機械工業(yè)熱處理綠色發(fā)展技術探究

卞冰　趙劍

摘 要：熱處理技術是通過加熱、保溫、冷卻等手段改變金屬晶體結(jié)構，從而改變金屬性能。傳統(tǒng)的熱處理工藝耗能高、污染重，已經(jīng)不符合我國綠色經(jīng)濟的發(fā)展要求。本文將深入探討我國熱處理工藝的現(xiàn)狀，并提出針對性的改進方案。

關鍵詞：機械工業(yè)；熱處理；綠色；節(jié)能；環(huán)保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.022

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，制造加工行業(yè)對金屬材料的需求量越來越大，熱處理行業(yè)暴露出來的問題越來越多。熱處理工藝是機械金屬加工的重要處理工序之一，旨在加強金屬強度，傳統(tǒng)熱處理技術以資源消耗、環(huán)境污染為代價提升產(chǎn)品數(shù)量，造成了人類發(fā)展與環(huán)境保護之間的失衡。綠色熱處理技術是指在保證產(chǎn)品質(zhì)量、控制制造成本的前提下，最大限度減少對環(huán)境的影響，下面將詳細闡述我國熱處理技術的現(xiàn)狀與發(fā)展途徑，并提出針對性的熱處理技術綠色發(fā)展方案。

1 熱處理技術現(xiàn)狀

改革開放以來，我國基礎工業(yè)發(fā)展迅速，但由于技術經(jīng)驗積累較少，工業(yè)基礎仍然比較薄弱。熱處理技術是金屬加工的重要工藝流程，我國已經(jīng)具備完整的金屬熱處理產(chǎn)業(yè)鏈，但現(xiàn)有的熱處理技術仍然屬于資源消耗型的發(fā)展模式，環(huán)保意識與發(fā)達國家存在較大差距。根據(jù)相關資料，上世紀70年代，歐盟成員國的熱處理電能消耗為400kW·h/t，美國的熱處理電能消耗為360kW·h/t，日本的熱處理電能消耗為300kW·h/t，21世紀初，我國熱處理電能消耗超過600kW·h/t，仍然超出了發(fā)達國家70年代的標準。進入21世紀以來，我國逐步加大了工業(yè)制造加工行業(yè)的環(huán)保投資，積極鼓勵民營企業(yè)建設環(huán)保設施，同時淘汰了一大批重度污染設備，將污染嚴重的行業(yè)遷移到偏遠地區(qū)，而熱處理行業(yè)屬于能源消耗型產(chǎn)業(yè)，因此國家不斷加大對熱處理產(chǎn)業(yè)的環(huán)保投入與扶持。

2 綠色熱處理技術的內(nèi)涵

綠色熱處理技術是綠色工業(yè)的重要環(huán)節(jié)之一，綠色熱處理技術的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在三個方面，包括工藝改善、能源節(jié)約以及清潔生產(chǎn)。熱處理技術的主要目的是提升金屬材料性能，從而節(jié)約優(yōu)質(zhì)鋼材。能源節(jié)約是指減少熱處理生產(chǎn)過程中的能源消耗，清潔生產(chǎn)是指實現(xiàn)熱處理生產(chǎn)無害化，減少污染物質(zhì)、有害物質(zhì)排放，將熱處理剩余物進行回收利用。傳統(tǒng)熱處理技術實質(zhì)上屬于能源換取資源的模式，綠色熱處理技術需要從能源與資源角度進行綜合評估，改善技術本身的環(huán)境效應。

3 熱處理技術綠色化方案

（1）工藝改善。熱處理技術的工藝改善主要體現(xiàn)在兩個方面，一是在傳統(tǒng)工藝基礎上進行優(yōu)化設計，同時將已經(jīng)成熟的節(jié)能減排技術應用到熱處理生產(chǎn)加工中，二是研究開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保技術，不再局限于傳統(tǒng)工藝流程與數(shù)據(jù)。目前，可控氣氛熱處理技術是金屬加工的主要研究方向之一，該種工藝可以在無氧狀態(tài)下脫碳，可以提高產(chǎn)品的合格率，最大限度節(jié)約能源，同時減少了熱處理生產(chǎn)中廢氣的排放。根據(jù)相關研究，可控氣氛熱處理技術可以節(jié)約3%-5%的材料，我國已經(jīng)有5%的熱處理企業(yè)在使用該技術。可控氣氛熱處理技術的應用已經(jīng)比較廣泛了，其中氮基氣氛熱處理技術是目前應用最廣泛的，氮基氣氛熱處理技術的主要成分是氮氣，同時可以根據(jù)加工需求添加有機制劑。氮基氣氛熱處理技術的主要優(yōu)點體現(xiàn)在四個方面：一是能源消耗小，與常規(guī)的吸熱式可控氣氛熱處理技術相比，氮基氣氛熱處理技術可以節(jié)能25%-85%；二是材料豐富，氮基氣氛熱處理技術的主要成分是氮氣，而空氣的主要成分是氮氣，因此氮基氣氛熱處理技術的基礎材料十分豐富，可以有效節(jié)約加工成本；三是適用性較強，氮基氣氛熱處理技術可以通過改變添加成分用于各種材料加工，包括合金、碳鋼、不銹鋼、鋁等。

