機械工業熱處理綠色發展技術研究

薛培軍，劉冬敏

(中州大學，鄭州450044)

運用恰當的方式將固態金屬或合金，進行加熱保溫和冷卻，或兼之機械、化學的作用，使金屬及其內部的組織和結構發生變化，從而使各種金屬材料獲得優良性能的工藝過程，稱為金屬材料的熱處理。在熱處理工藝過程中，零件的加熱、爐氣氛制備、淬火冷卻以及諸多化學熱處理工藝，都須消耗大量的電能或燃油、碳氫化合物和水資源，同時排放大量的有害氣體和塵埃，造成環境的嚴重污染，危及人類的生存安全。

1.熱處理生產及污染現狀

熱處理是機械制造行業消耗能源和環境污染的大戶，在世界各國日益重視環境保護形勢下，我國也把環境保護作為重要的基本國策之一，熱處理生產中節能和環保技術得到有關方面的高度重視，綠色制造技術在熱處理行業被積極推廣和應用［1］。

1.1 國際現狀

根據國際能源機構公布，2011年全世界每年向大氣排放約316億噸CO2，我國就達75億噸，占居世界第二位，SO2的排放量居世界第一位，而我國的化學需氧量(COD)也是世界第一，嚴重污染的環境受到國際社會的日益關注。

隨著經濟的發展，歐美等發達國家比較注重環境保護工作，控制著熱處理工藝過程向自動化、智能化和柔性化發展。美國為了實現能源部制訂的“美國2004年熱處理技術路線圖修訂稿”目標，完成眾多的重點研發項目，國家有關方面提供充足的研究資金，供美國金屬學會熱處理學會成立“熱處理技術研發中心”，組織企業參與研發，研究降低能耗、減少污染。我國卻沒有組建類似的“熱處理高新技術中心”和“熱加工技術中心”環保研究機構，國家發改委和科技部也沒有設立相應的專項基金，由于缺少這樣的組織和有關人才，熱處理生產技術水平和產品質量與國外先進熱處理技術相比，存在較大差距。

1.2 國內現狀

中國是世界上能源消費第二、資源消耗第一的大國。每創造1美元的GDP所消耗的能源是美國的4.3 倍、歐洲發達國家7.7 倍、日本的11.5 倍，遠高于巴西、印度等發展中國家，而工廠的“三廢”排放和環境污染也是最嚴重的國家，每年因能源利用率低造成的損失達1萬多億元。

我國現有熱處理廠點接近2萬個，熱處理加熱設備接近20萬臺，其中熱處理電加熱爐的數量占約為90%，年實際熱處理生產量為2000～2500萬噸，裝機容量1200～1500萬千瓦時，耗電總量為150～200億千瓦時，占我國機械制造業年耗電量的25%～30%。主要熱處理設備陳舊落后，總數超過1萬臺，設備利用率和負荷率不到30% 而能耗卻比美國高出40%以上，年耗能量估計近15億噸標煤。［2］改善生活環境質量，遏制環境繼續惡化的趨勢，是我國一項重大而緊迫的任務。

1.3 熱處理行業所面臨的問題

熱處理生產一方面消耗大量的能源，另一方面在生產過程中排出廢氣、廢水、廢渣等工業“三廢”和制造粉塵、噪聲、電磁輻射等，使我們的生活周圍環境、大氣、水質等遭受嚴重污染。［3］數據如表1所示。要推廣和發展綠色熱處理技術，保持經濟可持續發展，面臨以下幾個問題。

表1 熱處理過程的主要污染物及來源

1.3.1 熱處理行業技術含量低

由于經濟飛速發展，環境保護問題被各級政府和企業領導者所忽視，在熱處理技術發展和基礎研究方面投入資金不足，熱處理行業沒能夠吸引到最優秀的人才，高新技術在行業的使用不足，造成熱處理生產技術含量不高。

