提 供了很好地解決方式。而化學(xué)工程師以及化學(xué)家們?yōu)榱松a(chǎn)出有效的綠色產(chǎn)品，必須對現(xiàn)有的化學(xué)工藝以及其過程進行優(yōu)化控制，一方面要使用無毒無害的原料、催化劑以及溶劑等藥品；另一方面要采用清潔工藝，從工藝上杜絕污染；同時還要注重提高反應(yīng)的選擇性，節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本。總之，若要實現(xiàn)化學(xué)工藝在未來繼續(xù)發(fā)展壯大，從而為人們所生活的社會的發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟利益以及社會效益，人們需要進行一場由設(shè)計到生產(chǎn)的“綠色革命”，
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目前主要造成溫室效應(yīng)的氣體是二氧化碳,從工業(yè)革命以前人們開始應(yīng)用含碳類的能源物質(zhì)開始,無論是科技生產(chǎn)還是工業(yè)生產(chǎn),知道現(xiàn)代的科技,即便是已經(jīng)開始了全球化的大生產(chǎn),每年都會由于生產(chǎn)而產(chǎn)生數(shù)十萬噸的CO2,這些氣體被愛芳到大氣中,就是造成溫室效應(yīng)禪城的最根本的原因。而過去并未有相應(yīng)的法律法規(guī)對此類問題進行規(guī)范,因此很長的一個時期,工廠對大氣的這種破壞是無需承擔(dān)任何責(zé)任的。
目前針對這一問題,很多化工企業(yè)都開始積極的開展新的技術(shù),通過利用新技術(shù)以改善高CO2氣體排放的現(xiàn)狀,隨著投入的加大,這種現(xiàn)象得到了有效的控制。甚至目前已經(jīng)在某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以達(dá)到利用二氧化碳作為原料進行生產(chǎn),以此降低其排放量。比如,尿素的生產(chǎn)過程中,化工企業(yè)就可以再生產(chǎn)中將CO2進行收集通過一些反應(yīng)進行利用。這一工藝每年就可以減排數(shù)十萬噸的二氧化碳。
2 海水淡化預(yù)處理中綠色科技的應(yīng)用
水是生命源泉,無論是生活還是生產(chǎn),最基礎(chǔ)的生存都離不開水。水作為社會發(fā)展的基礎(chǔ)資源,本身有具有著有限性,尤其是淡水資源。而隨著社會以及經(jīng)濟的發(fā)展,淡水資源曾經(jīng)的利用毫無章法和度,因此世界開始面臨了淡水危機這又一環(huán)境問題。中國雖然地大物博,但是相對于整個世界而言,是淡水資源最缺乏的國家之一,因此就需要尋找到可以解決這一難題的有效途徑,海水的淡化技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用不得不說是成為了解決這一問題的有效途徑。海水淡化技術(shù)在初期研發(fā)階段的應(yīng)用成本較高,只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家才有技術(shù)以及資金使用,稱得上是奢侈技術(shù),但是隨著科技的發(fā)展,海水淡化的應(yīng)用成本隨之降低,其開始作為一種普通技術(shù)為一些發(fā)展中國家引用并應(yīng)用。
淡化海水本質(zhì)上就是通過一些物理方法或者是化學(xué)方法將海水中的鹽分以及水分進行相互分離的過程。在對海水進行淡化的過程中不會對環(huán)境造成任何不良的影響,并且獲取海水對生態(tài)也沒有造成結(jié)構(gòu)上的破壞,這一點和目前我國提出的可持續(xù)發(fā)展的思想十分吻合,即滿足了自身的需要,同時也給后代留下了能夠發(fā)展的資源以及環(huán)境。這一點就符合了綠色科技的基礎(chǔ)理念,所以海水的淡化中的一個重要環(huán)節(jié)就是綠色化學(xué)工藝的應(yīng)用。而將這種綠色科學(xué)的理念同化工相互聯(lián)系的過程實則就是現(xiàn)代化工發(fā)展的重要方向之一。氫氧化鎂在海水的預(yù)處理淡化中產(chǎn)生,這種物質(zhì)不但環(huán)保可靠,并且成本較為低廉,具有簡單的操作工藝,同時不會造成換進的二次污染,在海水的淡化效果上又十分的明顯,因此應(yīng)用前景十分廣闊。
3 傳統(tǒng)香精香料生產(chǎn)中的綠色化工的應(yīng)用
香精香料不僅僅是我國日常添加劑之一,同時在國際市場上也是我國進行進出口的貿(mào)易組成主要內(nèi)容。作為日常化學(xué)產(chǎn)品之一,香精香料也受到了經(jīng)濟危機的影響,由于這種影響的逐步加深,經(jīng)濟蕭條的狀況開始蔓延整個世界,因此,隨著這一影響的加深,我國在香料香精的出動中,由于訂單的減少,受到了一定程度的打擊。
在深入地調(diào)查我國香精香料產(chǎn)品出口訂單銳減現(xiàn)象的原因之后,不難發(fā)現(xiàn),產(chǎn)品中有害雜質(zhì)含量超標(biāo),是其真正并且主要的原因。造成有害雜質(zhì)含量超標(biāo)的原因則在于生產(chǎn)工藝方面的缺陷。例如提取原料的成分在產(chǎn)品中有殘留以及包裝材料的使用不當(dāng)?shù)仍颉Ｆ渲?提取原料的成分在產(chǎn)品中的殘留的問題,可以通過研究和開發(fā)新的提取技術(shù)來改變。包裝材料使用不當(dāng)?shù)膯栴},則應(yīng)通過加強企業(yè)和工廠的監(jiān)管力度,督促生產(chǎn)商家和企業(yè)反復(fù)試驗,選取符合有害雜質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)的外包裝物等方法來改善。還要牢牢掌握我國香精香料產(chǎn)品的優(yōu)勢方面,不斷加強新技術(shù)的研究和其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用,才能夠滿足生產(chǎn)出高質(zhì)量、低能耗的香精香料產(chǎn)品的要求。
4 綠色化學(xué)使可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)逐步向前推進
傳統(tǒng)的化工生產(chǎn),給我們的生活創(chuàng)造了非常豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)和能源。其在對人類歷史的發(fā)展進步的工程中所做的貢獻(xiàn)是不不忽略的。但是呢,又由于化工產(chǎn)品生產(chǎn)的原材料和生產(chǎn)過后的殘余物中,存在著大量的有毒有害物質(zhì),這些物質(zhì)又造成了很多環(huán)境污染問題以及生態(tài)平衡的失調(diào)。這樣,就又阻礙了社會經(jīng)濟的繼續(xù)發(fā)展。新世紀(jì),面對嚴(yán)峻的環(huán)境污染所提出的挑戰(zhàn),可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略這種道路的選擇,成為了歷史的必然。
關(guān)鍵詞：聚丙烯 生產(chǎn)過程 催化劑 優(yōu)化控制 建模研究
一、聚丙烯生產(chǎn)工藝
聚丙烯生產(chǎn)工藝的兩大重要因素是催化劑和聚合工藝。其中，對聚丙烯產(chǎn)品性能起著關(guān)鍵性的作用是催化劑，同時也是聚丙烯生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的核心。隨著催化劑的更新?lián)Q代，促進了聚丙烯生產(chǎn)工藝的快速發(fā)展。上個世紀(jì)中期，齊格勒研制的催化劑經(jīng)納塔改進后，成功研制出了結(jié)晶性聚丙烯，這大大促進了聚丙烯的發(fā)展。到了20世紀(jì)80年代后期，又研發(fā)出了茂金屬催化劑和后過渡金屬催化劑。茂金屬催化劑在保持之前的催化劑的性能和特點的基礎(chǔ)上，增強了樹脂的性能；而后過渡金屬催化劑在兼具前者性能的同時，還降低了催化劑的生產(chǎn)成本。
聚丙烯的聚合工藝是影響聚丙烯生產(chǎn)工藝的另一重要因素，聚合工藝方法包含有溶劑法、溶液法、液相本體法以及氣相法。其中，溶劑法和溶液法是在早期工業(yè)化時期所采用的方法，前者在使用過程中，要進行溶劑回收，物耗較高，并且生產(chǎn)過程較長且過于復(fù)雜，因而這種方法早已不再使用。而后者在現(xiàn)代雖還在使用，但由于其生產(chǎn)成本較溶劑法高，工藝復(fù)雜，因此，在生產(chǎn)中溶液法所占的份額很小。隨著研究人員對聚丙烯聚合工藝的深入研究，液相本體法和氣相法因其能耗低，不需要脫離催化劑殘渣、產(chǎn)品牌號新的優(yōu)勢，逐漸在聚丙烯的生產(chǎn)聚合工藝中占據(jù)主導(dǎo)地位。
二、聚丙烯生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制
聚丙烯的生產(chǎn)過程是一個紛繁復(fù)雜的系統(tǒng)工程，生產(chǎn)設(shè)備龐大，生產(chǎn)過程復(fù)雜。聚丙烯的的生產(chǎn)過程包含了聚合反應(yīng)、分離、單體沖洗以及后期處理等。從聚丙烯產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備來看，它是一個不確定性、非線性、大純滯后、強耦合、分布參數(shù)等特性的生產(chǎn)裝置系統(tǒng)，為實現(xiàn)聚丙烯的的生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制一直是實務(wù)界的難點和重點。從控制的角度來講，在生產(chǎn)工藝和設(shè)備已經(jīng)確定的情況下，實現(xiàn)生產(chǎn)的平衡控制是產(chǎn)品生產(chǎn)最基本的原則和目標(biāo)。因為生產(chǎn)的平衡、穩(wěn)定是工廠生產(chǎn)的前提、基礎(chǔ)，只有在平衡、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上才能為產(chǎn)品生產(chǎn)提供機理模型，實現(xiàn)優(yōu)化控制。從近十年化工生產(chǎn)過程的控制情況來看，雖早已采用集散型控制系統(tǒng)，但其缺點在實際操作過程中已暴露的愈加明顯。因為這種集散型控制系統(tǒng)只是將操作變量和控制變量之間的關(guān)系設(shè)定為一一映射的關(guān)系，從不考慮因變量的變化從而導(dǎo)致它們之間關(guān)系的變化。在化工產(chǎn)品的實際生產(chǎn)過程中，正是由于這種一一映射的設(shè)定，使得變量之間的關(guān)系無法真實反應(yīng)出生產(chǎn)設(shè)備、裝置的實際情況，從而也很難實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的平穩(wěn)控制。
