刘世参：再制造工程及其基本科学技术问题(组图)

演讲主题：再制造工程及其基本科学技术问题

主讲嘉宾：装备再制造技术国防科技重点实验室、装甲兵工程学院前院长、教授 刘世参

引言

建设资源节约型、环境友好型社会，发展循环经济，已成为中国可持续发展的基本国策。

2009年1月1日《中华人民共和国循环经济促进法》开始实施；

2009年12月8日温家宝总理对发展再制造产业作出重要批示；

2010年5月13日国家发改委等11个部局联名下达了《关于推进再制造产业发展的意见》。

2010年6月11日，国家发改委和中国工程院联合组织召开了《再制造技术现场经验交流会》。

国家一系列举措表明：推动再制造产业发展已成为我国产业结构调整的重要环节之一。

报告主要介绍什么是再制造？为什么再制造？如何再制造（包括关键技术和相关政策）？

1 再制造工程的内涵及特点

1.1  再制造工程的定义

再制造工程的定义

再制造工程是指以设备全寿命周期理论为指导，以废旧设备实现跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧设备的一系列技术措施或工程活动的总称。

1.2  再制造的分类

      1）恢复性再制造。主要针对达到物理寿命和经济寿命的设备，把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯，采用表面工程等先进技术进行加工，使其尺寸和性能得以恢复。

      2）改造升级性再制造。主要针对已达到技术寿命的设备，通过技术改造、局部更新，特别是通过使用新材料、新技术、新工艺等，改善和提升设备技术性能、延长设备的使用寿命、减少环境污染。

      1.3  再制造在设备全寿命周期中的位置

      传统的设备全寿命周期是“研制-使用-报废”，其物流是一个开环系统；而再制造启动了设备新的寿命周期，即“研制-使用-报废-再使用”，其物流是一个闭环系统。这是对全寿命周期理论的深化和发展。

再制造在设备全寿命周期中的位置

      1.4  再制造不同于维修

设备再制造与设备维修的主要区别

      金标准：再制造产品的性能和保质期不低于原型机新品。
      维修与再制造都是恢复设备性能的技术手段，都可对节能、环保做出贡献。

1.5  再制造的主要特点
      以报废或落后的设备为对象；以尺寸、性能恢复和技术改造为内容；再制造后性能和保修期不低于原型机新品；成本低于新品的50%；与新机制造相比节能60%；与新机制造相比节材70%；与新机制造相比环保效益突出；充分吸纳高新技术；采用正规化、规模化的生产方式

1.6  中国特色的再制造
      外国再制造广泛使用维修尺寸法和更换新品法。

中国积极开发表面技术、攻克剩余寿命评估技术，着力提升旧件利用率，对节能、节材、保护环境的贡献更大。

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2 再制造对社会可持续发展的贡献
      2.1 制造与再制造的能耗比
      据美国Argonne国家实验室统计，美国的再制造活动在节约能源方面具有十分明显的作用：
      (1) 新制造一台汽车的能耗是再制造的6倍；
      (2) 新制造一台汽车发动机的能耗是再制造的11倍；
      (3) 新制造一台汽车发电机的能耗是再制造的7倍；
      (4) 新制造汽车发动机关键零部件的能耗是再制造的2倍。

2.2 全球再制造每年对节能节材的贡献 

全球再制造每年对节能节材的贡献

2.3 零件再制造节能节材实例
      采用等离子喷涂技术对坦克行星框架进行了再制造。再制造后的行星框架成本仅为新品的10%，而材料消耗仅为1/100。经实车考核，再制造行星框架的使用寿命是新品的2倍。

再制造的节材举例（车辆行星框架）

2.4 回炉的代价

回炉的耗能与排放CO₂

3 制造商与再制造
      3.1 制造商延伸责任制
      延伸范围 – 设备的报废阶段。
      延伸责任要点：
      (1) 不对环境造成污染（必要时承担经济责任）。
      (2) 使可再利用、再制造的零件数量最大化，使需回炉的数量最小化，使需环保处理的零件数量趋零化。
      (3) 变消极的末端治理为先期的统筹治理。
      3.2 再制造是产品服务的延伸
      * 工业发达国家汽配市场中再制造品占70～90%     

