建筑鋼結構熱處理技術

＊邱志強

（中國水利水電夾江水工機械有限公司 四川 614100）

熱處理技術作為調控鋼材性能的重要手段之一，通過改變材料的結構和性能，滿足建筑鋼結構在不同工程環境下的特定要求。本文將深入探討建筑鋼結構熱處理技術的發展、應用和相關挑戰，旨在為建筑行業中熱處理技術的進一步研究和應用提供參考。

1.熱處理技術概述

（1）熱處理技術簡介。熱處理技術是一種金屬加工工藝，它通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能。在金屬制造過程中，熱處理是一種重要的加工方法，它可以改變金屬材料的內部顯微組織或表面化學成分，從而賦予或改善金屬的使用性能。熱處理的過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段，這些階段相互銜接，不可間斷。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織[1]。

（2）熱處理技術特點。熱處理技術需要使用專業的加熱設備、冷卻設備等，同時需要嚴格控制工藝參數，因此需要專業的技術人員進行操作和管理。具體而言，熱處理技術特點如下：第一，溫度控制精確。熱處理過程需要對金屬材料進行加熱和冷卻，要求溫

度控制精確，以確保達到預定的組織和性能要求。通常通過加熱爐和冷卻設備來控制溫度，確保材料在特定溫度范圍內進行熱處理。第二，時間控制可調。熱處理技術的時間控制可調，根據不同的材料和要求，可以進行不同的時間處理，以達到最佳的處理效果。第三，過程可控性強。熱處理過程需要對金屬材料進行加熱、保溫和冷卻，這些操作可以通過控制加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等參數來實現，過程可控性強。第四，適用范圍廣。熱處理技術適用于各種金屬材料，如鋼鐵、鋁合金、銅合金等，同時也可以用于非金屬材料如高分子材料和陶瓷材料的處理。第五，對環境影響小。與機械加工等工藝相比，熱處理技術對環境的影響較小，因為它不需要使用大量的切削液、磨削液等液體，對環境友好[2]。

2.建筑鋼結構中金屬材料的熱處理

(1)金屬材料熱處理分類

金屬材料在建筑鋼結構中的熱處理過程旨在通過加熱工件，保持一定溫度并進行適當冷卻，從而改變金屬材料的表面或內部顯微組織結構，以實現不同的性能特性，過程主要涉及三種不同的熱處理方法：整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理。

①整體熱處理

在建筑鋼結構中，金屬材料扮演著至關重要的角色，而整體熱處理則是優化這些材料性能的核心工藝。這種處理方法著眼于金屬工件的整體，通過精確控制加熱和冷卻過程，以達到所需的力學性能。整體熱處理是將整個金屬工件加熱，然后以適當速度冷卻，以改變其整體力學性能的工藝。在建筑機械中，這種處理常用的方法包括退火、正火、淬火、回火等。退火通過加熱至臨界溫度以上，然后慢速冷卻，以軟化金屬并改善其韌性；正火將金屬加熱至適當溫度，然后在空氣中冷卻，以提高其硬度和強度；淬火將金屬加熱至臨界溫度以上，然后迅速冷卻，通常在水或油中，以獲得高強度但可能較脆的材料；回火在正火或淬火后，重新加熱金屬并適度冷卻，以減少脆性并提高韌性[3]。

②表面熱處理

在建筑鋼結構中，表面熱處理針對建筑鋼結構中金屬材料表面的熱處理方法，通過對表層加熱和控制冷卻來改變金屬材料表面的物理和機械性能，同時確保內部結構基本不受影響。表面熱處理過程對于熱源的使用和控制有著高度要求，以確保只有材料表層經歷加熱，而不對整體結構產生重大影響。因此，表面熱處理需要仔細控制加熱區域，通常使用局部加熱方法，如火焰加熱、電阻加熱或感應加熱，將熱量集中于特定區域，僅影響到需要處理的表面層。同時，確保加熱的溫度和持續時間都嚴格控制在特定范圍內，防止熱量滲透到材料內部，僅使表面發生所需變化而不影響整體性能。