1.3.2 熱處理設備能耗大，資源利用率低

這在熱處理行業現狀中我們已作描述，我們的熱處理工藝單位電能耗為800kW·h/t，和歐美、日本的400kW·h/t相比要高出2倍多，而資源的利用率卻是他們的三分之一。

1.3.3 環境污染嚴重

熱處理生產過程屬于高溫作業，在生產中使用大量的氣體，進行滲碳、滲氮等化學熱處理，向空氣中排放大量的CO2、SO2、殘氨等廢氣;在清洗工件過程中，酸洗使用的硫酸、鹽酸苛性堿的揮發物及工件表面油脂的燃燒，形成大量的煙氣;機械制造廠噴砂設備每年約產生萬余噸的SiO2和Al2O3粉塵，煤燃燒粉塵都會造成粉塵污染。

1.3.4 先進熱處理設備及規?；a程度低

金屬物質在加熱過程中會發生氧化和脫碳反應，可能會燒損金屬的3%左右，發達國家采用的少無氧化加熱技術，在我國所占比重只有30%，由于很少使用先進的熱處理設備，工件在熱處理過程中燒損、脫碳造成資源浪費和人力浪費都是巨大的。［4］

2.綠色熱處理實施的路徑選擇

中國作為世界上最大的發展中國家，已確立了發展“低碳經濟”目標，實施以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，來保障經濟的可持續發展。作為經濟發展戰略，節能減排將是一項基本國策，需解決好以下問題。

2.1 加強政策法規的制定和執行

為了更好的推行機械行業的環保，首先應該完善法律、法規的建設，使行業發展有軌可循，同時加大《環境保護法》、環境《污染防治法》等法律、法規的宣傳和執法力度，做到違法必究、執法必嚴。其次是將污染防治工作納入地方各級政府部門工作考核中，充分發揮地方政府的管理和監督作用，使熱處理行業向著健康和可持續方向發展。

2.2 加強科技導向功能

由于歷史的原因，我國在熱處理行業的資金和科研的投入很有限，沒有發揮政策的導向作用。我們應當以中國熱處理學會和協會為中心，強化學會和協會在熱處理行業中的基礎研究和先進技術應用的引領作用，盡快建立中國的熱處理路線圖計劃;國家發改委和科技部等科研資金管理部門，應加大對高效、精密、節能、節材的綠色制造技術的支持，設立相關專門基金，制定及組織實施“中國熱處理路線圖”，調動廣大科技人員的積極性和創造性，吸引優秀的人才從事熱處理技術的研究，加強環境污染的治理和環保新技術的研發推廣。

2.3 開發和使用熱處理新設備

我國熱處理行業70%是用電加熱爐加熱，80%以上采用耐火磚作為保溫材料，熱利用效率非常低，對原有熱處理加熱設備的節能改造，有利于提高能源利用率和改善工作環境，如果在行業普及使用全纖維保溫材料，能夠實現行業節能10%。熱處理設備制造業的當務之急是提高新設備的開發、設計、制造水平。使用密封式爐直生式滲碳技術，可以使產品無氧化，無脫碳，且節約原料氣達91% ～94%;使用激光表面處理技術，可以提高金屬材料的耐磨性、高溫性能和表面硬度，同時可保持金屬零件較好的柔性、韌性。［4］

2.4 使用新能源和先進燃燒技術

加熱爐是熱處理最大的能耗加熱系統，傳統的加熱能源主要是電能和燃料，由于工藝落后，熱利用效率非常低，能源浪費較大，常溫常壓條件下選用氣態燃料，燃燒有較好的熱利用效率。天然氣是一種高效能源，在通常技術條件下其熱效率可達50.5%，較煤電熱效率高出近1倍。如果天然氣能源采用高溫空氣燃燒技術，其燃燒熱效率可達85%左右，為煤電熱效率的3倍左右。［5］天然氣能源應用于熱處理生產已取得巨大的經濟效益，節能顯著，環保效果良好［6］，而且氣體的燃燒比較充分，排放到空氣的有害物質大大減少，自然降低了環境的污染，數據如表2所示。另外，除了使用天然氣，水電、核電和激光等優質能源，也屬于高效低污染的資源，已在熱處理行業被推廣應用。