聚丙烯生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制可分為兩個層次：一是建立工藝機理模型，這是一種靜態(tài)的模型優(yōu)化，是在先進的控制基礎(chǔ)上的穩(wěn)定模型，該種模型是按照目標(biāo)函數(shù)進行的優(yōu)化計算，計算出的優(yōu)化值將作為在線經(jīng)濟優(yōu)化控制范圍內(nèi)的限值；二是在線經(jīng)濟優(yōu)化控制，是在多變量預(yù)估控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，該控制在預(yù)先設(shè)定好的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上尋找優(yōu)化值，為實現(xiàn)經(jīng)濟效益而實行優(yōu)化控制。
常見的優(yōu)化控制主要有：模糊邏輯控制，它是以模糊語言變量和邏輯推理為基礎(chǔ)的數(shù)字控制技術(shù)，本質(zhì)上是非線性控制，主要特點是具有系統(tǒng)化的理論。其中模糊邏輯控制分為Mamdani模糊模型和Takagi—Stgeno模糊模型兩種；預(yù)測控制，它不是一種非線性的系統(tǒng)理論控制，而是直接來源于聚丙烯產(chǎn)品的生產(chǎn)實踐。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，它已演變出三種形式，分別為基于非參數(shù)化模型、參數(shù)化模型和結(jié)構(gòu)化模型的預(yù)測控制。但是，不管形式如何變化，每種形式的預(yù)測控制都包含了預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正三個部分。
三、聚丙烯生產(chǎn)過程控制策略
連續(xù)法本體聚合工藝按采用的聚合反應(yīng)器的不同，分為釜式聚合工藝和管式聚合工藝。這種工藝的特點是結(jié)構(gòu)簡單，具有單位體積傳熱面積、總傳熱系數(shù)高、單程轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品牌號切換時間短的特點。在全世界以及在國內(nèi)生產(chǎn)聚丙烯的裝置中，采用環(huán)管法工藝是最多。整個工藝生產(chǎn)過程對丈量及控制系統(tǒng)要求較高的是反應(yīng)系統(tǒng)及相關(guān)流程。它包括預(yù)接觸罐、預(yù)聚合反應(yīng)器及環(huán)管反應(yīng)器3個部分。整個反應(yīng)過程對于溫度、壓力、丙烯進料、氫加進量、環(huán)管反應(yīng)器的緩沖罐液位、聚合物含量的檢測控制要求較嚴(yán)格，各參數(shù)的控制相互關(guān)聯(lián)。
丙烯聚合屬于配位陰離子聚合，是一種自由基鏈?zhǔn)骄酆希诒┓肿永锩婧写罅炕顫姷摩墟I，這些π鍵的作用是被丙烯中的欽系絡(luò)合物催化劑吸附或配位，讓雙鍵極化，從而使得丙烯單體插入到欽、碳鍵之間，形成活性鏈，最終實現(xiàn)鏈增長或是終止。然而對于催化劑的活性中心而言，主要有雙金屬活性中心模型理論和單金屬涪陛中心模型理論兩種。
釜式聚合裝置作為生產(chǎn)聚丙烯產(chǎn)品的主要設(shè)備，深入對其研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。在實踐操作中，裝置中的攪拌釜可以單獨使用，也有多釜串聯(lián)、并聯(lián)使用。為達(dá)到提高模型運行效率的目的，一般都將反應(yīng)器作為動力學(xué)控制狀態(tài)，因而我們在研究該問題時以采取以下一些假設(shè)：擬穩(wěn)態(tài)處理，等活性理論，聚丙烯的聚合總速率等于鏈增長速率等等。在對反應(yīng)釜進行建模的過程中，反應(yīng)過程中主要涉及到得物料為丙烯單體、氫氣以及催化劑等，并且要充分考慮到熱量平衡。
聚丙烯生產(chǎn)過程的熱點問題是建模研究，而反應(yīng)釜作為主要生產(chǎn)裝置，對聚丙烯生產(chǎn)過程進行優(yōu)化控制是建模研究的基礎(chǔ)性工作。所以因在過程描述時可作進一步簡化：當(dāng)物料進入反應(yīng)器中時，會發(fā)生一級放熱不可逆的反應(yīng)，這些熱量會使溫度升高，影響到反應(yīng)物的反應(yīng)速度和濃度。因此，必須對熱量加以控制，可采取冷卻兩種方式是氣相冷凝回流和夾套將熱量移走。同時，為了有利于阻止聚合過程中的產(chǎn)物在反應(yīng)器的內(nèi)壁上沉積，反應(yīng)釜內(nèi)的聚合過程應(yīng)在液相內(nèi)攪拌。另外，進入到反應(yīng)器中的物料由兩部分組成，一部分是新鮮物料，另一部分是反應(yīng)釜中沒有反應(yīng)的物料，經(jīng)過處理后被再次利用。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：生物化工 發(fā)展前景 應(yīng)用
中圖分類號：TS201 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0080-01
1 生物化工的簡介
生物化工（Biological Chemistry）是一門以實驗研究為基礎(chǔ)、理論和工程應(yīng)用并重，綜合遺傳工程、細(xì)胞工程、酶工程與工程技術(shù)理論，通過工程研究、過程設(shè)計、操作的優(yōu)化與控制，實現(xiàn)生物過程的目標(biāo)產(chǎn)物。它在生物技術(shù)中有著重要地位，其產(chǎn)品具有實用價值高、需要成本低的特點，將為解決人類所面臨的資源、能源、食品、健康和環(huán)境等重大問題起到積極的作用，對人類社會文明起著關(guān)鍵性作用。
2 生物化工的起源及應(yīng)用
生物化工學(xué)科起始于第二次世界大戰(zhàn)時期，以抗生素的深層發(fā)酵和大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的研究為標(biāo)志。1928年9月3號，弗萊明意外發(fā)現(xiàn)青霉素之后，抗生素開始快速且呈現(xiàn)正趨勢的發(fā)展。特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，因結(jié)合轉(zhuǎn)基因、生物催化、動植物細(xì)胞培養(yǎng)等新型、傳統(tǒng)生物技術(shù)，將生物化工逐步分化出來，成為完好地學(xué)科體系，并形成一個讓人意外的新興產(chǎn)業(yè)。從酒精的醫(yī)藥用途、味精的調(diào)味使用，到氨基酸的大力發(fā)酵、激素可以實現(xiàn)生物式的轉(zhuǎn)化為止，這段路程無不將生物化工注入醫(yī)學(xué)、飲食、工業(yè)的精髓。如1957年，日本某公司將谷氨酸棒狀桿菌提純分離，利用葡萄糖作為基本營養(yǎng)，借鑒前人的發(fā)酵生產(chǎn)法成功生產(chǎn)了L-谷氨酸。直到現(xiàn)在谷氨酸仍然應(yīng)用在各種醫(yī)用藥物、炫彩的化妝品、人造皮革等方面。
3 生物化工的發(fā)展及應(yīng)用
20世紀(jì)80年代，美國以石油化工作為國民經(jīng)濟的重要支撐點，大力發(fā)展石油化工產(chǎn)業(yè)，甚至不惜以犧牲環(huán)境為代價。1995年至1999年，生物化工產(chǎn)值從3675億美元上升到4200億美元，增加了14.5個百分點。同時，環(huán)境污染浪費造成2319億美元的損失。要想發(fā)展好生物化工產(chǎn)業(yè)以破壞環(huán)境為代價并不是持久的辦法，必須繼續(xù)找尋新的生產(chǎn)方式。與此同時，中國生物化工技術(shù)剛剛起步，只能亦步亦趨跟在發(fā)達(dá)國家的后面，進行著一次又一次的模仿秀表演，還是將實驗室作為實踐的基點。1986年我國的疫苗制作在醫(yī)學(xué)史上還是一片空白，直到在1986年美國成功使得乙型肝炎的淺層抗原在真菌、細(xì)菌和哺乳動物里完成表達(dá)過程，并且進一步成功翻譯為HBsAg，中國才“山寨”成功所謂的HBsAgII（之后銷聲匿跡了）。此后，基因工程的藥物1996年為1.85億元，2000年漲到30億元人民幣，2002年之前，我國就有801中生物農(nóng)藥有效注冊，使用范圍有2.5×107 hm2，這樣的成就不可能忽略的。
然而，時間從不會停止腳步，科學(xué)技術(shù)依然迅猛發(fā)展，生物化工亦是如此。基因的成功重組、催化正式在生物中采用、酶的神奇作用等等種種成果的偉大形成，使得許多的化工原料與產(chǎn)品得到充分且有效地使用，甚至創(chuàng)新化工工業(yè)工藝的生產(chǎn)，真正做到污染少，易節(jié)能的新型工藝。比如巴西的乙醇占了整個汽車行業(yè)的52%，那就有了31億加侖的潛在價值回收；美國杜邦、英國ICI公司等一系列大型公司對生物化工事業(yè)的支持與應(yīng)用，為人類的文明建設(shè)取得了無法估算的成就。預(yù)計到了2020年，因為生物化工的改進，各方面的技術(shù)能源消耗將大大下降30%，令人頭疼的污染問題同步減少30%，生物化工總增值39%，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、特別是工業(yè)中占據(jù)相當(dāng)大的比例。
