建筑鋼結構金屬材料熱處理的研究

劉和國

（中國五礦二十三冶建設集團公司，湖南 長沙 410015）

在當今時代，技術與工藝都在不斷進步，金屬材料越來越廣泛地被運用到生產生活中，其中一個很重要的運用領域就是建筑的鋼結構。但是，在實際施工中，很多時候金屬材料是不能直接使用的，需要在材料的基礎上進行加工處理，才能運用到施工中，或者進入下一個加工階段。在這些加工處理工序中，金屬材料熱處理是一個很重要的方面，在對金屬的加工中運用廣泛，并已經應用于生產活動。金屬材料的熱處理不僅對生產起著重要作用，同時也涉及到節能環保等諸多領域。所以，對建筑鋼結構的金屬材料的熱處理，是很有研究價值與研究必要的。

1 建筑鋼結構金屬材料熱處理

1.1 金屬材料熱處理的概念

金屬材料熱處理是指將金屬制成的工件放入某種介質中，對其加熱，直至適宜的溫度，在保持這種溫度一段時間以后，再以不同的速度置入不同的介質，對工件進行冷卻。這樣，金屬材料表面或內部的顯微組織結構就會發生改變，從而使金屬工件表現出不同的性能。

1.2 金屬材料熱處理的分類及特點

金屬材料熱處理工藝根據處理方法的不同，大體可分為3類，分別是表面熱處理、整體熱處理和化學熱處理。而每一類方法又在介質、溫度和冷卻方法上有所不同，因此可區分為若干小類。采用不同的熱處理工藝對同一種金屬進行加工，可以使金屬材料呈現出不同的組織結構，進而有不同的性能。在建筑鋼結構方面，鋼鐵的應用自然是最為廣泛地，而鋼鐵的顯微組織也最為復雜，相應的處理工藝的種類也最為繁多。

金屬熱處理與其他加工工藝相比，主要是通過改變材料的內部組織或表面的化學成分，對材料的性能進行改變，一般不會對工件的形狀以及材料本身的化學成分造成改變。這樣的處理能夠改善工件的內在質量，因此具有其特殊性，需要嚴格監管。

1.3 金屬材料熱處理的加工過程

金屬材料熱處理工藝的過程一般包括加熱、保溫、冷卻3個階段，有時不需要保溫。這些環節是環環相扣的。

加熱在金屬材料的熱處理中是非常重要的工序之一，對金屬材料進行加熱的方法很多，最初的熱源是煤和木柴，現代多采用氣體和液體燃料。利用電力可以對加熱進行準確的控制，并且不會產生環境污染。利用這些熱源，可以直接對金屬材料進行加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。

在對金屬進行加熱時，金屬材料暴露在空氣當中，很容易被空氣氧化、脫碳（即鋼鐵零件表面碳含量降低）。這樣的情況對金屬材料熱處理后的性能會造成不良影響。因此，金屬材料應該在可控環境或保護環境中、熔融鹽中和真空中加熱，也可以用涂料或包裝的方法進行保護加熱。

加熱時，對溫度的控制是熱處理工藝中極為關鍵的環節。對加熱溫度進行選擇并加以控制，對保證熱處理質量有著至關重要的意義。由于需要處理的金屬材料不同、需要達到的加工目的不同，所需要的加工溫度也有所不同。一般情況下，需要加熱到一定的溫度以上，以此獲得性能的變化。由于性能的變化需要一定的時間，因此還需要將高溫保持一定的時間，以此保證金屬材料內外溫度的一致，獲得性能的完全轉變，這段時間被稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。

在金屬材料熱處理的加工過程中，冷卻也是必不可少的環節。冷卻的方法有很多種，主要因工藝的不同而不同。在這一環節中，主要需控制的是冷卻的速度。一般情況下，正火的冷卻速度比較快，退火的冷卻速度比較慢。材料本身的不同也對冷卻速度有著不同的要求，這就需要在實際加工過程中進行有效的控制。