③化學熱處理

在建筑鋼結構中，化學熱處理是指通過改變表面的化學成分、性質及微觀結構，達到調節材料性能的目的。與表面熱處理不同，化學熱處理專注于改變金屬工件表層的化學特性，而不僅僅是力學性能。在化學熱處理過程中，通過在特定環境條件下使用化學物質（例如溶液、氣體等），使工件表層發生化學反應，包括氮化、氧化、碳化、氫處理等過程。對于不同的化學熱處理，需要嚴格控制處理條件，例如溫度、浸泡時間、處理介質的化學成分和濃度等，這些因素直接影響工件表面的化學變化。完成化學處理后，通常需要進行后續的清洗、中和或其他后處理工序，以確保從工件表面去除殘留的化學物質，同時防止不良的化學反應對工件的影響[4]。

(2)金屬材料熱處理加工

在建筑鋼結構中，金屬材料的熱處理加工具有其特殊性。金屬材料的熱處理不僅影響其基本力學性能，而且對其耐腐蝕性、尺寸穩定性及與建筑鋼結構的整體匹配性都有重要影響。首先，對于建筑鋼結構中的金屬材料，加熱階段是熱處理過程中的關鍵。由于建筑鋼結構通常需要承受巨大的載荷和復雜的外部環境條件，因此對金屬材料的性能要求更加嚴格。在加熱過程中，必須精確控制溫度，以確保金屬材料達到最佳的力學性能。同時，為了避免氧化和脫碳等不良影響，加熱過程需要在可控的環境中進行，如在保護氣氛、熔融鹽或真空中進行，以保持材料表面的化學成分和性能。其次，保溫階段也是建筑鋼結構中金屬材料熱處理加工的重要環節。保溫時間的長短直接影響到金屬材料的內部結構變化和力學性能的優化。因此，需要根據金屬材料的種類、尺寸和熱處理目的來確定合適的保溫時間。最后，冷卻階段是熱處理的最后一步，也是決定金屬材料最終性能的關鍵環節。不同的冷卻方法會對金屬材料的內部結構產生不同的影響，從而影響其力學性能和耐腐蝕性。因此，在建筑鋼結構中，需要根據金屬材料的種類和熱處理目的選擇合適的冷卻方法，以確保其滿足建筑結構的安全性和耐久性要求。

3.建筑鋼結構中金屬材料的熱處理技術研究

對于新技術的探索和研究，必須先確認其應用特點和前景，以便確定該技術是否有繼續深入開發的價值。金屬材料的熱處理工藝相較于其他一般工藝，一般不存在宏觀層面的變化，即材料形狀和成分的改變，而是以微觀層面的調整，或者說是對金屬材料的材質微觀結構進行微調，從而達到所需的性能。這是金屬材料熱處理的顯著特性之一。在建筑鋼結構的制造過程中，金屬材料或工件的形狀和化學成分通常固定不變，但對于其力學和化學性能卻有著嚴格的要求[5]。熱處理技術的運用，能夠通過對金屬材料內部結構的調整和優化，使其獲得更高的強度、硬度及耐腐蝕性等特性，從而滿足建筑鋼結構制造過程中的性能需求。

例如，鋼鐵是其中一個重要的例子，其顯微結構非常復雜，但通過熱處理工藝加工后，鋼鐵的各項性能通常能夠達到施工所需的標準要求。因此，研究金屬材料的熱處理技術對于滿足建筑領域對材料性能的要求至關重要。盡管這項技術并不直接改變材料的形狀和成分，但可以通過微觀結構調整和表面處理等手段，有效地提升材料的力學性能、耐久性和適應性，以滿足建筑工程的特殊需求。