4 生物化工的潛在前景應(yīng)用
未來的能源發(fā)展不可避免做到效用與環(huán)境的真正配合，因此決定了生物化工的兩個發(fā)展方向的拓展：一是化學(xué)學(xué)科和生物學(xué)科結(jié)合在醫(yī)學(xué)上的開發(fā)，特別針對于以每一個嬰兒都是擁有一個健康的童年為目標(biāo)，治療現(xiàn)在無法解決的先天后天性遺傳疾病；二是生物物種之間的無差異轉(zhuǎn)換。這是我們古人的夢想，也是我們未來的期盼，那時候羨慕小鳥的翅膀就變得沒有意義了。當(dāng)然，發(fā)展前景固然美好，但因為生產(chǎn)的進行所存在的問題是必不可少的。就新生能源、“第四大能源”—— 生物質(zhì)能來說，我國進展仍是遲緩。而其它傳統(tǒng)生物化工更是因為規(guī)模利用率低，可再生能力低，潛在性危險大，以及種種向后代借用能源的生存問題，促使我們不得不重視綠色環(huán)保的生物化工。
5 結(jié)語
總的來說，生物化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)，才剛剛正式步入軌道，“863”和“973”計劃剛將其納入羽翼之下，作為一個21世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)，美國的某雜志贊頌的十大科技奇跡，生物化工就占了四大，這樣的情景不可估量的產(chǎn)業(yè)，終會蓋過信息技術(shù)的時代，鑄就新的世界經(jīng)濟領(lǐng)頭軍—— 生物經(jīng)濟，掀起生物技術(shù)的又一次暴風(fēng)雨。
參考文獻(xiàn)
[1] 杜晨宇，李春，曹竹安，等.工業(yè)生物技術(shù)的核心—生物催化[J].2002，22（1）：9-14.
關(guān)鍵詞：催化裂化 ARGG工藝 應(yīng)用
近年來，我國在催化裂解技術(shù)的研究上取得了突出成就，尤其MIO、MGG等技術(shù)的成功開發(fā)，極大的提高了我國煉油技術(shù)水平。在MGG工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的ARGG工藝，更是深受煉油企業(yè)的青睞。
一、催化裂化與ARGG理論
在講解ARGG相關(guān)理論之前，先介紹催化裂化相關(guān)知識。所謂催化裂化指以渣油、重質(zhì)餾分油為原料，并在450℃～510℃，以及較低壓力條件下，運用相關(guān)催化劑，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成柴油、汽油以及焦炭的過程。催化裂化所用的原料具有廣泛的來源，總體分為渣油與餾分油兩種類型，其中渣油包括減壓渣油、常壓渣油，而餾分油包括減粘裂化餾出油、焦化蠟油、直流減壓蠟油等。催化裂化產(chǎn)品一般具有以下特點：具有較高輕質(zhì)油收率，通常可達(dá)70%～80%；獲得的汽油具有較高的辛烷值，而且具有較好的安定性；催化裂化氣體中C4與C3具有較高比例，約為80%，其中C3丙烯占70%，C4中的烯烴占的55%左右，是生產(chǎn)高辛烷值組分以及優(yōu)良石油化工原料。
ARGG是從MGG工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一項煉油與化工相融合的新型工藝。該工藝煉油原料為常壓渣油，經(jīng)提煉不僅可獲得安定性好、辛烷值高的汽油，而且還得到較多內(nèi)含烯烴的液化石油氣，為進行精細(xì)化工提供大量原料。
ARGG工藝運用的催化劑為RAG系列，反應(yīng)過程在提升管催化裂化裝置中進行，能夠產(chǎn)生大量液化石油氣，并伴隨高辛烷值汽油的產(chǎn)生。ARGG工藝具有以下特點：
該工藝使用的催化劑具有較強的抗重金屬污染性能，以及良好的熱穩(wěn)定性、選擇性與重油裂化活性；以常壓渣油為原料，產(chǎn)生的裂化產(chǎn)品包含較高的汽油、液化氣、丙烯等，且產(chǎn)生的干氣較少。該工藝裂化溫度在525℃左右，反應(yīng)所需壓力比較低。回?zé)捪鄬^低，在0～0.5范圍內(nèi)；同時，為減小油氣分壓，采用的霧化蒸汽比較大，通常情況下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～10%范圍；采用ARGG工藝提煉出的汽油經(jīng)檢測安定性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有顯著的抗爆性能。
二、具體案例及改進措施
1.具體案例
某石油液化氣廠之前采用RGCC生產(chǎn)裝置，年處理量在5萬噸左右，主要用于柴油、汽油的生產(chǎn)，液化氣產(chǎn)率約為10%。采用RFCC裝置已很難滿足生產(chǎn)要求，為此，準(zhǔn)備采用RFGG工藝進行升級。采用ARGG工藝以RAG系列催化劑，每年處理量提升到了7萬噸，不僅獲得了大量辛烷值高的汽油，以及液化氣，而且顯著提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。
2.設(shè)備及工藝參數(shù)的改進
在設(shè)備方面：采用再生器在下，沉降器在上的同軸式結(jié)構(gòu)。這樣布置允許再生與反應(yīng)操作壓力存在區(qū)別，而且這樣布置采用的結(jié)構(gòu)比較簡單，大大提高控制靈便度，具備較強的事故抗干擾能力，以及廣泛的應(yīng)用范圍。另外，使用氣控式外換熱器，以及改進的主風(fēng)分配管。最重要的是對管反應(yīng)系統(tǒng)進行了完善：對操作條件進行優(yōu)化，促進大劑油、高溫強化反應(yīng)的進行；使用高效霧化噴嘴，使霧化效果得到顯著提升，促進輕質(zhì)油收率的提高，以及降低焦炭產(chǎn)率；對預(yù)提升階段進行專門設(shè)置，運用水蒸氣、自產(chǎn)干氣當(dāng)做提升介質(zhì)，改善了原料及催化劑的流動情況，使原料與催化劑進行充分的接觸，避免不必要熱裂化反應(yīng)的發(fā)生；減小沉降器單級旋分器入口與短粗旋油氣出口間的距離，避免沉降器中油氣出現(xiàn)過度二次裂化及熱裂化現(xiàn)象；運用高效氣提技術(shù)，即，使用兩段氣提和改進的擋板的高效氣體技術(shù)。
在工藝參數(shù)方面：采用ARGG工藝進行生產(chǎn)，反應(yīng)溫度控制在530℃，反應(yīng)絕對壓力為0.21MPa，回?zé)挶葹?.3，反應(yīng)停留時間為3.54s，提升管入口與出口線速分別為6.83m/s、14.3m/s。催化劑的循環(huán)量每小時在102噸左右，劑油比為9.0，原料油預(yù)熱溫度在200～250℃范圍。
利用ARGG工藝獲得產(chǎn)品的分布情況為：干氣所占的比例為5%，液化石油氣所占比例為30%，而汽油占有的比例為42%，輕柴油、焦炭、損失所占的比例分別為13.5%、9%、0.5%。
三、經(jīng)濟效益與社會效益分析
該石油液化氣廠運用ARGG工藝生產(chǎn)后，大大提升了生產(chǎn)效益。由統(tǒng)計結(jié)果表明，當(dāng)加工一噸常壓渣油使用ARGG工藝與之前RFCC工藝相比增加的利稅將近80元，按照每年處理7萬噸的量進行計算，每年可增加五百多萬元。
隨著人們對環(huán)境保護工作的重視，新配方汽油以及無鉛汽油的應(yīng)用引起了人們的高度重視。本文中應(yīng)用ARGG工藝生產(chǎn)的汽油，剛好符合90#無鉛汽油相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，無論在節(jié)約能源還是防止環(huán)境污染方面均具有重要意義。同時，液化氣產(chǎn)量大大提高，有助于城鄉(xiāng)居民燃料結(jié)構(gòu)的改善。另外，液化氣中含有大量的丙烯，能給精細(xì)化工提供大量原料。總之，ARGG工藝在催化裂化中的應(yīng)用不僅能夠獲得較大經(jīng)濟效益，而且還發(fā)揮著重要的社會效益，因此，在實際化工生產(chǎn)中應(yīng)注重推廣與應(yīng)用。
四、總結(jié)
該石油液化氣廠應(yīng)用ARGG工藝從事生產(chǎn)活動，經(jīng)長時間驗證發(fā)現(xiàn)，所采用的技術(shù)具有較高安全度，成功的實現(xiàn)了獲得大量高辛烷值的汽油，以及液化石油氣的的目標(biāo)，獲得了較高社會與經(jīng)濟效益，并且該種生產(chǎn)工藝具有廣闊的發(fā)展前景，因此，石油液化氣廠生產(chǎn)工藝升級時，應(yīng)注重ARGG工藝的應(yīng)用，以更好的實現(xiàn)社會與經(jīng)濟效益最大化目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
【關(guān)鍵詞】機械加工工藝；零件加工精度；影響因素；優(yōu)化方案
0 引言
機械加工工藝就是利用機械加工的方法對毛坯進行更改，使毛坯逐漸與零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相吻合。機械加工工藝對毛坯的更改包括對毛坯形狀的更改、毛坯尺寸的更改等。機械加工工藝作為零部件加工的基礎(chǔ)工藝，對零件加工精度有很大的影響，機械加工工藝越到位，零件加工的精度就越高，加工出來的零件與零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)吻合度越高。
在機械加工過程中，由于多種原因，對零部件的加工精度造成了較大的影響，給機械加工的零件生產(chǎn)帶來了很大的損失。所以在利用機械加工工藝生產(chǎn)零件時，要對機械加工工藝對零件加工精度造成影響的外在因素和內(nèi)在因素有準(zhǔn)確深刻的認(rèn)識，從而使機械加工工藝更加完善、更加到位，加工出來的零件精度更高。本文以零件的加工過程為例，介紹機械加工工藝的流程，探討提高加工精度的優(yōu)化方案，分析造成加工誤差的原因[1]。
1 機械加工工藝的流程