* 中国重汽的产品亲人计划
      中国重汽的年销售量多年徘徊在6万辆左右。2006年重汽实行“亲人计划”，承诺所售汽车当行驶到大修公里数后，为用户优惠更换再制造发动机（价格只为新发动机的一半），既节省购置费又节省修理时间，更提高了服务质量。
      此项措施一出台，连同其他辅助措施，重汽集团当年销售量就由6万辆增加至9万辆。
      * 卡特彼勒公司把再制造列为企业的发展战略
      美国卡特彼勒公司已在美国、英国等7个国家建立了14个再制造工厂。2005年，该公司的再制造产值超过15亿美元。2005年在我国上海注册了卡特彼勒上海再制造有限公司。

      4 再制造工程的基本科学技术问题
      4.1 再制造毛坯评估及再制造设计
      再制造毛坯的测试与诊断；整机与零件的可再制造性评估；再制造方案设计及综合效益评价。
      4.2 再制造产品寿命预测
      旧零件的剩余寿命评估；再制造过程对零件使用寿命影响分析；再制造产品的使用寿命预测；再制造模拟与仿真
      4.3 零件表面损伤的治理
      治理磨损、腐蚀、碰伤、变形等缺陷，用于恢复尺寸、改善性能。
      常用表面工程技术有：粉芯焊丝堆焊技术；激光熔覆技术；热喷涂技术；电刷镀技术； 气相沉积技术；粉末冶金裂纹愈合技术；微弧等离子体堆焊及点焊技术
      4.4 零件内部损伤的治理（修复热处理）
      目标：恢复内部组织及结构，恢复抗疲劳性能，消除内应力
      要求：修复热处理的时机优化；成型零件不变形、表面不氧化；低耗能、短时间、环境友好、经济性好。
      4.5 整机性能提升技术
      通过引入新技术、新材料或嵌入新装置达到：扩展功能；延长使用寿命；提高精度；增加监控性；减少耗电、耗油；改善环境友好性  

机床驱动电机控制方式改进使耗能平均下降20 %

4.6 再制造产品的可靠性研究

再制造有利于提高产品的可靠性，改善维修性。

再制造产品的可靠性是一个变母体（非独立分布）的可靠性问题。

再制造产品可靠性研究的主要内容：变母体可靠性统计分析模型；提高再制造产品可靠性的措施

4.7 再制造产品寿命周期分析研究

再制造形成废旧产品新的寿命周期，形成了多寿命周期理论。

再制造产品的起始条件与原型机新品发生了重要变化。

再制造产品多寿命周期研究的主要内容：再制造产品寿命周期环境评价；再制造产品寿命周期费用分析

4.8 基于再制造的产品设计创新

提高产品结构的可再制造性；提高产品零件的可再制造性；为产品升级改造预留接口

5 中国再制造工程的发展

5.1  再制造产业萌生、步履艰难阶段

上世纪90年代初相继成立了：1)济南复强动力有限公司（中英合资）；2)上海大众汽车有限公司/动力再制造分厂(中德合资)；3)柏科（常熟）电机有限公司（港商独资）；4)广州市花都全球自动变速箱有限公司（侨资）等。

