淺析熱處理節能與環保技術

張宏生　王瑩

摘 要：本文對熱處理工藝進行簡要敘述，介紹了熱處理工藝的發展現狀，提出了熱處理工藝節能與環保的途徑。

關鍵詞：熱處理；節能；環保

1 熱處理工藝簡介

熱處理是指材料處在固體狀態下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，進而改變材料表面或者內部的化學成分與組織，從而獲得所需性能的工藝。機械制造行業的發展水平影響國家經濟。因此，世界各國重視機械制造行業的發展。熱處理技術是機械制造行業的重要環節，是集材料、制造、信息等科學于一體的綜合性、邊緣科學技術。熱處理技術可以保證機械零件內在質量，充分發揮材料潛力，進而提高零部件可靠性、服役壽命，達到節能、節材的效果，提高了產品競爭力。

2 熱處理工藝發展現狀

熱處理行業存在耗能和環境污染問題，節能減排的壓力巨大。我國的熱處理行業存在著如下問題：

2.1 熱處理工藝過程裝備落后

中國熱處理企業存在很多問題，包括加熱爐爐齡很長、采用的工藝裝備陳舊、設備老化、能耗很高等問題。低污染、高效、優質、環保的設備占現有的熱處理設備的比例很低。西方發達國家采用的熱處理工藝正在朝著智能化、柔性化以及自動化的方向發展，相比之下，中國的企業存在較大的差距。我國的熱處理的產業化、社會化以及規模生產還未形成，所以生產效率低，與發達國家相比差之甚遠，僅為美國的1/26，設備的利用率與負荷率還不到30%，但是能耗相比美國要高出40%，造成的環境的污染嚴重。

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到企業總用電總量的25%～30%。中國熱處理專業廠、設備制造廠、工藝材料生產廠以及主機廠的熱處理分廠、車間大約為1600家，總的員工為38萬人，中國熱處理加熱設備15萬臺，目前正在服役的熱處理加熱設備中，電爐所占的比例很大，每年的耗電量1.1×109 kW·h。如果單臺設備的平均生產率為100 kg/h，按平均每天12小時計算，其年生產能力為4.5×107t。如果考慮加熱設備的平均利用率可以達到30%，那么這些設備的每年的生產量可以達到1.35×107t，則消耗電能的總量可以達到9.9×109kW·h。現國際上以熱處理平均單位電耗（kW·h/t）作為參考：我國733，歐美400，日本300，由此判斷我國熱處理行業能源浪費現象較發達國家較大，存在很大的節能空間。

2.3 熱處理工藝過程造成的環境污染嚴重

熱處理企業給環境造成極為嚴重的污染，污染形式包括水、空氣、輻射、固體廢棄物及噪聲等形式。整個行業每年存在大量淬火油產生蒸發或者局部燃燒，生成大量的CmHn、CO及煙塵等污染物；其排放不當可能導致水源污染；燃煤加熱爐排放SO2是酸雨的罪魁禍首，產生的灰分給環境造成嚴重污染；噴砂機要產生SiO2和有害粉塵量十分驚人。近年來，由于企業向郊區移動，污染也從城市向農村轉移。先進的制造技術使產品競爭能力得到保證，機械產品質量好壞取決于熱處理技術的先進程度。當今中國機械產品與世界先進水平存在20年的差距，其工藝裝備與技術水平落后，行業里對加強熱處理工藝的節能和環保達成了共識。

3 熱處理工藝過程節能和環保的途徑

3.1 新能源和先進燃燒技術

熱處理的能源由電能或者燃料充當。用何種燃料要根據實際條件決定，具體體現在生產成本，操作與控制方面的難易程度、設備的可靠性、能源方面供應條件、熱處理工藝方面的特性及對生態環境產生影響等綜合因素。天燃氣熱效率能夠達到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，此外煙道氣產生的廢熱用于預熱燃燒，加上其他加熱亮利用，可以使設備的絕對熱利用率達到80%以上。天然氣能源具有節能和環保雙重優勢。天然氣應用在熱處理設備生產工藝上取得了很大的經濟效益，節能和環保效果良好。國內外科研單位研究開發的其他具有高效節能并且污染低的新技術主要包括：微小型燃燒、高紅外節能、燃氣紅外線輻射器、強輻射傳熱節能、潔凈燃燒等技術，并且已經在熱處理行業中獲得了應用。

3.2 節能、環保的熱處理新技術

3.2.1 氮基氣氛熱處理技術

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、脫碳現象。在氮基氣氛用于滲碳或滲氮處理過程中，氮氣可以保證原料氣消耗減少，促使炭黑的生成量減少。氮基氣氛可以促進、加速滲碳或者滲氮過程，并且降低工件在滲碳時的內氧化程度，同時能夠提高工件的疲勞強度，這種工藝節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，符合我國國情，是我國熱處理技術的一個發展方向。

3.2.2 真空熱處理技術

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，同時具有脫脂、脫氣、凈化表面和變形少等特點。工件可以在具有真空的條件中進行低壓滲氮、滲碳等表面處理，采用在真空碳氮或者滲碳共滲以后進行高壓氣淬的方法，可以縮短工期的目的，這時還能獲得優良的性能，行業認為是比較理想的自動化、柔性化和清潔熱處理技術。現已經廣泛應用在生產模具、汽車零件等熱處理工藝。發達國家的當今的真空熱處理設備占其熱處理設備總量的比例為15%-20%，而我國則小于5%。

3.2.3 離子滲技術

離子滲技術具體包括離子滲氮和離子滲碳兩種，其技術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的工件表面，達到使其溫度升高、原子滲入表層的目的。與化學熱處理相比較，此種工藝過程的特點是滲速快、節約能源、工件變形小、熱效率高，而且不會產生煙霧和廢氣污染。

4 結束語

現代制造業產中，熱處理工藝需要走社會化和專業化的道路，運用材料科學工程，替換傳統的材料，運用新材料，運用高新的工藝技術，研發新型設備。轉變觀念、增強環保與節能的管理是我國今后熱處理行業的發展方向之一。

參考文獻：

[1]朱祖昌.熱處理技術發展和熱處理行業市場的分析[J].熱處理，2009.

[2]陳志遠.熱處理節能[M].上海：上海工程技術大學，1988.

[3]吳光治.熱處理進展[M].北京：國防工業出版社，1998.

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