機械加工工藝流程是指工件或零件制造加工的步驟，是利用機械加工的方法對毛坯進行更改，使毛坯逐漸與零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相吻合的過程。機械加工工藝對毛坯的更改包括對毛坯形狀的更改、毛坯尺寸的更改等。一般情況下，比較籠統(tǒng)的機械加工工藝流程主要是從粗加工到精加工，由精加工再到裝配，裝配結(jié)束進行檢驗，最后對檢驗合格的零件或工件進行包裝[2]。
機械加工工藝流程是使毛坯變成合格產(chǎn)品的過程，這個過程由零件加工流程和零件加工步驟構(gòu)成，具體的機械加工流程和機械加工步驟中都有相應(yīng)具體的標(biāo)準(zhǔn)和要求，這些步驟和流程中的具體的機械加工標(biāo)準(zhǔn)和機械加工要求就是機械加工工藝。
例如在對毛坯加工時，對毛坯需要到的粗糙度、工序等的詳細(xì)說明和數(shù)據(jù)規(guī)范，就是毛坯粗加工工藝。機械加工工藝規(guī)程就是零件加工企在選取工藝過程中所生成的工藝文件。零件加工企業(yè)在選取工藝過程的時候，并不是盲目選取的，而是根據(jù)企業(yè)的實際生產(chǎn)情況來確定的，企業(yè)的實際生產(chǎn)情況包括企業(yè)的機械加工員工素質(zhì)、零件加工的設(shè)備條件等。
企業(yè)對自身條件有了充分的認(rèn)識以后，會根據(jù)實際情況來選擇工藝工程和操作方法，這個過程中需要寫成工藝文件。生成的工藝文件經(jīng)審批通過，就會對零件加工企業(yè)在零件加工生產(chǎn)中進行指導(dǎo)。一般的機械加工工藝規(guī)程包括零件加工的工藝路線、 加工工序的具體內(nèi)容、加工設(shè)備的具體情況等等。在零件加工過程中，流程是生產(chǎn)路線，規(guī)程對零件加工生產(chǎn)進行指導(dǎo)，而加工工藝則決定著零件生產(chǎn)的精度。
2 機械加工工藝影響零件加工精度的因素
機械加工工藝對零件加工精度造成影響的因素可分為內(nèi)在因素和外在因素。機械加工藝系統(tǒng)本身的幾何精度是機械加工工藝對零件加工精度造成影響的內(nèi)在因素。
2.1 對零件加工精度造成影響的內(nèi)在因素成因
機械加工工藝系統(tǒng)本身的精度問題是機械加工工藝對零件加工精度造成影響的內(nèi)在因素。機械加工工藝系統(tǒng)本身的精度主要受到三個方面因素的影響：①由于機械加工工藝系統(tǒng)在出廠時，機械加工工藝系統(tǒng)本身的生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)精度問題，因此在投入使用時對加工的零件精度造成影響；②機械加工工藝系統(tǒng)在安裝使用的過程中，由于與機械系統(tǒng)的安裝標(biāo)準(zhǔn)有差異，加上操作不精細(xì)、定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致在對零件加工的過程中使零件精度受到影響；③機械系統(tǒng)加工工藝系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的問題，由于機械系統(tǒng)加工工藝系統(tǒng)在長期使用過程中，某些部位出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，使機械系統(tǒng)加工工藝系統(tǒng)對零件加工的精度受到影響。如機床、刀具和夾具等在出廠時，其構(gòu)件存在一定誤差或者在安裝使用過程中，安裝不到位、操作不精細(xì)、定位不準(zhǔn)確。
2.2 機械加工工藝系統(tǒng)運行過程中的受力變形
（1）導(dǎo)致系統(tǒng)運行中產(chǎn)生受力變形的因素分析
在機械加工工藝系統(tǒng)的實際運行過程當(dāng)中時常會出現(xiàn)系統(tǒng)受力變形的情況，致使其位置、形狀出現(xiàn)輕微形變，進而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運行和壽命減少。探究其緣由，發(fā)現(xiàn)主要是由 兩個因素致使的：①系統(tǒng)實際運行強度大。在系統(tǒng)實際運行的過程當(dāng)中，系統(tǒng)所用的刀具、夾具等小構(gòu)件均要承受高強度的工作負(fù)荷，時間一長就容易發(fā)生相對位置的位移，或是受力下的形變；②各部件面臨多方受力。在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)的部件不僅要承受系統(tǒng)本身施加的工作力度，還要承受來自加工零件施加的相對力度，同時又要承受部件與部件之間的摩擦力度。
（2）機械加工工藝系統(tǒng)運行過程中的熱變形
實際上，機械加工工藝系統(tǒng)在運行的過程中，不僅僅會面臨多種力的影響，還會受到其他因素的影響。具體來講就是熱變形，包括刀具熱變形、被加工零件熱變形、機床本身及其構(gòu)件的熱變形。熱變形是指系統(tǒng)因受熱而發(fā)生的形變。它能夠嚴(yán)重破壞刀具與被加工零件之間的準(zhǔn)確幾何關(guān)系和運動關(guān)系，進而嚴(yán)重影響加工零件的精度。
3 提高機械加工工藝精度的優(yōu)化方案
綜上所述，機械加工的工藝技術(shù)對于零部件的加工精度有著直接的影響，而機械系統(tǒng)本身的精度問題是影響零件加工的精度的主要因素，所以，在進行零件加工時，首先要避免的就是機械系統(tǒng)的問題，其次是加工過程中由于受力變形的問題。本文提出兩種優(yōu)化方案，一種是利用表面光整加工技術(shù)，一種是利用特種加工技術(shù)。
3.1 機械加工工藝中的表面光整加工技術(shù)
表面光整技術(shù)屬于機械加工工藝的方法之一，利用該方法可以使加工后的零件不但達(dá)到規(guī)定的幾何尺寸，還可以得到理想的表面光整度。經(jīng)過表面光整加工的零件，其表面度和紋理都有很大的改善，該技術(shù)是通過磨具，對零件的表面進行碰撞、滾壓、擠壓，這樣做的目的是增加表面變質(zhì)層的同時，提高了耐磨性，去除了零件表面的毛刺、尖角、銳邊等。光整技術(shù)是對零件整體各表面在一道工序中一次性加工，可對原來的老工藝、工序，例如：粗磨、非精磨、精磨、砂帶拋光、毛氈卡瓦拋光等進行撤、并，做出優(yōu)化調(diào)整。
3.2 特種加工對機械加工工藝的突破
根據(jù)現(xiàn)代制造業(yè)的特點，特種加工應(yīng)運而生，主要是加工那些高硬度、高韌性、高強度和高脆性等難切削的材料，可以用于那些孔細(xì)小，形狀復(fù)雜，具有特殊結(jié)構(gòu)的工件的加工，因此，特種加工在未來的機械加工工藝中將有很好的應(yīng)用前景。該方法的工作原理就是利用化學(xué)能、電能、聲能、機械能以及光能和熱能對金屬或非金屬材料進行加工，特點就是加工工具與零件之間零接觸或者是間接接觸，較少了加工過程中的熱變形及變形力，進一步提高了零件的加工精度。
4 結(jié)論
隨著機械加工工藝技術(shù)水平的不斷提高，我國的加工技術(shù)也在快速發(fā)展。為了進一步提高零部件加工企業(yè)所生產(chǎn)出來的零部件精度更高，減少零部件生產(chǎn)的不合格率，實現(xiàn)了企業(yè)的經(jīng)濟效益，提高零部件生產(chǎn)企業(yè)的綜合競爭力，需要零部件企業(yè)加強機械加工工藝的研究和投入，把影響零件精度的外在因素和內(nèi)在因素降到最低程度。
【參考文獻(xiàn)】
關(guān)鍵詞：火電廠 煙氣脫硫技術(shù) 煙氣脫硝技術(shù) 聯(lián)合脫硫脫硝 同時脫硫脫硝
中圖分類號：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0103-03
空氣污染嚴(yán)重影響著人類的健康和生存，這一話題受到各界人士的關(guān)注。火力發(fā)電廠排放的煙氣中含有SO2、NOx以及一些粉塵性的顆粒，這是形成酸雨和霧霾的主要原因。近幾年我國的大氣污染日趨嚴(yán)重，因此煙氣脫硫脫硝已成為控制大氣污染的必然趨勢。
脫硫脫硝技術(shù)大致可以分為單獨脫硫、單獨脫硝、聯(lián)合脫硫脫硝和同時脫硫脫硝等。聯(lián)合脫硫脫硝和同時脫硫脫硝又稱為一體化技術(shù)，是目前國內(nèi)外研究的重點。本文主要綜述傳統(tǒng)的脫硫脫硝方法和近幾年發(fā)展較快的煙氣脫硫脫硝技術(shù)，分析其機理、技術(shù)特點和最新研究進展。
1 煙氣脫硫技術(shù)
煙氣脫硫技術(shù)是減少煙氣中SO2含量的有效方法之一，傳統(tǒng)的煙氣脫硫方法有干法脫硫[1]、半干法脫硫[2]和濕法脫硫[3]。
干法脫硫的原理是用催化劑或吸收劑來脫除煙氣中SO2，這些催化劑或吸收劑是固態(tài)的粉末或顆粒。典型的干法脫硫技術(shù)有氧化物法和活性炭法[4]等，此技術(shù)在含硫量較低的情況下脫硫率較高，但脫硫產(chǎn)物不能循環(huán)使用；半干法是介于干法和濕法之間的脫硫方法。主要有噴霧半干法、爐內(nèi)噴鈣爐后活化法、灰外循環(huán)增勢半干法和煙道流化床脫硫法等[5]。與干法脫硫相比，脫硫效率高，但反應(yīng)產(chǎn)物的灰循環(huán)效率低，不能進行連續(xù)的運行；濕法脫硫則與干法脫硫完全不同，所用給的吸收劑是液體，液體吸收劑來吸收煙氣中的SO2。常用的濕法脫硫工藝有石灰石/石灰-石膏、海水脫硫工藝[6]。濕法脫硫技術(shù)是我國大部分電廠所采用的煙氣脫硫技術(shù)，此技術(shù)的成本較低、循環(huán)性大、脫硫效率高、脫硫后的產(chǎn)品易于回收利用，但系統(tǒng)比較復(fù)雜、設(shè)備成本比較高。
傳統(tǒng)的脫硫方法仍有很多缺點，近幾年研究者們提出了更有效的煙氣脫硫工藝。祁貴生等人[7]在超重力旋轉(zhuǎn)填料床中，以尿素溶液為吸收劑進行煙氣中SO2的吸收試驗研究。研究表明脫硫率受到液氣比、填料床轉(zhuǎn)速、尿素溶液溶度的影響，最終得到最佳的工藝參數(shù)。在最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，當(dāng)溫度為70 ℃的條件時脫硫率可達(dá)到92%。該方法是在尿素脫硫工藝的基礎(chǔ)上引進了超重力技術(shù)，二者結(jié)合實現(xiàn)了高效脫硫。超重力尿素脫硫工藝具有設(shè)備體積小、液氣比低、投資少等優(yōu)點。其脫硫工藝流程如圖1所示。