为取缔汽车非法拼装市场，2001年国务院307号令规定旧汽车五大总成一律回炉，切断了这些企业再制造毛坯来源。

5.2  学术研究、科研论证阶段

1). 1999年6月，徐滨士在西安召开的先进制造技术国际会议上发表了《表面工程与再制造技术》的学术论文；

2). 1999年12月，国家自然科学基金委批准《再制造工程技术及理论研究》为机械学科发展前沿与优先发展领域；

3). 2000年12月，徐滨士领衔完成了中国工程院咨询报告《绿色再制造工程在我国应用的前景》；

4). 2003年6月，装备再制造技术国防科技重点实验室建成；

5). 2003年8月，国家中长期科学与技术发展规划中将“机械设备的自修复与再制造”列为制造业发展科学问题研究中的19项关键技术之一；

6). 2003年12月，徐滨士领衔完成中国工程院咨询报告《废旧机电产品资源化》；

7). 2006年12月，中国工程院咨询报告《建设节约型社会战略研究》中把机电产品回收利用与再制造列为建设节约型社会17项重点工程之一。

这些论证，为政府决策提供了科学依据。

5.4 人大颁布法律、政府全力推进阶段

1). 2005年7月，国务院21、22号文件均明确指出国家“支持废旧机电产品再制造”；

2). 2005年11月，国家六部委联合颁布第一批循环经济示范试点项目和单位，济南复强动力有限公司的发动机再制造被列为循环经济试点的重点领域；

3). 2008年3月，国家发改委批准将汽车零部件再制造产业试点工作扩大为14家（包括了一汽、上汽、重汽、东风、奇瑞及解放军某军工厂）；

4).《中华人民共和国循环经济促进法》于2009年1月正式生效。该法在第2、第40及第56条中六处阐述再制造，标志着再制造已进入国家法律。该法第40条指出：“国家支持企业开展机动车零部件、工程机械、机床等产品的再制造。”

5).温家宝总理对再制造作出重要批示

中国工程院根据全国再制造调研结果，由徐匡迪院长和徐滨士院士署名向国务院上报了《我国再制造产业发展现状与对策建议的报告》。2009年12月8日，中共中央政治局常委、国务院总理温家宝对该报告作出重要批示：“再制造产业非常重要。它不仅关系循环经济的发展，而且关系扩大内需（如家电、汽车以旧换新）和环境保护。再制造产业链条长，涉及政策、法规、标准、技术和组织，是一项比较复杂的系统工程。

6).国家发改委等11部门发文推进再制造

2010年5月，国家发改委、科技部、工信部、公安部、财政部、商务部等11个部委联合下发《关于推进再制造产业发展的意见》，指导全国加快再制造的产业发展，并将再制造产业作为国家新的经济增长点予以培育。

5.5 再制造产业的管理及相关政策

制定再制造产品的质量标准及规范；完善再制造产品的标识及管理；实施再制造企业及产品认证；构建旧品的回收及再制造品的销售体系；汽车零部件再制造企业应获得原车制造企业授权；国家发改委、工信部、科技部经常发布有经费支持的再制造相关项目；颁布《再制造产品目录》，对列入目录的产品给予税收优惠、信贷支持

6 再制造实例

6.1 美国再制造产业

美国1996年再制造企业73000家，年产值530亿美元，与制药业、计算机业和钢铁业的产值相当；再制造直接就业人员48万，明显多于其它产业。其中汽车再制造公司数超过5万家，年销售总额365亿美元，总雇员33万人。

美国四大产业的产值对比

美国四大产业的就业人数对比

6.2 汽车发动机再制造

汽车发动机再制造

电刷镀技术再制造发动机连杆：在自动化专机上应用电刷镀技术再制造发动机连杆，镀层厚度0.15mm，一次刷镀4~6件。耗材是零件本体重量的2%，费用是该零件新品价格的1/10。

      高速电弧喷涂技术再制造曲轴
      高速电弧喷涂是在普通电弧喷涂枪的基础上，通过特殊设计的高压气体喷嘴产生的超音速气流将熔化的金属材料雾化成微滴，并高速沉积到工件表面形成致密涂层的表面工程技术。喷涂铁基熔滴速度在喷枪出口附近由传统喷涂的100m/s，提高到250m/s，结合强度平均提高约10MPa。该技术具有优质、高效、低成本的特点，与操作机或机器人相结合的自动化高速电弧喷涂技术进一步提升了该技术的性能，可实现零件的快速自动化维修/再制造。目前，高速电弧喷涂技术广泛应用于钢结构的长效防腐、锅炉管道的高温冲蚀与热腐蚀防护、机械零部件的尺寸恢复与磨损防护等领域 。