1.4 金屬材料熱處理對建筑鋼結構的作用

建筑鋼結構對部件性能的要求很嚴格，而且因部件不同、作用不同而有著不同的要求。因此，部件的性能需要得到嚴格的掌控。在這一點上，金屬材料的熱處理顯得尤為重要。對不同材質進行不同的加工，可以滿足建筑鋼結構的大部分要求。

2 金屬材料熱處理節能新技術的發展研究

2.1 節能新技術的工藝特點

要想對一項新技術進行研究，我們首先需要知道的就是這項技術的特點，從而確定是否有必要研究這項工藝。金屬的熱處理與其他一般工藝相比，并不對材料的形狀和成分造成較大的改變，而是從微觀的角度改變金屬材料或金屬工件的內部細微結構，或是對金屬材料或金屬工件的表面進行改變，以實現要求達到的使用性能。在金屬材料熱處理的特點中，這一點是非常特別的。

在很多建筑物的鋼結構中，金屬材料或金屬工件的形狀與化學成分是不能改變的，但是卻對金屬材料或金屬工件在力學與化學方面的性能有著非常高的要求。其中，鋼鐵就是一個很好的例子，鋼鐵的顯微結構很復雜，但是在經過熱處理的加工后，鋼鐵各方面的性能都能達到施工的要求標準。

2.2.1 熱處理的主要污染物

任何工藝在實際的使用過程中，都很難或不可能達到盡善盡美，總會有著這樣那樣的小的瑕疵。這些瑕疵有的無傷大雅，有的則會造成嚴重的后果。在對金屬材料和金屬工件進行熱處理的過程中，不可避免地會產生污染。這些污染物的表現形式有很多，處理的難度也各不相同。一般來說，在對金屬進行熱處理時，會產生空氣污染、水污染、噪聲污染和電磁污染等。其中，噪聲污染和電磁污染很容易得到有效的處理和避免，可以安裝噪聲消除裝置和電磁屏蔽裝置。在金屬熱處理的工序中，淬火工序會產生有機物和化學物品都會產生不同程度的水污染或空氣污染。加快金屬材料熱處理新技術的應用的同時，也必須注意在整個過程中所造成的環境污染。

2.2.2 我國金屬材料熱處理節能環保的現狀

改革開放以來，我國各個領域的科學技術都得到了飛速的發展，我國的國民經濟也一直在穩步提升。金屬材料熱處理在各個領域的應用越來越廣泛，其優越的性能控制在生產生活當中的作用越來越明顯。但是，隨之而來的各種負面影響也越來越明顯，而且并未得到應有的重視。從當前的角度來說，金屬材料熱處理技術的主要問題在于對研究和實際應用中所投入的資金嚴重不足；從事金屬材料熱處理技術研究的科研人員較少；我國從事金屬材料熱處理的公司多為封閉經營，使得金屬材料熱處理技術的推廣與交流受到了嚴重阻礙。

3 新技術新能源實現熱處理節能

3.1 新能源實現熱處理節能

當前，我國仍然以燃燒燃料作為金屬材料熱處理的主要方式，并且在短期內很難改變。所以，在加工過程中，應多使用清潔能源，以新能源、清潔能源代替舊有的低效高污染能源。

由于受到發熱原理的制約造成煤電的熱效率不足30%，而相較于煤電的天然氣發熱效率為80%左右，因此來說，合理運用新能源，是提高金屬材料熱處理的一種有效方式。

3.2 新技術實現熱處理節能

對于新技術來說，電子束加熱的能耗最低，據相關統計，統計結果如圖1所示。

圖1

從圖1中可以發現，電子束加熱的能耗和感應加熱能耗最低，在我國感應加熱的節能，雖然種類繁多，但是效果非常低，因此尚未使用。我們可以在技術上對加熱設備進行改良，采用加熱型設備。

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