淺析熱處理節(jié)能與環(huán)保技術(shù)

張宏生　王瑩

摘 要：本文對(duì)熱處理工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，介紹了熱處理工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了熱處理工藝節(jié)能與環(huán)保的途徑。

關(guān)鍵詞：熱處理；節(jié)能；環(huán)保

1 熱處理工藝簡(jiǎn)介

熱處理是指材料處在固體狀態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，進(jìn)而改變材料表面或者內(nèi)部的化學(xué)成分與組織，從而獲得所需性能的工藝。機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展水平影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)。因此，世界各國(guó)重視機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展。熱處理技術(shù)是機(jī)械制造行業(yè)的重要環(huán)節(jié)，是集材料、制造、信息等科學(xué)于一體的綜合性、邊緣科學(xué)技術(shù)。熱處理技術(shù)可以保證機(jī)械零件內(nèi)在質(zhì)量，充分發(fā)揮材料潛力，進(jìn)而提高零部件可靠性、服役壽命，達(dá)到節(jié)能、節(jié)材的效果，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

2 熱處理工藝發(fā)展現(xiàn)狀

熱處理行業(yè)存在耗能和環(huán)境污染問題，節(jié)能減排的壓力巨大。我國(guó)的熱處理行業(yè)存在著如下問題：

2.1 熱處理工藝過程裝備落后

中國(guó)熱處理企業(yè)存在很多問題，包括加熱爐爐齡很長(zhǎng)、采用的工藝裝備陳舊、設(shè)備老化、能耗很高等問題。低污染、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的設(shè)備占現(xiàn)有的熱處理設(shè)備的比例很低。西方發(fā)達(dá)國(guó)家采用的熱處理工藝正在朝著智能化、柔性化以及自動(dòng)化的方向發(fā)展，相比之下，中國(guó)的企業(yè)存在較大的差距。我國(guó)的熱處理的產(chǎn)業(yè)化、社會(huì)化以及規(guī)模生產(chǎn)還未形成，所以生產(chǎn)效率低，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差之甚遠(yuǎn)，僅為美國(guó)的1/26，設(shè)備的利用率與負(fù)荷率還不到30%，但是能耗相比美國(guó)要高出40%，造成的環(huán)境的污染嚴(yán)重。

2.2 熱處理消耗能源高

鋼件在奧氏體化過程中溫度要求處在900～1100℃之間，鋁合金要求處在500℃，所以熱處理過程消耗能源很高。熱處理的用電量可以達(dá)到企業(yè)總用電總量的25%～30%。中國(guó)熱處理專業(yè)廠、設(shè)備制造廠、工藝材料生產(chǎn)廠以及主機(jī)廠的熱處理分廠、車間大約為1600家，總的員工為38萬人，中國(guó)熱處理加熱設(shè)備15萬臺(tái)，目前正在服役的熱處理加熱設(shè)備中，電爐所占的比例很大，每年的耗電量1.1×109 kW·h。如果單臺(tái)設(shè)備的平均生產(chǎn)率為100 kg/h，按平均每天12小時(shí)計(jì)算，其年生產(chǎn)能力為4.5×107t。如果考慮加熱設(shè)備的平均利用率可以達(dá)到30%，那么這些設(shè)備的每年的生產(chǎn)量可以達(dá)到1.35×107t，則消耗電能的總量可以達(dá)到9.9×109kW·h。現(xiàn)國(guó)際上以熱處理平均單位電耗（kW·h/t）作為參考：我國(guó)733，歐美400，日本300，由此判斷我國(guó)熱處理行業(yè)能源浪費(fèi)現(xiàn)象較發(fā)達(dá)國(guó)家較大，存在很大的節(jié)能空間。

2.3 熱處理工藝過程造成的環(huán)境污染嚴(yán)重

熱處理企業(yè)給環(huán)境造成極為嚴(yán)重的污染，污染形式包括水、空氣、輻射、固體廢棄物及噪聲等形式。整個(gè)行業(yè)每年存在大量淬火油產(chǎn)生蒸發(fā)或者局部燃燒，生成大量的CmHn、CO及煙塵等污染物；其排放不當(dāng)可能導(dǎo)致水源污染；燃煤加熱爐排放SO2是酸雨的罪魁禍?zhǔn)祝a(chǎn)生的灰分給環(huán)境造成嚴(yán)重污染；噴砂機(jī)要產(chǎn)生SiO2和有害粉塵量十分驚人。近年來，由于企業(yè)向郊區(qū)移動(dòng)，污染也從城市向農(nóng)村轉(zhuǎn)移。先進(jìn)的制造技術(shù)使產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力得到保證，機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量好壞取決于熱處理技術(shù)的先進(jìn)程度。當(dāng)今中國(guó)機(jī)械產(chǎn)品與世界先進(jìn)水平存在20年的差距，其工藝裝備與技術(shù)水平落后，行業(yè)里對(duì)加強(qiáng)熱處理工藝的節(jié)能和環(huán)保達(dá)成了共識(shí)。

