金屬材料熱處理節能新技術的運用研究

蔣超友

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104）

近年來，我國的環保形勢日趨嚴峻，尤其是工業生產過程中產生的電力能源消耗量呈現出逐年遞增態勢，由此給自然生態環境造成的污染指數不斷攀升。同時，大量的能源消耗也給工業生產企業帶來了巨大的經濟損失，針對這種情況，降低金屬材料熱處理過程中的能源消耗量，已成為諸多工業生產企業普遍關注的焦點問題。

1 金屬材料熱處理過程中存在的問題

1.1 能源消耗大，利用效率低

與發達國家相比，我國工業生產領域中的金屬材料熱處理能源消耗量仍然占據著較大比重，據統計表明，進入二十一世紀后，國外一些發達國家，在金屬熱處理過程中的電力能源消耗已經控制在350kw·h/t以下，而我國的電力能源消耗則在600kw·h/t上下浮動，由此可見，金屬材料熱處理中大量的能源消耗情況已成為一個不爭的事實。因此，電力能源的高消耗給自然生態環境造成了嚴重污染。

1.2 工藝落后，設備陳舊

目前，我國的工業生產行業，尤其是機械加工企業，在金屬熱處理過程中使用的機械設備過到陳舊，導致在設備運行時，故障頻出，節能指標較差，與國家環保部門制訂的行業標準相差甚遠。部分企業為了節省設備采購資金，在選擇設備類型時，往往更傾向于即將被市場淘汰的老舊品牌及型號的設備，造成設備返修率、返廠率較高，尤其是設備在頻繁檢修過程中，需要消耗的電力能源總量已遠遠超過預期正常值范圍，能源浪費現象較為常見。

1.3 生產過程廢棄物多，環境污染現象嚴重

在金屬材料熱處理過程中，將產生大量的廢水、廢氣、廢渣以及設備噪聲，其中廢水中的主要污染物有8種～10種，在金屬材料淬火與回火時，及易產生硝鹽廢水、鋇鹽廢水以及含油酸堿廢水，其中包括氯化鋇、亞硝酸鹽、礦物油、氯化鋇、PH、SS、COD以及沉淀污泥等。而廢氣則包括氯、氟等鹵族元素養、強氧化劑產生的有毒有害氣體，廢渣包括鋇鹽廢渣及以硝鹽廢渣。當這些廢棄物排放到空氣中、水體中或者土壤當中，將給自然生態環境造成嚴重污染，甚至危及人們的身體健康安全[1]。此外，噴砂機、噴丸機、高速燃燒嘴、燃燒器、發電機等設備也會產生110dB～120dB的噪聲，給生產作業人員的身體健康帶來諸多負面影響。

1.4 專業技術人員匱乏，欠缺技術創新人才

目前，雖然國內個別高校開設了金屬材料熱處理專業，但是，由于專業開設時間較晚，理論與實踐教學水平還處于初級發展階段，這就導致工業生產企業缺少大量的高精尖專業技術人員。加之原有的技術人員接受新技術的緩沖時間較長，在節能技術的應用方面還未建立專業的技術培訓體系，導致節能技術的推廣與應用環節較為薄弱，甚至一些機械加工企業仍然沿用過去的生產工藝，造成能源及資源的大量損耗，給企業健康可持續發展蒙上了一層厚重的陰影。

2 金屬材料熱處理節能新技術的實際運用效果

2.1 CAD技術在熱處理中的應用

CAD技術的主要應用載體是計算機，在金屬材料熱處理過程中，技術人員可以運用計算機系統的模擬軟件對熱處理工藝流程進行模擬演示，進而精準分析和確定設備的設計缺陷，并及時獲取電力能源消耗數據，然后根據模擬數據以及節能標準，對模擬流程進行調整，模擬完畢后再投入生產。這種事前預測分析節能指標的技術可以對模擬的節能效果進行準確評估，也可以隨時調整設備節能參數，直到達到最佳的節能運轉狀態。目前，該項節能新技術已成為諸多企業普遍采用的事前預測技術，并在實際應用當中取得了階段性節能成果。

