石材加工專用金剛石工具綠色評價指標與評價體系研究

林潤澤，白碩瑋，王 清，周 琪，井國超

（青島大學機電工程學院，山東 青島 266071）

0 引言

近年來石材產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，天然石材廣泛應用于建筑裝飾、精密儀器以及高端機床等領域。但作為環(huán)境友好性差、資源消耗性大的粗放型產(chǎn)業(yè)，在強調可持續(xù)發(fā)展的當今面臨著發(fā)展放緩甚至受阻的境況。作為石材加工的直接參與者，金剛石工具在石材加工過程中起著舉足輕重的作用，但目前金剛石工具存在著選擇評價的混亂性與滯后性的重大問題，這致使對金剛石工具進行科學評價成為石材加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然一環(huán)。

1 金剛石工具評價研究

石材加工用金剛石工具的科學評價一直是石材加工領域的難點和熱點，迄今為止，眾多學者從不同角度對金剛石工具的評價進行了研究。

段隆臣等人系統(tǒng)整理了金剛石工具的設計與制造要點，籠統(tǒng)歸納了抗壓強度、沖擊韌性等金剛石顆粒評價指標，硬度、抗彎強度等金剛石工具胎體評價指標以及鋒利度、耐磨性等金剛石工具整體評價指標[1]。吳志英采用鋒利度對金剛石工具進行評價，并明確提出具有最佳出刃高度的金剛石工具具有最優(yōu)鋒利度的觀點[2]。張紹和等人從金剛石工具鋒利度與鋸切功率消耗的關聯(lián)出發(fā)，通過試驗研究了金剛石顆粒濃度、粒度與金剛石工具鋒利度之間的關系[3]。王鳳榮等以金剛石工具胎體硬度、抗彎強度、孔隙率、金剛石工具耐磨性、鋸切性能為評價指標，通過試驗對金剛石工具胎體及整體進行關聯(lián)研究，得出硬度與耐磨性指標無必然聯(lián)系的結論[4]。陳秀玉通過構建金剛石結塊離散元模型，對抗彎強度法、推剪法、劃擦法對金剛石工具胎體，對金剛石顆粒的把持力進行研究，指出各方法的適用性[5]。謝北萍等使用金剛石顆粒把持強度對金剛石工具進行評價，并研究了硬度、屈服強度、彎曲強度、沖擊強度對金剛石工具胎體的影響[6]。宋月清等通過自制石材切割試驗機，首次采用單節(jié)塊法對金剛石工具進行試驗，并通過切削比、出刃高度、切削效率、切割質量和壽命指標對金剛石工具進行評價[7]。胡煥校等通過自制高溫硬度測定儀研究了胎體高溫軟化點與胎體性能的關系，并利用高溫耐磨性指標對金剛石工具進行評價[8]。李云妹等人通過對鋸片鋸切原理與金剛石磨損特性進行分析，定性闡述了金剛石顆粒強度、濃度、粒度對鋸片鋒利度、壽命的影響[9]。王秦生等人根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和試驗研究結果，將金剛石工具的鋸切效率、使用壽命和加工質量作為金剛石工具評價的關鍵指標，并從制造因素和使用因素兩方面對金剛石工具進行系統(tǒng)性分析與評價[10]。Li Yuan等人利用損耗、能耗、切割效率、加工質量指標對金剛石工具進行評價，并確定低損耗、低能耗、高切割效率和高加工質量是石材綠色加工的基本要素[11]。Ylmaz研究了夾層鋸片鋸切花崗巖的加工過程與鋸切效果，并與常規(guī)鋸片在有功功率消耗、力比、比磨損率、噪聲四個方面進行對比評價[12]。張真等人利用效益指數(shù)法對普通鉆頭和同心徑向環(huán)齒金剛石鉆頭進行經(jīng)濟比較，強調經(jīng)濟效益與社會效益對鉆頭選型的綜合影響[13]。

2 金剛石工具評價體系的建立

通過前一節(jié)眾多學者的研究不難發(fā)現(xiàn)，對于金剛石工具的評價研究，大多數(shù)學者只專注于一個方面，尤其是技術指標方面，對于經(jīng)濟指標和綠色指標方面的研究相對比較少。而作為環(huán)境友好型較差的石材加工行業(yè)，在全球綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景、大趨勢下，單純的經(jīng)濟指標或者技術指標難以對金剛石工具進行全面有效的評價，因此，對石材加工企業(yè)而言，對金剛石工具進行考慮綠色、經(jīng)濟、技術三個屬性的綜合評價是及其有必要的。但由于金剛石工具評價指標沒有相對統(tǒng)一的標準，所以當前研究存在大量金剛石工具評價指標重疊、冗余的情況，因而需要對諸多評價指標進行對比篩選。基于易操作、有代表性、覆蓋面廣、針對性強的篩選原則，對篩選后的評價指標，最終建立如圖1所示的相對合理、全面的金剛石工具綠色決策評價指標體系。