近年來，除高溫空氣燃燒技術，國內外研究和開發了很多的高效節能、低污染的燃燒新技術和新設備，像微小型燃燒、高紅外節能、強輻射傳熱節能、潔凈燃燒等，已在熱處理和冶金等行業得到應用，國外采用新技術所用的燃燒器和熱處理爐也已進入我國熱處理企業。這些燃燒新技術和燃燒器的應用，不僅具有高效、節能和低污染的技術優勢，而且經濟效益明顯。［7］

表2 各種燃料燃燒排除的CO2量

2.5 擴大生產專業化規模

由于歷史原因，我國的熱處理企業都屬于大而全、小而全、不協作的封閉型企業。大小是個工廠，里面均設置共用性極強的車間或班組:鑄、鍛、電鍍、熱處理、模具制造、供熱采暖、運輸等。但由于重復建設，生產任務量不足，設備的利用率極低，生產效率低下，造成能源和物資浪費，環境污染增大。

規模出效益，要解決機械行業的污染重、能耗大問題，首先要轉換觀念，放開經營思路，解決區域內鑄造、熱處理、電鍍行業的同類性質問題。20世紀80年代初，我國倡導開展專業化生產規模調整，撤銷技術條件差、產量低、能耗污染雙高的廠點，建立了專業熱處理廠和生產協作點，幾年之內專業化廠的平均電耗降低了約66%，由15000kW·h/t降低到500kW·h/t。由此可見，經過戰略性調整、組建專業規模化的生產廠，可以實現能耗、物耗、污染顯著下降，獲得明顯的經濟、環保及社會效益。［8］因此，我們建議在好的經濟發展地區設立大型工業園區，合理安排鑄造、熱處理、電鍍廠礦結構，集中管理、集中治污，擴大集約化生產規模，從根本上解決不達標排放、偷排等現象。

2.6 加強自動化控制技術使用

計算機技術融入熱處理工藝中是當今熱處理技術的一大特點，先進的傳感和控制技術，使熱處理工藝中的自動化控制技術迅速發展?，F已研制出滲氮氧探頭Oxymess、氮勢傳感器HydroNit、氣冷淬火的Heat Flux傳感器、真空滲碳碳勢傳感器、滲氮控制系統等自動化控制儀器設備，而計算機軟件也多用于熱處理環保、節能、降耗管理、跟蹤熱處理爐運行情況等，精確監控熱處理工藝過程，實現高效生產，環保節能的目標。

2.7 使用新的環保節能熱處理技術

傳統的熱處理工藝對環境的污染非常嚴重，要加以淘汰和限制使用，盡快研發在熱處理工藝過程中，主要是在熱利用、淬火和清洗環節的新技術使用。

3.熱處理新技術的發展

綠色熱處理制造技術是指符合環保要求的節能、降耗、少污染的綠色機械制造工藝，在該制造工藝模式推動下，許多提高企業經濟效益和社會效益的新技術已被研發和利用。

3.1 淬火冷卻裝備技術

水、淬火油、無機水溶性淬火劑、水基聚合物淬火劑是熱處理企業經常使用的淬火介質。水雖然應用最廣泛、最經濟、冷卻速度快，但會引起工件的變形和開裂，使工件硬度不均，畸變增大，且有腐蝕和生銹問題無法解決。在水中加熱各種無機鹽、堿等，制成的無機物水溶液淬火劑，可以改善水的冷卻性能，適應淬火冷卻的需求，但也會引起金屬工件生銹，且硝酸鹽會產生有害氣體，損害操作工人身體健康。淬火油淬火易產生油煙，會對環境造成污染。水基聚合物淬火劑具有無毒、無煙、無臭、無腐蝕、不燃燒、抗老化等特點，冷卻速度可調，適用范圍廣。