2.2 化學熱處理薄層滲入技術的應用

利用化學元素的薄層滲入法能夠不僅能夠起到節能效果，而且也能夠提高金屬材料的表面硬度、耐磨性、疲勞強度以及抗回火軟化能力。較為常用的化學元素是氣態氮，由于滲氮溫度較低，金屬材料發生畸變的幾率較小，滲氮后，金屬零件的表面硬度能夠達到HV850～HV1200。但是，值得注意的是，并不是氣態氮滲入薄層的深度越深，節能效果就越好，反而結果恰恰相反。主要是由于氣態氮的滲入深度在逐步加深過程中，需要大量的加熱時間，在這段時間內，將產生大量的能源消耗，因此，必須科學精準控制好氣態氮的滲透深度。經過大量的現場實驗證明，當氣態氮的含量在金屬材料表層減少30%以后，能夠有效節約33%的電力能源。同時，也降低了煤油、甲醇等能源的使用率，達到了節能降耗的目的，對自然環境的污染指數也大帳降低。可見，化學元素薄層滲入技術的應用頻率越來越高。

2.3 振動時效處理技術的應用

振動時效處理技術可以從宏觀以及微觀兩個角度予以考慮，從宏觀角度考慮是加快金屬零件塑性變形的速度，以降低金屬內部的殘余應力，確保金屬零件的加工精度，實踐證明，這種加工工藝可以降低30%～80%的殘余應力。從微觀角度考慮則是施加在金屬零件上的一種附加動應力，使其與金屬內部的殘余應力相疊加，而阻止金屬零件產生塑性變性，以提高金屬零件的強度。如果利用傳統的時效處理工藝，需要長時間的低溫加熱，才能改變金屬零件的性狀，但是持續加熱需要消耗大量的電力能源，而且熱處理效果也不盡人意。因此出于節能方面考慮，在應用振動時效處理技術時，可以采用不同頻率產生的多諧波共振原理制造的多型振動時效電腦控制裝置，來替代原有的熱時效處理技術，這項振動時效處理新技術能夠節約電力能源90%以上，同時，金屬零件的抗變形能力提高30%以上，尺寸穩定性提高30%以上，疲勞壽命提高20%以上。

振動時效處理技術通常情況下，低溫加熱時間只需要15min～45min，而且不受生產區域、金屬物理特性的限制，這種先進的處理裝置能夠同時處理幾千克到幾百噸的金屬材料，大大提升了生產效率，降低了環境污染指數。同時，這種生產工藝具有較好的經濟性，立竿見影，投資回報率高，是機械加工行業當前乃至未來一段時期內的主流節能技術[2]。

2.4 激光熱處理技術的應用

由于激光具有極強的穿透力，因此，在高能激光的作用下，能夠快速改善金屬材料的表面性能，對提高金屬零件的硬度、耐磨性、抗疲勞性、耐腐蝕性起到積極的促進作用。如果采用激光淬火生產工藝，激光對金屬熱影響區域較小，并且加熱速度快，硬化效果好，相比于常規淬火，金屬零件硬度能夠提高20%以上，同時，不需要任何冷卻介質，便可實現自冷硬化。其中，在金屬材料熱處理過程中，較為常用的激光熱處理技術包括激光相變硬化、激光表面合金化、激光涂履以及激光晶粒細化等技術。在實際應用時，激光可以實現遠距離操作，一臺激光器可以頂替多組工作臺，技術人員只需在操作終端進行電腦程序編程即可，節省了大量人力資源。更為重要的是，激光熱處理技術加熱速度較快，這就降低了金屬材料的加熱時間，大幅降低了電力能源消耗量，屬于一種新型的綠色節能技術。

2.5 真空熱處理技術的應用

真空熱處理技術屬于清潔生產技術的重要組成部分，主要利用真空技術降低氧分壓，進而實現低壓滲碳等金屬材料表面處理工藝，當金屬表面處理工藝完成后，能夠快速過渡到高壓氣淬的工序，節省了大量加熱時間，降低了能源消耗。目前，由于真空熱處理技術的應用時間較晚，在生產過程中，也無法創設一個絕對真空的環境，所以，通常情況下，只需要低于10Pa的環境就能夠收到理想的熱處理效果。在這種環境之下，金屬材料的變形值幾乎為零，同時，也有效避免了金屬表面產生氣孔。但是相比于其它節能新技術，真空處理技術的設備使用率相對較低，在我國，應用真空技術對金屬材料進行熱處理的比率只有5%左右，與發達國家之間還存在較大差距，由此可見，真空熱處理技術的全面推廣與應用還需要一段漫長的時間，這也使廣大技術人員面臨著巨大挑戰。

3 結語

金屬材料熱處理節能新技術將成為工業生產領域未來發展進程中的主要應用趨勢，多種類型的節能新技術不僅降低了能量損耗，減少了環境污染，而且提高了生產作業效率與金屬產品質量，為諸多工業生產企業創造了豐厚的經濟效益與社會效益，實現了企業健康可持續發展的美好愿景。