徐硯和朱群益[8]在干法活性炭脫硫的基礎(chǔ)上研制出一種新型的活性炭脫硫劑，椰殼活性炭擔(dān)載Cu脫硫劑在煅燒溫度為250 ℃時脫硫效果最好。黃祥等人[9]則利用核桃殼為原料來制備脫硫活性炭，新型柱狀活性炭比傳統(tǒng)的活性炭吸附能力提高。
2 煙氣脫硝技術(shù)
煙氣脫硝技術(shù)是煙氣通過還原劑把NOx還原為N2的一種技術(shù)。目前我國的脫硝技術(shù)還尚不成熟，主要以國外引進的技術(shù)為主。國外應(yīng)用較多的是選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）以及聯(lián)合法（SNCR-SCR）。
選擇性催化還原法是指在催化劑的作用下，利用NH3或尿素將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。SCR法是世界上應(yīng)用最多且最為成熟最有效的煙氣脫硝技術(shù)，其脫硝效率可達(dá)到90%。但也存在以下缺點：催化劑價格昂貴，氨水對管道腐蝕性強且氨易泄露，還原劑的消耗大等。
選擇性非催化還原法是在沒有催化劑的條件，高溫噴入還原劑使其迅速分解為NH3，NH3與煙氣中的NOx進行反映生成N2。SNCR工藝簡單，操作簡單，投資成本低，適用于老機組的改造，但脫硝效率較低，一般為25%～40%。
聯(lián)合脫硝技術(shù)是一種SCR技術(shù)和SNCR技術(shù)的結(jié)合，將還原劑直接噴進爐膛內(nèi)，高溫下脫去部分NOx，然后未反應(yīng)的還原劑進入SCR反應(yīng)器與剩余的NOx進行催化反應(yīng)。脫硫率可達(dá)80%，其優(yōu)缺點介于SCR和SNCR之間。
在2012年孫墨杰等人[10]提出了一種新型的煙氣脫硝技術(shù)-反硝化菌煙氣脫硝技術(shù)。反硝化菌在適宜的碳源下，利用氮氧化物合成自身生長所需的有機氮，并通過異化反硝化作用使其轉(zhuǎn)化為N2，最終排放到大氣中。其工藝流程圖如圖2所示。反硝法的出現(xiàn)確實為煙氣脫硝提供了新的思路，但仍有不足之處。此方法只能在處理低濃度NOx的煙氣時具有優(yōu)勢，機理還不夠完善，有待進一步的探索。
煙氣脫硝技術(shù)種類較多，實際應(yīng)用時一般將多種技術(shù)聯(lián)合到一起已達(dá)到脫硝的要求。
3 聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)
迄今為止，國內(nèi)外的學(xué)者大量的研究了脫硫和脫硝技術(shù)，其工藝得到了大幅度的提高，但仍然存在不足。進而煙氣脫硫脫硝一體化技術(shù)引起了工程界的普遍關(guān)注。一體化技術(shù)是將脫硫脫硝工藝合并到一套工藝流程當(dāng)中，不但可以減少設(shè)備裝置、降低投資經(jīng)費，而且還可以減少廢物排放同時達(dá)到脫硫脫硝的目的。按照脫除機理的不同，脫硫脫硝一體化技術(shù)可以分為兩大類：一類是聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)；另一類是同時脫硫脫硝技術(shù)[11]。
3.1 SNRB聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)
SNRB技術(shù)是用一個高溫布袋除塵器來凈化煙氣中的SO2和NOx[12]。其特點是占地面積小，設(shè)備中管道的腐蝕性較小，脫硫率能達(dá)到80%，脫硝率為90%。其工藝流程如圖3所示。
3.2 SNOx聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)
SNOx工藝是兩種催化反應(yīng)的結(jié)合，一是SCR的催化反應(yīng)，一是SO2的催化反應(yīng)，兩者相互結(jié)合達(dá)到脫硫脫硝的目的。機理主要是SO2催化氧化為SO3，然后在冷凝塔中制成硫酸；NOx在NH3中催化還原為N3和H2O[13]。其特點為脫硫和脫硝效率分別能達(dá)到95%和94%，無二次污染但是硫酸的儲運比較困難。其工藝流程如圖4所示。
DESONOx脫硫脫硝技術(shù)與SNOx工藝相似，不同之處在于該工藝中的NOx和SO2的氧化在同一反應(yīng)其中進行[11]。
3.3 活性炭/活性焦工藝[14～15]
活性炭/活性焦脫硫脫硝工藝是將煙氣吸收然后進行化學(xué)分解，最后是產(chǎn)物的回收。煙氣先首先進入吸附塔，在吸附塔內(nèi)SO2與鄰近吸附態(tài)的O2反應(yīng)生成SO3，然后與H2O反應(yīng)生成硫酸儲存于活性焦的微孔中，SO2被脫除；然后煙氣中的NOx與噴入的氨氣發(fā)生反應(yīng)，生成N2和H2O。工藝流程如圖5所示。
其特點是吸附劑來源廣，成本低、工藝簡單。但存在活性炭易揮發(fā)，管道易腐蝕等缺點。此外還有循環(huán)流化床聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)[16]、粉煤灰脫硫脫硝技術(shù)[17]、半干噴霧脫硫脫硝技術(shù)[18]、MEROS煙氣凈化技術(shù)等。
4 同時脫硫脫硝技術(shù)
4.1 電子束照射法
電子束照射法是將煙氣中SO2和NOx等氣態(tài)污染物置于高能等離子束下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成HNO3和H2SO4，最后與加入煙氣中的NH3反應(yīng)生成NH4NO3和（NH4）2SO4[19]。此方法可分別達(dá)到90%的脫硫率和80%的脫硝率，且不產(chǎn)生污染物，普遍認(rèn)為它是一種有前景的煙氣凈化技術(shù)。但此方法仍存在以下問題：設(shè)備的可靠性低，加速器能耗較高，副產(chǎn)品的捕集困難，還有氨泄露等問題。工藝流程如圖6所示。
4.2 電暈放電法
脈沖電子暈脫硫脫硝技術(shù)（PPCP）的機理與電子束法基本一致，不同之處在于高能源不同，PPCP法是利用高壓脈沖來產(chǎn)生活化電子，以此破壞煙氣中SO2和NOx的化學(xué)鍵，生成對環(huán)境無害的物質(zhì)，從而達(dá)到脫硫脫硝的目的[20]。其特點是不需要電子槍和輻射屏蔽；不產(chǎn)生二次污染；脫硫脫硝效率高。但目前實驗研究不充分無法大范圍的使用。工藝流程如圖7所示。
4.3 煙氣循環(huán)流化床技術(shù)
傳統(tǒng)的煙氣循環(huán)流化床技術(shù)中的吸收劑不能既脫硫又脫硝。針對這一問題，張毅等人[21]研制的“高氧型高活性吸收劑”實現(xiàn)了同時脫硫脫硝的目的。吸收劑與煙氣中的SO2反應(yīng)生成CaSO3和CaSO4，與NOx反應(yīng)生成Ca（NO3）2，與單質(zhì)汞反應(yīng)生成HgCl2或HgO，并被固體顆粒吸收，從而達(dá)到同時脫硫脫硝的目的。工藝流程圖如8所示。
目前國內(nèi)外興起的同時脫硫脫硝技術(shù)還有NaClO2氧化吸收法[22]、光催化氧化法[23]、NOXSO技術(shù)[24]等。
5 結(jié)語
火電廠煙氣脫硫脫硝技術(shù)的研究已經(jīng)成為煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢。筆者對近傳統(tǒng)的脫硫脫硝和近幾年國內(nèi)外脫硫脫硝技術(shù)的研究機理和發(fā)展?fàn)顟B(tài)進行了綜述。目前出現(xiàn)的新方法理論仍不完善，尚處于試驗初期，許多方面還需要深入研究。因此，為了真正實現(xiàn)大氣污染的控制，還加大力度研究脫硫脫硝技術(shù)。今后可以從無污染的吸收劑、設(shè)備革新、工藝創(chuàng)新等方面來進行研究。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】高速；加工機理；優(yōu)勢；推廣價值
1.前言
高速切削加工是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進制造技術(shù)，在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用能夠得到解決。“高速切削”的概念是由德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度與切削溫度理論。該理論的核心是：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一速度極限后，切削溫度隨著切削速度的提高反而降低。隨后，高速切削技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段：高速切削的設(shè)想與理論探索階段（193l—l971年），高速切削的應(yīng)用探索階段（1972-1978年），高速切削實用階段（1979--1984年），高速切削推廣階段（20世紀(jì)90年代至今）。
對高速切削加工的界定有以下幾種劃分思路：一是以主軸轉(zhuǎn)速作為界定高速切削加工的尺度，認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速在10000-20000r/min以上即為高速切削加工；二是以主軸直徑D和主軸轉(zhuǎn)速n的乘積Dn來界定，當(dāng)Dn值達(dá)到（5～2000）×105mm.r/min，則認(rèn)為是高速切削加工，新近開發(fā)的加工中心主軸DN值大都已超過100萬；三是以切削速度高低來區(qū)分，認(rèn)為切削速度跨越常規(guī)切削速度5至10倍即為高速切削加工。
2.數(shù)控高速切削加工的優(yōu)勢
隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時，高速切削加工的“量小速快”使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，十分有利于剛性差和薄壁零件的加工。高速切削加工中，主軸轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離了機床的低階固有頻率，提高了切削系統(tǒng)的剛性，進而使產(chǎn)品表面質(zhì)量獲得提高。
數(shù)控高速切削加工和常規(guī)切削相比的主要優(yōu)勢可歸納為：第一，生產(chǎn)效率可提高3～10倍。第二，切削力可降低30%以上。第三，切削熱95%被切屑及時帶走，特別適合加工容易熱變形的零件。第四，機床的激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，工作平穩(wěn)，適合加工精密零件。第五，經(jīng)濟效益明顯。
3.數(shù)控高速切削加工的應(yīng)用
數(shù)控高速切削工藝的應(yīng)用，能使制造成本降低20%左右，產(chǎn)生新的經(jīng)濟增長點。以某鍛造廠加工曲軸和連桿鍛模為例，傳統(tǒng)的加工工序為：外形粗加工仿形銑粗加工型槽熱處理外形精加工數(shù)控電火花粗、精加工型槽鉗工打磨拋光型槽表面強化處理。而采用高速切削加工后的工序為：外形粗加工熱處理外形精加工高速銑加工型槽表面強化處理。通過高速銑削加工直接完成淬硬鋼模具，使生產(chǎn)成本從傳統(tǒng)工藝的27000多元降到22000元。
高速切削加工具備過程平穩(wěn)、振動小的特點，與常規(guī)切削相比，可提高加工精度1～2級，并能取消后續(xù)的光整加工。同時，采用數(shù)控高速切削加工工藝，可以在一臺機床上實現(xiàn)對復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的粗、精加工，減少了轉(zhuǎn)工序中多次裝夾帶來的定位誤差，也有利于提高工件的加工精度。如某企業(yè)加工的鋁質(zhì)模具，模具型腔長達(dá)1500mm，要求尺寸精度誤差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。原先的制造工藝為：粗刨半精刨精刨鏟刮拋光，制造周期為60小時。采用高速切削加工工藝后，改為半精加工和精加工，加工周期僅需6小時，加工效率提高近10倍。可見，高速切削加工在制造業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
4.數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
高速切削加工不僅包含著切削過程的高速，還包含了工藝過程的集成和優(yōu)化，可謂是加工工藝的統(tǒng)一。高速切削加工是在數(shù)控裝置、機床結(jié)構(gòu)及材料、機床設(shè)計、制造工藝、高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計制造工藝、高效高精度測量測試工藝、高速切削工藝等諸多技術(shù)均獲得充分成熟之后綜合而形成，可謂是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
高速切削加工應(yīng)用中還存在著一些有待解決的問題，如對高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損內(nèi)因的研究，高速切削數(shù)據(jù)庫的建立，適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)的開發(fā)等。數(shù)控高速切削加工所用的CNC機床、刀具和CAD/CAM軟件等，價格昂貴，初期投資較大，在一定程度上也制約著高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。實現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下：
4.1高速切削機理的研究
高速切削加工過程是導(dǎo)致工件表面層產(chǎn)生高應(yīng)變速率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦行為形成的為熱、力耦合不均勻強應(yīng)力場的制造工藝。與傳統(tǒng)的切削加工相比，加工中工件材料的力學(xué)性能、切屑形成、切削力學(xué)、切削溫度和已加工表面形成等都有其不同的特征和規(guī)律。
各類材料在高速加工前提下，切屑的形成機理，切削力、切削熱的轉(zhuǎn)變規(guī)律，刀具磨損規(guī)律及對加工概況質(zhì)量的影響規(guī)律，都有了極大的變化。通過對以上理論的研究，有利于促進高速切削工藝規(guī)范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝擬定能夠提供理論依據(jù)。
4.2高速切削機床的配備
高速切削機床是實現(xiàn)高速切削加工的必備條件，高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)和高速CNC控制系統(tǒng)是關(guān)鍵。它要求具備高性能的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)以及優(yōu)良的靜動力特性，具有技術(shù)含量高、機床制造難度大等特點。通常，選用高速數(shù)控車床、加工中心，也有釆用專用的高速銑、鉆床，它們都具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)。一般主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min以上，有的甚至高達(dá)60000-100000r/min，且要保證動態(tài)和熱態(tài)機能。也可釆用高速絲桿或直線電機，提高機床進給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。目前，直線電機最高加速度可達(dá)2-10G（G為重力加速度），最大進給速度可達(dá)60-200m/min或更高。
4.3高速切削工藝的刀具
隨著切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工藝都要能適應(yīng)新的環(huán)境。刀具系統(tǒng)必需具有較高的幾何精度和裝夾再定位精度，以及較高的裝夾剛度。高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必需滿足動平衡要求，盡可能減輕刀體質(zhì)量，以減輕高速扭轉(zhuǎn)時所受到的離心力。高速切削中常用的刀具材料有單涂層或多涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石等，高速切削刀具刀刃的外形正向著高剛性、復(fù)合化、多刃化和超精加工方向發(fā)展。
4.4數(shù)控編程系統(tǒng)要求
高速切削有著比傳統(tǒng)切削更特殊的工藝要求，除了要具備高速切削機床和高速切削刀具外，還要有合適的CAM編程軟件。高速加工的CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等特點。高速切削應(yīng)用程序首先要注意加工的安全性和有效性；其次，要保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會直接影響加工質(zhì)量和機床主軸等零件的壽命；第三，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。通常，使用的CNC軟件中的編程功能都不能滿足在整個切削過程中保證切削載荷不變的要求，需要由人工加以填補和優(yōu)化，這在一定程序上降低了高速切削的價值。因此，必需研究一種全新的編程方式，使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特征，充分發(fā)揮數(shù)控高速切削加工的優(yōu)勢。目前，引進的CAM軟件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添適合于高速切削的編程模塊，為高速切削加工的應(yīng)用提供了良好的條件。
5.結(jié)束語
由于數(shù)控高速切削加工在提高生產(chǎn)效益、降低制造成本中潛力巨大，美國、日本等國早在上世紀(jì)60年代初，就起動了超高速切削機理的研究。1978年美國完成了對高速加工數(shù)控銑床的改造，完成主軸轉(zhuǎn)數(shù)30000r/min與100000r/min的重要參數(shù)指標(biāo)。現(xiàn)在，歐美等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的各類超高速機床已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，在飛機、汽車及模具制造行業(yè)中獲得了大量的應(yīng)用。
我國在研究和開發(fā)高速切削工藝方面，與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍存在著較大的差距。為適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需要，滿足航空航天、汽車、模具等各行業(yè)的制造需求，必需加強對高速加工工藝基本理論的研究，加快高速主軸單元和高速進給單元的開發(fā)，努力實現(xiàn)高速機床的國產(chǎn)化，開發(fā)適應(yīng)高速加工的CAD/CAM自主軟件系統(tǒng)和后置系統(tǒng)，建立新型檢測工藝監(jiān)控系統(tǒng)。發(fā)展數(shù)控高速切削加工是提高加工效率和質(zhì)量、降低成本的主要途徑，把當(dāng)前的高速切削水平實用化，使我國機械加工業(yè)整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距，是我國從事制造行業(yè)專業(yè)人員在新世紀(jì)的奮斗目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：煤基甲醇 制烴行業(yè) 發(fā)展現(xiàn)狀 分析