(1)節能技術

①金屬材料熱處理節能技術現狀

近年來，我國科技在多個領域范圍內呈現出蓬勃發展的良好態勢，國民經濟增長也處于世界前列。金屬材料熱處理作為一種在制造業廣泛應用的技術，在國家經濟體系中的分量也十分重要，尤其是對材料的優化作用，對于制造業的影響是顯而易見的。但是，隨著其應用范圍的擴大，金屬材料熱處理的負面影響也不可避免的增長，但社會沒有對其展現出應有的關注。目前，金屬材料熱處理技術所面臨的主要問題包括以下幾個方面：第一，資金投入不足。金屬材料熱處理技術的研究和實際應用所投入的資金嚴重不足，導致技術研發的滯后和創新能力的受限，限制技術的進步和發展。第二，科研人員稀缺。從事金屬材料熱處理技術研究的科研人員數量較少。由于人才的短缺，限制對該技術的深入研究和創新，影響技術的提升和應用。第三，封閉經營限制技術交流。我國從事金屬材料熱處理的企業多為封閉經營，導致技術推廣和交流受到了限制和阻礙，缺乏開放的平臺和渠道，阻礙了技術的分享和合作。這些問題的存在嚴重制約了金屬材料熱處理技術的發展和應用。解決這些問題需要增加資金投入，鼓勵科研人員參與相關領域的研究和創新，同時提倡企業間的技術交流與合作，促進行業內部技術共享和發展。通過加強投入、培育人才、推動開放合作，可以更好地推動金屬材料熱處理技術的發展，提高其在各個領域的應用水平和效益。

②熱處理過程中產生的主要污染物

在金屬材料的熱處理技術研究中，尤其是在節能技術方面，關注的一個重要議題是熱處理過程中產生的主要污染物。在實際的生產使用過程中，各種工藝難免會存在一些小的瑕疵，而這些瑕疵可能會對環境和健康造成不同程度的影響。熱處理過程中產生的污染物是其中一個重要的考量因素，它們的表現形式和處理難度各異。污染類型主要包括：A.空氣污染。熱處理過程中可能產生氣體排放，如煙塵、氣味和有害氣體，對空氣質量造成影響。B.水污染。淬火工序通常會產生有機物和化學物質，可能導致不同程度的水污染。C.噪聲污染。熱處理過程中可能伴隨著噪音產生，影響周邊環境和人員健康。D.電磁污染。與電磁設備的使用有關，可能對周圍環境產生影響。

污染物處理包括噪聲和電磁污染處理，以及水和空氣污染處理。第一，噪聲和電磁污染處理。可以采用噪聲消除裝置和電磁屏蔽裝置等技術進行有效處理和防范。第二，水和空氣污染處理。水污染和空氣污染因其種類和程度不同，處理難度也各異。透過技術手段減少有機物和化學物質的排放，采用過濾、凈化等方式進行處理，可以有效控制環境污染的發生。在推進金屬材料熱處理技術的創新與應用過程中，除了著眼于技術的提升和能效改善外，也需要充分關注所產生的環境污染問題。加速新技術的應用同時也需要重視減少環境污染的策略，通過有效控制和減少污染物的排放，以確保熱處理技術的可持續發展和環境友好性。

(2)電子束加熱技術

目前，我國金屬材料的熱處理主要依賴燃燒燃料，難以在短期內實現改變。然而，在金屬加工過程中，應鼓勵并廣泛應用清潔能源，以替代傳統的高污染低效的能源形式，為熱處理技術的可持續發展注入新的動力。考慮到煤電發熱效率不足30%，相較之下，天然氣的發熱效率約為80%，因此合理利用清潔能源對于提升金屬材料熱處理效率至關重要。在新技術領域，電子束加熱是一種能耗極低的方法。與其他技術相比，電子束加熱和感應加熱能耗最為低廉。盡管我國有多種感應加熱設備，但其節能效果有限，因此并未得到廣泛應用。改進加熱設備，采用電子束加熱型設備，是實現金屬材料熱處理節能的有效途徑之一。因此，在我國金屬材料熱處理技術研究中，發展和推廣電子束加熱技術是一項重要而有效的措施。該技術能夠顯著降低能源消耗，提高熱處理的能效，對于實現綠色、環保的金屬材料加工具有積極意義。

4.結論

建筑鋼結構熱處理技術在現代建筑行業中扮演著不可或缺的角色，其對金屬材料性能的精確調控為建筑結構的安全和可靠性提供了堅實保障。然而，隨著社會經濟的發展和科技的進步，需要在持續探索創新的同時，認真面對技術發展中所帶來的挑戰。節能環保已經成為全球性的趨勢，因此，在熱處理技術的應用過程中，需要更加注重能源利用的高效性，并努力減少環境污染。