圖1 金剛石工具綠色決策評價體系

2.1 綠色屬性指標

石材加工行業(yè)屬于環(huán)境友好型較差的行業(yè)，不符合現(xiàn)階段綠色可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展理念，因此，為促使石材加工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要對金剛石工具進行綠色屬性方面的評價。在石材加工過程中，出于冷卻、排屑的需求，通常伴隨有大量的水資源消耗與含泥渣污水產(chǎn)生，同時，出于鋸切工藝需要，往往向冷卻水中添加大量的化學制劑，因此，在水資源消耗和水體污染方面必須對金剛石工具進行評價。同樣的，在石材加工過程中，伴隨有大量粉塵和懸浮污染物產(chǎn)生，故而，在空氣污染方面也必須對金剛石工具進行評價。由于石材加工所用設備屬于大功率、多消耗設備，使用過程中間接產(chǎn)生大量溫室氣體，消耗大量化石燃料，且石材加工行業(yè)屬于粗放型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中的原材料非必要損耗現(xiàn)象嚴重，所以對金剛石工具進行評價必須考慮能量和礦產(chǎn)資源損耗。

基于上述現(xiàn)狀，引入全生命周期評價法（LCA）來進行金剛石工具綠色屬性的評價。根據(jù)EU Directive on Industrial Emissions[14]規(guī)定的直排污染物和European Recommendation[15]列出的環(huán)境足跡評價指標，結合石材加工過程中的環(huán)境問題，選用European Commission’s product environmental footprint guide[16]中的七個針對性指標作為金剛石工具綠色屬性評價指標。所選七個指標是：酸化潛力（AP），溫室效應潛力（GWP），水體富營養(yǎng)化潛力（WEP），可吸入無機物（RI），礦產(chǎn)資源消耗（RD），水資源消耗（WD），不可再生資源需求（PED）。

2.2 經(jīng)濟屬性指標

經(jīng)濟屬性是企業(yè)的固有屬性，對金剛石工具進行評價時，石材加工企業(yè)必然考慮其經(jīng)濟屬性方面的表現(xiàn)。由于金剛石工具在石材加工企業(yè)的采購周期很長，單次采購批量很大，單個金剛石工具的生命周期又相對較短，故而不能以單個金剛石工具的生命周期來進行經(jīng)濟屬性評價。基于此，根據(jù)Economics and Cross-media Effects[17]中的污染綜合防治經(jīng)濟學理論，結合石材加工企業(yè)的實際生產(chǎn)狀況，以月為單位對金剛石工具進行經(jīng)濟屬性評價，提出四個經(jīng)濟屬性指標：采購成本（IC），綜合月成本（TMC），月凈節(jié)約成本（NMS），回收周期（PT）。

2.3 技術屬性指標

作為花崗巖加工的直接參與者，金剛石工具的技術屬性直接決定了石材加工企業(yè)的生產(chǎn)效率與效益，同時也間接影響了石材加工企業(yè)與環(huán)境的關系，因此，在對金剛石工具進行評價時必須考慮其技術屬性。由于金剛石工具由金剛石顆粒及胎體兩部分組成，所以這兩部分自身的技術屬性直接決定金剛石工具的整體性能。但是金剛石顆粒與胎體粉末需要經(jīng)過燒結才能形成金剛石工具整體，故而不能僅以金剛石顆粒或者胎體自身的技術屬性來評價金剛石工具。基于此種情況，對金剛石工具進行技術屬性的評價需要綜合考慮金剛石顆粒、胎體以及金剛石工具整體。

目前，由于金剛石工具性質的交互性和不確定性，并沒有針對金剛石工具技術評價的標準性指標，石材加工企業(yè)更多的還是基于經(jīng)驗對金剛石工具進行評價。因為這個原因，金剛石工具的技術屬性指標存在大量冗余、重疊情況。對此，在大量閱讀相關文獻的基礎上，結合石材加工企業(yè)的經(jīng)驗，在壽命和效率兩方面針對金剛石顆粒、胎體和金剛石工具整體提出了六個技術屬性指標：金剛石顆粒抗壓強度，金剛石顆粒沖擊韌性，金剛石工具耐磨性，金剛石工具鋒利度，金剛石工具胎體硬度，金剛石工具胎體抗彎強度。

3 金剛石工具評價指標的獲取

3.1 綠色屬性

對于前一節(jié)提出的綠色屬性指標，首先建立鋸切過程能量-物料守恒圖；然后采集鋸切過程中的相關數(shù)據(jù)，形成全生命周期清單；最后將全生命周期清單導入到全生命周期評價軟件中，得到各綠色屬性指標值。

3.2 經(jīng)濟屬性

結合金剛石工具和石材加工企業(yè)的特性，對于前一節(jié)提出的經(jīng)濟屬性指標，依據(jù)白碩瑋等[18]的研究提出如下獲取方法。

（1）采購成本。采購成本PC通過查閱石材加工企業(yè)每次采購的采購單據(jù)獲得。

（2）綜合月成本。綜合月成本由月平均成本和運行與維護費用兩部分組成。月平均成本和運行與維護費用通過查閱石材加工企業(yè)的月資金流水單據(jù)獲得，綜合月成本通過式（1）進行計算。