3 熱處理工藝過程節(jié)能和環(huán)保的途徑

3.1 新能源和先進(jìn)燃燒技術(shù)

熱處理的能源由電能或者燃料充當(dāng)。用何種燃料要根據(jù)實(shí)際條件決定，具體體現(xiàn)在生產(chǎn)成本，操作與控制方面的難易程度、設(shè)備的可靠性、能源方面供應(yīng)條件、熱處理工藝方面的特性及對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響等綜合因素。天燃?xì)鉄嵝誓軌蜻_(dá)到50%，是煤電的熱效率的2倍。熱處理爐除了采用直接燃燒能夠獲得30%的熱效率，此外煙道氣產(chǎn)生的廢熱用于預(yù)熱燃燒，加上其他加熱亮利用，可以使設(shè)備的絕對(duì)熱利用率達(dá)到80%以上。天然氣能源具有節(jié)能和環(huán)保雙重優(yōu)勢(shì)。天然氣應(yīng)用在熱處理設(shè)備生產(chǎn)工藝上取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能和環(huán)保效果良好。國(guó)內(nèi)外科研單位研究開發(fā)的其他具有高效節(jié)能并且污染低的新技術(shù)主要包括：微小型燃燒、高紅外節(jié)能、燃?xì)饧t外線輻射器、強(qiáng)輻射傳熱節(jié)能、潔凈燃燒等技術(shù)，并且已經(jīng)在熱處理行業(yè)中獲得了應(yīng)用。

3.2 節(jié)能、環(huán)保的熱處理新技術(shù)

3.2.1 氮基氣氛熱處理技術(shù)

氮基氣氛用于退火、淬火、滲碳、滲氮等工藝，可以用來防止工件在加熱過程中氧化、脫碳現(xiàn)象。在氮基氣氛用于滲碳或滲氮處理過程中，氮?dú)饪梢员ＷC原料氣消耗減少，促使炭黑的生成量減少。氮基氣氛可以促進(jìn)、加速滲碳或者滲氮過程，并且降低工件在滲碳時(shí)的內(nèi)氧化程度，同時(shí)能夠提高工件的疲勞強(qiáng)度，這種工藝節(jié)約能源和滲劑并且具有安全無污染、氣源豐富、成本低廉和適用面廣等特點(diǎn)，符合我國(guó)國(guó)情，是我國(guó)熱處理技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

3.2.2 真空熱處理技術(shù)

真空加熱的原理是將工件放置于真空的加熱方法。熱處理加熱規(guī)定的最高真空度不能超過10-5Pa。采用真空加熱可以用于防止工件的脫碳、氧化以及元素貧化，同時(shí)具有脫脂、脫氣、凈化表面和變形少等特點(diǎn)。工件可以在具有真空的條件中進(jìn)行低壓滲氮、滲碳等表面處理，采用在真空碳氮或者滲碳共滲以后進(jìn)行高壓氣淬的方法，可以縮短工期的目的，這時(shí)還能獲得優(yōu)良的性能，行業(yè)認(rèn)為是比較理想的自動(dòng)化、柔性化和清潔熱處理技術(shù)。現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)模具、汽車零件等熱處理工藝。發(fā)達(dá)國(guó)家的當(dāng)今的真空熱處理設(shè)備占其熱處理設(shè)備總量的比例為15%-20%，而我國(guó)則小于5%。

3.2.3 離子滲技術(shù)

離子滲技術(shù)具體包括離子滲氮和離子滲碳兩種，其技術(shù)原理是在放電過程的作用下，利用帶電粒子去轟擊放置于低壓容器內(nèi)的工件表面，達(dá)到使其溫度升高、原子滲入表層的目的。與化學(xué)熱處理相比較，此種工藝過程的特點(diǎn)是滲速快、節(jié)約能源、工件變形小、熱效率高，而且不會(huì)產(chǎn)生煙霧和廢氣污染。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)中，熱處理工藝需要走社會(huì)化和專業(yè)化的道路，運(yùn)用材料科學(xué)工程，替換傳統(tǒng)的材料，運(yùn)用新材料，運(yùn)用高新的工藝技術(shù)，研發(fā)新型設(shè)備。轉(zhuǎn)變觀念、增強(qiáng)環(huán)保與節(jié)能的管理是我國(guó)今后熱處理行業(yè)的發(fā)展方向之一。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張宏生（1983-），男，遼寧葫蘆島人，助理工程師。endprint