3.2 氮基氣氛熱處理技術

氮基氣氛技術廣泛用于退火、淬火、滲碳、滲氮等多種熱處理加工過程，是一種保護氣氛控制技術，可以防止工件在加熱中氧化、脫碳。在氮基氣氛滲碳或滲氮處理時，氮氣的惰性可以減少原料氣的消耗和炭黑的生成，促進和加速滲碳或滲氮，降低工件滲碳時的內氧化程度，提高工件的疲勞強度。氮基氣氛熱處理不僅氣源豐富、成本低廉，節約能源和滲劑，而且是安全無污染、適用面廣的熱處理技術，適合我國基本國情，已成為我國節能、環保型熱處理技術的一個重要發展方向。［9］

3.3 真空熱處理技術

真空熱處理是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術，將工件置于正常大氣壓以下的負壓空間的加熱方法(熱處理加熱用的最高真空度一般不超過10-5Pa)。真空加熱不僅能防止工件的氧化和脫碳，而且具有脫脂、脫氣、凈化表面和變形少的特點。除此以外，工件還可以在真空中進行低壓滲碳、滲氮等處理，為后期進行高壓氣淬做好準備，既節約了時間又獲得優良的性能，是比較理想的自動化柔性和清潔熱處理技術，優越于可控氣氛熱處理技術。［10］

3.4 感應加熱熱處理技術

感應加熱是利用電磁感應的原理，使工件表面產生渦流而被加熱。其特點是加熱速度快、易于控制，工件表面氧化和脫碳少，節約能源、污染少。

3.5 離子滲技術

離子滲技術包括離子滲氮和離子滲碳，是用帶電粒子轟擊置于低壓容器內的工件表面，在輝光放電作用下使其溫度升高，實現所需原子滲入表層的化學熱處理方法。與常規的化學熱處理相比，其特點是滲透速度快，工件變形小，熱效率高，節約能源，而且無煙霧、煙塵和廢氣污染。

3.6 金屬鍍層技術

刷鍍技術、熱噴鍍技術、離子鍍滲技術是清潔的表面強化技術。通過離子轟擊化學熱處理，表面沉積硬化，保護工件使用壽命。

3.7 激光束、電子束技術

激光束、電子束、表面技術與表面改性技術(表面淬火、重熔、涂層)是利用高能電子束對工件的表面快速加熱，實現工件表面熱處理，這種粒子輻射技術不產生煙塵等污染，屬清潔熱處理技術。

以上所分析的熱處理新技術，都有其自身的優點和缺陷。常用的真空熱處理技術運行成本高、設備投入大;淬火冷卻裝備技術中，油作為淬火介質已有上百年的歷史，不能在現實生產中被完全替代，淬火雖然可以提高工件的性能，但造成的污染是不可避免的;離子滲技術一般使用離子交換法自動化操作，難度大，投資高，需要酸堿再生，存在環境污染隱患，且在含鹽量高的區域，運行成本高。綠色熱處理是集材料、能源、環境、技術于一體的系統工程，需要不斷研究和開發新的技術，感應加熱技術和激光束技術是更加環保的技術，氣氛控制和淬火技術的結合，復合熱處理工藝(如:氮化+淬火、氮化+高頻淬火、氮碳共滲+高頻淬火、滲碳淬火+低溫滲硫、調質+硫氮共滲、整體淬火+氧氮化處理等)，更能發揮技術的優點，是未來熱處理技術的發展方向。而熱處理輔助技術也飛速發展，象熱處理數據庫、計算機控制熱處理技術和虛擬熱處理技術等，已取得了可喜的進展。更多新的綠色熱處理技術還有待于科技工作者的進一步研究和探索。

4.結束語

保護生存環境，開展降低能耗、節約資源的低碳生活是世界工業發展的大趨勢，也是我國實現可持續發展的戰略目標。國內的熱處理企業要加大綠色制造技術的研發及應用，提高企業自身的市場競爭能力，爭取在蓬勃發展的世界機械工業中占據一席之地。

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