式中，TMC—綜合月成本；AMC—月平均成本；r—折舊率；n—采購周期月數(shù)；OMC—運行與維護費用。

（3）月凈節(jié)約成本。月凈節(jié)約成本表示月避免成本與綜合月成本的差異，月避免成本表示采用備選金剛石工具與采用參考金剛石工具在成本方面的差異。通過查閱石材加工企業(yè)月資金流水單據(jù)獲得原始成本數(shù)據(jù)，通過式（2）和式（3）進行月凈節(jié)約成本和月避免成本的計算。

式中，NMS—月凈節(jié)約成本；MCS—月避免成本；I—節(jié)約成本的項目總數(shù)；ICi0—采用參考金剛石工具時第i項的月消耗量；ICi—采用備選金剛石工具時第i項的月消耗量；UPi—第i項的單位月消耗價格。

（4）回收周期。回收周期通過式（4）計算。

式中，PT—回收周期。

3.3 技術屬性

（1）金剛石顆粒抗壓強度。首先對金剛石工具進行酸洗處理[19]，獲取足量的金剛石顆粒并清洗、干燥；然后依據(jù)《GB/T 6406-2016》[20]對金剛石顆粒進行篩分，并依據(jù)《JB/T 3914-2012》[21]對金剛石顆粒進行縮分至規(guī)定重量；最后依據(jù)《JB/T 10985-2010》[22]規(guī)定方法對金剛石顆粒施加逐漸增大的壓力直至破碎，以金剛石顆粒破碎時載荷的多次測定值的算術平均值作為樣品金剛石工具的金剛石顆粒抗壓強度最終值。

（2）金剛石顆粒沖擊韌性。首先對金剛石工具進行酸洗處理，獲取足量的金剛石顆粒并清洗、干燥；然后依據(jù)《GB/T 6406-2016》對金剛石顆粒進行篩分，接著按照《JB/T 10987-2010》[23]規(guī)定方法使用金剛石顆粒沖擊韌性測定儀以一定頻率對金剛石顆粒進行鋼珠沖擊，然后再篩分。通過稱量沖擊前后未破碎金剛石顆粒質量，以式（5）計算金剛石顆粒沖擊韌性值。式中，TI—金剛石顆粒的沖擊韌性；m1—篩分后未破碎金剛石顆粒質量；m—沖擊前金剛石顆粒質量。

（3）金剛石工具耐磨性。將直徑390mm的圓鋸片鋸齒與基體主體部分切割分離。使用可拆卸連接方式將鋸齒與基體連接，如圖2所示。將不同的金剛石工具分別焊接至鋸齒上，將鋸片安裝到金剛石圓盤鋸石機上并進行鋸切試驗。通過稱量鋸切前后的鋸齒的質量獲得金剛石工具損耗量。耐磨性通過式（6）計算：

圖2 單節(jié)塊試驗原理圖

式中，Q—金剛石工具耐磨性；△S—石材累計鋸切面積；△Gm—金剛石工具損耗量。

（4）金剛石工具鋒利度。本文采用電流表征法測定金剛石工具鋒利度[24]。通過使用電質量分析儀（如圖3所示）實時采集圓鋸片鋸切時的電流，以鋸片平穩(wěn)運行時的平均電流表示金剛石工具鋒利度。

圖3 電質量分析儀

（5）金剛石工具胎體硬度。依據(jù)《GB/T 3849.1-2015》[25]，使用洛氏硬度計（圖4）對金剛石工具胎體硬度進行測定：在每個金剛石工具試樣工作面中心線上均勻取10個非金剛石顆粒點進行測定，以去除最大測定值與最小測定值的剩余8個測定值的算術平均值作為單個試樣的硬度，以單批次所有試樣硬度的平均值作為該批次金剛石工具胎體硬度的最終值。

圖4 洛氏硬度計

（6）金剛石工具胎體抗彎強度。參照《GB/T 232-2010》[26]，使用萬能試驗機（圖5）采用三點彎曲法進行金剛石工具胎體抗彎強度的測定。

圖5 萬能試驗機

將標準尺寸的金剛石工具試樣置于萬能試驗機上，逐漸加壓至試樣斷裂，根據(jù)斷裂時的載荷，按式（7）計算金剛石工具抗彎強度。

式中，σ—金剛石工具抗彎強度；P—試樣斷裂時的載荷；L—支點間距；b—試樣寬度；h—試樣高度。

4 結論

本文基于眾多學者對金剛石工具和鋸切過程進行評價的研究，提取了適合的金剛石工具評價指標。根據(jù)各指標實際意義與可操作性等因素，結合當前石材行業(yè)發(fā)展的趨勢，綜合綠色、經(jīng)濟、技術三方面屬性，剔除冗余指標，構建了無冗余且可對金剛石工具進行相對全面評價的評價體系。同時，針對提出的金剛石工具評價體系，對各指標的獲取方式進行了明確說明。該指標體系可以使石材加工企業(yè)在選擇石材加工用金剛石工具時更為科學、有效，有助于石材加工企業(yè)選擇經(jīng)濟、高效且環(huán)境友好的金剛石工具，從而達到節(jié)約成本、可持續(xù)發(fā)展的目的。