      高速电弧喷涂再制造发动机曲轴箱体
      采用自动化高速电弧喷涂技术再制造发动机曲轴箱轴承座，涂层厚度0.6mm。单件喷涂时间由手工操作1.5h缩短为20min。耗材小于箱体重量的0.5%，费用小于箱体价格的1/10。

6.3 冶金设备再制造
      堆焊技术再制造辊类零件
      堆焊是表面工程技术的一个重要分支。堆焊是一种历史悠久，而又非常实用的技术。堆焊的显著特点是堆焊层与母体材料冶金结合，高温、重载服役条件下剥落倾向小，而且可根据服役性能和生产条件在很宽的范围内选择堆焊方法和堆焊材料。堆焊已广泛用于钢铁工业的轧辗、能源领域的加氢反应器、热壁交换炉以及矿山机械和各类阀门中。堆焊不仅是一种零件的修复、再制造手段，而且已成为诸多新品制造中不可缺少的环节。堆焊在提高零件的使用寿命以及节能、节材方面发挥着重要作用。

超音速火焰喷涂用于冷轧张力辊的复合制造与再制造

      超音速火焰喷涂（简称HVOF）是利用可燃气体在氧气助燃下释放的化学能为热源，燃气在特殊结构的喷涂枪中形成超音速焰流使喷涂粉末以熔融状态高速撞击到工件表面制备出喷涂层。超音速火焰喷涂的特点：具有高的喷涂粒子速度和相对较低的温度，特别适合于喷涂WC等金属陶瓷材料；喷涂层的压应力结构有利于制备较厚的涂层；喷涂效率高，燃气价格较低，经济性好。
      超音速火焰喷涂已用于冷轧张力辊新品的复合制造和旧品的再制造。下图中张力辊的母材是Q345B，过去辊表面镀铬，现在用超音速火焰喷涂制备WC涂层后，使用寿命提高3～4倍，环保效果显著。   

      6.4  石化电力设备再制造
      激光熔覆加等离子喷涂对烟气轮机叶片再制造
      炼油厂烟气轮机叶片工况条件恶劣，承受腐蚀气体和多种硬质颗粒的冲蚀，损伤严重。采用复合表面工程技术先通过激光熔覆恢复叶片几何尺寸和力学性能，再用等离子喷涂提高叶片的表面性能，可使再制造后的叶片使用寿命超过原型新品。

二级动叶片激光熔覆过程

6.5 机床再制造
      装备再制造技术国防科技重点实验室利用纳米电刷镀等加工技术和数控化控制等信息技术，将上世纪六、七十年代设备我军部队的老旧机床升级再制造为数控化机床，提高了加工精度、降低了材料和能源的消耗。目前已在7个军区的坦克修理大队、15个师属修理营和海、空、二炮等修理部队推广应用，现已再制造机床120余台。
      重庆机床厂从2006年至今已再制造机床500余台，销售收入1500余万元，盘活存量资产3000多万元。

结束语
      （1）地下矿石百年后将被采尽，金属资源都将转移到地面上，形成了“都市矿山”，实施再制造是废旧机电产品资源化的首选途径。
      （2）再制造工程是在不改变设备（零部件）形状和本体材质的情况下，充分采用先进技术使设备（零部件）性能恢复到新品甚至超过新品的先进制造技术，是绿色制造的组成部分。
      （3）中国再制造的特色在于积极开发表面技术、攻克零件剩余寿命评估难题，着力提高旧件利用率，使之对循环经济的贡献更大。

（4）再制造的基本科学技术问题包括毛坯的再制造性评估及设计、再制造产品寿命预测、零件表面/内部损伤的治理、再制造毛坯的性能提升技术、再制造产品的可靠性研究、再制造产品寿命周期分析研究以及基于再制造的产品设计创新。
      （5）当前发展再制造产业的形势非常好。再制造是潜在的巨人，再制造产业是朝阳产业，有广阔的发展前途。再制造为企业的发展提供了新的途径，为科技人员提供了施展才能的新课题。

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