作為一項新的能源技術(shù)――煤基甲醇制烯烴，主要是通過使用煤炭替代石油來生產(chǎn)甲醇進而再向乙烯、聚烯烴、丙烯等方向發(fā)展。由于我國煤礦資源豐富，而汽油和天燃?xì)鈬?yán)重缺乏的能源特點決定了國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展必須依靠調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu), 充分利用我國煤炭資源優(yōu)勢,從而降低對外國石油進口的依存度，對保障能源安全、部分替代石油以及促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實和長遠(yuǎn)的意義。同時，煤基甲醇制烯烴技術(shù)在我國不斷受到業(yè)內(nèi)人士的重視，具有誘人的發(fā)展前景。
一、我國煤基甲醇制烯烴行業(yè)的政策
調(diào)查顯示,當(dāng)前我國煤基甲醇制烯烴行業(yè)正處于工業(yè)示范階段。按國家發(fā)改委《關(guān)于加強煤化工項目建設(shè)管理促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》(發(fā)改工業(yè)[2006]1350號)規(guī)定,通常情況下不會批準(zhǔn)年產(chǎn)規(guī)模小于60萬t的煤基烯烴項目。同時，依照石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃, 2009年~2011年,原則上不再安排新的煤化工試點項目,而是把重點放在現(xiàn)有煤基烯烴等類示范工程之上。目前，我國正在建設(shè)的煤基烯烴示范項目總共有3個,包括規(guī)模為60萬t/a烯烴的大唐國際煤基烯烴項目，規(guī)模約60萬t/a丙烯的神華包頭煤基烯烴項目和50萬t/a聚丙烯的神華寧煤煤基烯烴項目。
二、在我國發(fā)展煤基甲醇制烯烴產(chǎn)業(yè)的必要性
1.逐步取代進口，滿足國內(nèi)市場的需求
雖然近些年來我國石油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅速，但還不能滿足國內(nèi)的基本社會活動正常需要，還需大量進口。因為國內(nèi)烯烴市場自給率依然不足，需要依靠大量進口。所以，我們可以結(jié)合我國的實際情況，充分利用我國豐富的煤炭資源，采用先進的煤化工技術(shù)來大力發(fā)展煤基烯烴產(chǎn)業(yè)，從而提高國內(nèi)烯烴及其下游產(chǎn)品的自給率，并滿足國內(nèi)不斷增長的化工產(chǎn)品市場需求。
2.與我國煤多油少的能源結(jié)構(gòu)特點相符
由于近年來我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，使得國內(nèi)對石油資源需求的日益增長，并逐漸成為石油消費大國。同時，我國石油缺口逐年增大已是不容置辯的問題，并且能源的安全供應(yīng)直接影響到我國社會的可持續(xù)發(fā)展以及國民經(jīng)濟的平穩(wěn)向前。所以，發(fā)展煤基甲醇制烯烴產(chǎn)業(yè)符合我國當(dāng)前的資源結(jié)構(gòu)特點，有利于緩解我國石油資源緊缺的局面，是有保障我國石油戰(zhàn)略安全的一項有力國策。
3.有利實現(xiàn)我國的節(jié)能減排政策
相關(guān)數(shù)據(jù)表明，煤基甲醇制烯烴工藝路線是采用目前世界上最先進的污染物處理技術(shù)和潔凈煤技術(shù)，與傳統(tǒng)的煤直接燃燒方式不同，它主要是通過集中處理的方式來減少污染物的排放，從而有效地降低了環(huán)境污染。
4.有利于調(diào)整我國煤炭企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)
與國際市場相比，我國的煤炭及其產(chǎn)品地價格相對低廉，從而使得煤炭行業(yè)經(jīng)濟效益長期在低位徘徊。發(fā)展煤基烯烴產(chǎn)業(yè)，有利于將低價值的煤轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吒郊又档幕ぎa(chǎn)品，從而在一定程度上提高我國煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益。所以，大力倡導(dǎo)煤基烯烴產(chǎn)業(yè)，可實現(xiàn)我國對煤炭企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整。
三、我國煤基甲醇制烯烴行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀分析
調(diào)查顯示，當(dāng)前國外開發(fā)研究比較成功的甲醇制烯烴工藝主要有德國Lurgi公司的MTP技術(shù)以及UOP/HYDRO公司的MTO技術(shù)。而國內(nèi)主要有中石化的SMTO技術(shù)、大連化物所DMTO技術(shù)以及清華大學(xué)FMTP技術(shù)。
1.中石化的甲醇制烯烴技術(shù)
其前期的研究工作包括C4以上組分回?zé)捈夹g(shù)和SAPO-34催化劑的開發(fā)等主要是通過上海石化研究院來完成的。而華東理工大學(xué)課題組合完成了結(jié)焦動力學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)以及催化劑再生動力學(xué)的研究工作。同時，前幾年中石化在北京燕山石化建立了100 t/d甲醇制烯烴工業(yè)試驗裝置,將所產(chǎn)的乙烯和丙稀之類產(chǎn)品直接送至燕山石化現(xiàn)有裝置,從而實現(xiàn)甲醇制烴技術(shù)的連續(xù)運行。該裝置使用流化床反應(yīng)器，并由中國石化工程建設(shè)公司進行裝置設(shè)計及承建,同時采用了上海石化研究院提供的SAPO-34分子篩催化劑。在2008年底,該技術(shù)完實現(xiàn)了甲醇年進料180萬t的甲醇制烯烴工藝包開發(fā)任務(wù),并且具備了設(shè)計和建設(shè)大型甲醇制烯烴工業(yè)化裝置的條件。
2.大連化物所的甲醇制烯烴技術(shù)
經(jīng)過多年的研究工作，中科院大連化物所終于開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的甲醇制烯烴技術(shù)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在改化物所在十年前就完成了日處理能力達(dá)到1 t的甲醇制烯烴試驗，同時，在2004年, 洛陽煉油設(shè)計院、大連化物所以及陜西新興煤化工公司經(jīng)過三方的合作,并在陜西建設(shè)了年處理甲醇1. 67萬t甲醇制烯烴工業(yè)化中試裝置, 并于2005年12月建成該裝置, 以及在2006年2月20日一次投料試車成功。經(jīng)考察探究可知,該工業(yè)化試驗裝置工作時運行穩(wěn)定、安全可靠、技術(shù)指標(biāo)先進，屬于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)。其中所涉及的主要指標(biāo)為: 乙烯/丙烯選擇性不小于78%，甲醇轉(zhuǎn)化率在99. 0%以上，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進水平。
3.清華大學(xué)的循環(huán)流化床甲醇轉(zhuǎn)化丙烯技術(shù)
經(jīng)過投入一定的科研資本后，清華大學(xué)對甲醇制丙烯工藝進行了改進，它是以SPO-34作為催化劑，同時使用固氣并流的下行式流化床短接觸反應(yīng)器。通過使原料與催化劑在氣固并流下行式流化床得超短接觸反應(yīng)器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于物流方向為下行的，然而反應(yīng)產(chǎn)物及催化劑出反應(yīng)器后及時中止反應(yīng)的進行，從而有效地抑制了二次反應(yīng)的發(fā)生，若果分離出的催化劑進入再生器中，催化劑將在系統(tǒng)中連續(xù)反應(yīng)并循環(huán)進行。從而有效地降低了后續(xù)分離工藝的難度，并減小了副產(chǎn)物烷烴的產(chǎn)生與增加了低碳烯烴的產(chǎn)量，其中低碳烯烴收率不小于93%，甲醇轉(zhuǎn)化率也在98%之上。目前,由清華大學(xué)/中國化學(xué)工程集團公司和安徽淮化集團有限公司一起合作，正利用該技術(shù)在安徽淮化集團廠區(qū)內(nèi)建設(shè)一套3萬t/a的甲醇制丙烯工業(yè)試驗裝置。
四、結(jié)語
綜上所述，從我國經(jīng)濟發(fā)展格局、能源結(jié)構(gòu)、煤企整合以及環(huán)境保護等各方面分析，煤基甲醇制烯烴的發(fā)展技術(shù)上切實可行，并且十分必要對我國煤基甲醇制烯烴產(chǎn)業(yè)進一步的分析與發(fā)展。本文主要是結(jié)合我國當(dāng)前國情對國內(nèi)煤基甲醇制烯烴行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀進行分析探討，希望有助于促進我國甲醇制烯烴技術(shù)的發(fā)展，并有利于扭轉(zhuǎn)我國當(dāng)前所面臨的石油主要靠進口的局面。
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【關(guān)鍵詞】非金屬管道 新型材料 腐蝕問題
1 非金屬管道應(yīng)用現(xiàn)狀