（2）設備改良。熱處理技術綠色化的另一個途徑是設備改善，通過提升熱處理設備制造水平降低能源消耗。目前，我國很多企業(yè)的熱處理設備工作年限較長，部分設備甚至超出工作年限，嚴重降低了能源利用率，設備改善對熱處理技術綠色化具有重要意義。以熱處理技術中的加熱爐為例，目前，我國熱處理行業(yè)中70%企業(yè)采用了電熱爐，其中80%的電熱爐的保溫材料以耐火磚為主，耐火磚的保溫性能較差，造成的熱能散失比較嚴重，如果企業(yè)采用全纖維保溫材料，可以實現(xiàn)節(jié)能10%以上。很多企業(yè)的主要淬火介質(zhì)仍然以水為主，冷卻水加熱之后直接排放，造成水資源浪費，如果采用高效節(jié)能型空氣換熱器，可以有效減少水資源浪費。除此之外，真空熱處理設備的優(yōu)勢也十分明顯，不但可以縮減加工時間50%以上，提高了企業(yè)產(chǎn)能，而且真空熱處理設備加工的產(chǎn)品質(zhì)量較高，產(chǎn)品表面不氧化、不脫碳、零分散度，產(chǎn)品合格率超過99%。

（3）介質(zhì)替換。目前，我國熱處理技術的常用淬火介質(zhì)包括水、油、水基聚合物等，淬火時將產(chǎn)品整體浸入上述介質(zhì)中。其中，水是熱處理技術中最常用、最經(jīng)濟的淬火介質(zhì)，且介質(zhì)冷卻速度最快，但水作為介質(zhì)時，存在低溫區(qū)冷卻過快的問題，容易造成零件開裂、變形、硬度不均等問題，而且零件會出現(xiàn)生銹問題。除了常用的水冷液以外，無機水溶劑淬火劑也是比較常見的介質(zhì)，無機水溶劑淬火劑實質(zhì)上是向水中加入了各種無機鹽、堿等形成的水溶液，通過改善水的冷卻性滿足材料冷卻的需求，但溶液中的堿類物質(zhì)不易控制，容易造成工作人員灼傷。可以通過水基聚合物淬火劑替代現(xiàn)有的淬火介質(zhì)，水基聚合物淬火劑具有無毒、無臭等特性，且對材料沒有腐蝕、老化作用。水基聚合物淬火劑將是替代現(xiàn)有淬火介質(zhì)的主要選擇。

（4）熱處理輔助技術。熱處理輔助技術包括熱處理數(shù)據(jù)庫、計算機控制熱處理技術、熱處理環(huán)境協(xié)調(diào)性評估、虛擬熱處理技術以及熱處理管理技術，熱處理輔助技術實質(zhì)上是通過控制熱處理的相關指標改善熱處理過程。熱處理數(shù)據(jù)庫可以對材料成分、材料性能等數(shù)據(jù)進行設計控制；計算機控制熱處理技術包括CAD、CAM等技術，可以對熱處理工程進行優(yōu)化設計，提高熱處理技術的可靠性與穩(wěn)定性；熱處理環(huán)境協(xié)調(diào)性評估可以從資源、能源等角度管理熱處理，評估熱處理技術的可行性；虛擬熱處理技術可以對熱處理過程進行模擬，控制熱處理工藝的各個指標；熱處理管理技術是根據(jù)熱處理工程進行編輯管理，從而形成標準化的操作流程。

4 總結(jié)

熱處理技術作為工業(yè)制造加工的重要工序之一，直接關系到產(chǎn)品整體質(zhì)量，同時也是制約我國制造加工業(yè)綠色發(fā)展的主要因素。因此，我們可以從熱處理技術的工藝、設備及介質(zhì)等三方面進行改進，進而全面推進綠色熱處理技術的實施。

參考文獻：

[1]廖蘭，陳菓，熊翔，劉靜.熱處理工藝的綠色性評價模型及應用案例[J].金屬熱處理，2003（03）：59-63.

[2]趙曦，邱城.熱處理工藝綠色性評價系統(tǒng)的Matlab實現(xiàn)[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014（03）：82-84.