由于埋地鋼質(zhì)管道使用存在腐蝕和防腐材料老化問題，新工藝的不斷涌現(xiàn)，對防腐技術(shù)的要求逐漸提高，金屬管道的維修成本迅速升高。而非金屬管道在解決油田腐蝕問題上具有金屬管道所無法比擬的優(yōu)勢，有效的緩解了因管道內(nèi)腐蝕而污染介質(zhì)的問題。由于各類非金屬管道在使用環(huán)境、介溫、壓力等方面具有不同的特點，其應(yīng)用環(huán)境及效果也各不相同。
1.1 注水系統(tǒng)
目前，在注水系統(tǒng)中應(yīng)用的非金屬管道主要為高壓玻璃鋼管和鋼骨架塑料復(fù)合管，具有良好的承壓性能，壓力為16MPa～25Mpa，管道內(nèi)壁光滑，不易結(jié)垢結(jié)蠟，對輸送介質(zhì)無二次污染。
1.2 集輸系統(tǒng)
用于集輸系統(tǒng)的非金屬管材主要有連續(xù)增強塑料復(fù)合管、鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管和玻璃鋼管。
1.2.1連續(xù)增強塑料復(fù)合管
連續(xù)增強塑料復(fù)合管是以48股×10mm鋼絲編織成網(wǎng)狀骨架或以鋼帶纏繞骨架，內(nèi)層為交聯(lián)聚乙烯、外層為中密度聚乙烯復(fù)合而成，且為連續(xù)軟管，可盤卷，對敷設(shè)地形要求低，無焊口，不會出現(xiàn)因焊口質(zhì)量不過關(guān)而造成滲漏的現(xiàn)象。
1.2.2鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管
鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管采用低碳鋼絲編網(wǎng)，并高速點焊、塑料擠出填注同步成型技術(shù)，兩種材料均勻復(fù)合，管壁內(nèi)外層塑料通過管壁中間的金屬網(wǎng)孔連接為一體，以法蘭和電熔兩種方式連接，長期輸送介質(zhì)溫度介于0℃～70℃之間，承壓相對較低。
1.2.3玻璃鋼管
玻璃鋼管道采用無堿增強纖維為增強材料，環(huán)氧樹脂和固化劑為基質(zhì)，經(jīng)過連續(xù)纏繞成型、固化而成的，主要用于集輸系統(tǒng)輸送氣液混合油，壓力為3.5MPa～7.0MPa。
2 油田非金屬管道存在的問題分析
非金屬管道是一種非均質(zhì)工程材料，其原材料、生產(chǎn)工藝，結(jié)構(gòu)特性等與傳統(tǒng)的鋼制管道有很大差異。因此，在應(yīng)用過程中時有滲漏、穿孔或斷裂等問題發(fā)生，影響了非金屬管道耐蝕優(yōu)勢的發(fā)揮，目前油田應(yīng)用的兩大類非金屬管道，即復(fù)合管和玻璃鋼管。
2.1 復(fù)合管在生產(chǎn)中常見問題總結(jié)
2.2.1管線破裂穿孔
（1）復(fù)合管道材質(zhì)多為脆性或柔性、抗外界沖擊能力差，因此，在穿越井排公路時均需加套管保護，以防止地面載荷損壞管道。在使用鋼套管保護時，管線頻繁振動，使非金屬管道產(chǎn)生局部應(yīng)力磨損，易造成管線滲漏或斷裂。
（2）非金屬管道在敷設(shè)時，管溝溝底應(yīng)盡量均勻平整，溝底高低不平會造成管道受力不均，使管線產(chǎn)生不均勻沉降，回填時，高起處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，損壞管道或造成不必要的磨損，在管道系統(tǒng)中有脈動壓力時，這種現(xiàn)象將更為嚴(yán)重。
（3）非金屬管道是一種脆性材質(zhì)，如果在裝卸搬運、施工時管材受到外力沖擊，在長期內(nèi)壓作用下至使管線斷裂穿孔，因此，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行施工操作規(guī)程。
2.2.2連接處滲漏
（1） 連續(xù)增強塑料復(fù)合管
連續(xù)增強塑料復(fù)合管為連續(xù)軟管，其連接采用扣壓式接頭，早期的接口內(nèi)部采用六瓣密封，在管線運行過程中，在內(nèi)壓作用下，液體易從縫隙間滲出，出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；連續(xù)增強塑料復(fù)合管保溫性差，在凍土層中發(fā)生故障率高于土層深埋，因此敷設(shè)時按施工要求操作，應(yīng)越過凍土層。
（2）鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管
鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管在與管道連接時多采用電熔方式連接，主要用于埋地供水、污水輸送，應(yīng)用效果較好，但因部分鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管的電熔連接套筒內(nèi)無鋼骨架加強層，耐壓強度不夠，因此管線埋地敷設(shè)時采用電熔連接，地面敷設(shè)可以采用法蘭連接。
2.3 玻璃鋼管在生產(chǎn)中常見問題總結(jié)
2.3.1玻璃鋼管線接頭漏及玻璃鋼管線與鋼管連接處漏
玻璃鋼管線接頭及玻璃鋼管與鋼管連接處滲漏，漏點多集中在管線出站前和穿越井排公路的兩側(cè)。為防止玻璃鋼管的振動發(fā)生磨損或者引起與鋼管連接處滲漏，在鋼管的一側(cè)或靠近鋼制轉(zhuǎn)換接頭處安裝固定支座，在管線內(nèi)壓作用下，兩種管道的振幅和頻率不一，在連接處產(chǎn)生扭應(yīng)力，長期在這種應(yīng)力的作用下至使玻璃鋼管螺紋接頭滲漏或斷裂。
2.3.2管線破裂穿孔
玻璃鋼管道的樹脂基體屬于脆性材料，當(dāng)變形率達(dá)到2%～3%時，材料就會產(chǎn)生永久性破壞，因此管線的彎曲度不得大于管道的最小彎曲半徑，否則管道在運行前已經(jīng)受到彎曲應(yīng)力的作用，在運行過程中則容易出現(xiàn)管體環(huán)向開裂，甚至在接頭的應(yīng)力集中處出現(xiàn)斷裂。因此管道在儲存、裝卸、安裝過程中及生產(chǎn)運行或作業(yè)施工中，避免受外力沖擊，尤其易受機械損傷。
3 認(rèn)識及建議
（1）從非金屬管道在油田應(yīng)用效果看：
水系統(tǒng)：
①高壓玻璃鋼管道從設(shè)計、施工到生產(chǎn)管理技術(shù)已經(jīng)成熟，適宜在高壓注水系統(tǒng)使用；
②在供水、水處理管道中，可選用低壓玻璃鋼管和鋼骨架塑料復(fù)合管。
油系統(tǒng)：從抗腐蝕性和環(huán)保角度，非金屬管道宜用在低洼地、夏秋積水面廣、腐蝕級別高的區(qū)域應(yīng)用。
（2）非金屬管道無法像金屬管道一樣能用儀器探測到，因此，應(yīng)加強非金屬管道標(biāo)志樁的管理，避免丟失。
（3）在施工階段，礦及小隊?wèi)?yīng)做好在新建非金屬管道情況統(tǒng)計表，明確非金屬管道的井號、起點、終點、長度、管道類型、管道規(guī)格、生產(chǎn)廠家等相關(guān)資料，有助于日后的維修。
（4）非金屬材質(zhì)為電的絕緣體，不易于熱力解堵，管道在應(yīng)用過程中應(yīng)加強日常維護管理，防止管線凍堵現(xiàn)象發(fā)生，同時盡可能減少因交叉作業(yè)及其它人為因素而造成的機械損傷和滲漏。
作者簡介
劉麗娟，女，1981年生，工程師。2003年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)在大慶油田第七采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所從事地理信息系統(tǒng)工作。
關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術(shù);另一方面是實際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應(yīng)力自由端點的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅(qū)動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。FGM的應(yīng)用[8]見圖3。
圖3FGM的應(yīng)用
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。
設(shè)計設(shè)計
圖4FGM研究開發(fā)體系
4.1FGM設(shè)計
FGM設(shè)計是一個逆向設(shè)計過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評價方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計參數(shù)。
FGM設(shè)計主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計算方法,包括有限元方法計算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進行計算機輔助設(shè)計。
FGM設(shè)計的特點是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計分布,從而實現(xiàn)FGM的設(shè)計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應(yīng)過程示意圖
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優(yōu)化成分設(shè)計,為成分設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供實驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6結(jié)束語
FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計思想進入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。
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