熱處理設備節(jié)能環(huán)保改造技術現(xiàn)狀

游菲，姜影，王玉才，沈子達

株洲中車天力鍛業(yè)有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

我國是能源消耗大國，能源浪費和短缺現(xiàn)象日益嚴重，而由此帶來的經濟和環(huán)境問題也日益突出[1]。熱處理作為一種可以獲得預期組織和性能的金屬熱加工工藝，是提高和保證產品零件內在性能和質量的不可缺少的工藝手段。

熱處理行業(yè)是一個能源消耗大戶，提高熱處理設備能源的利用率對我國制造業(yè)節(jié)能降耗有著十分重大的戰(zhàn)略意義。與發(fā)達國家相比，在相同的能耗條件下，其產量是我國產量的5倍以上。因為我國的能源短缺，所以挖掘熱處理設備節(jié)能降耗的潛力是節(jié)省能耗的必要措施。目前，國外的熱處理設備大部分已采用燃氣輻射管、全自動控制的熱處理生產線，熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化發(fā)展。而國內仍處于一種設備陳舊、工藝保守、設備管理落后、裝備笨重、能源利用率低的現(xiàn)狀[2]。

由于熱處理生產的特點，其設備和工藝材料在生產過程中會造成環(huán)境污染。尤其是老舊的設備和工藝材料所產生的“三廢”排放問題，目前主要的污染形式有空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、輻射污染和噪聲污染等多種污染形式[3]。大量統(tǒng)計數(shù)據表明[4]：熱處理能耗極高，環(huán)境污染嚴重。因此，熱處理設備節(jié)能改造升級顯得尤為必要。

熱處理裝備技術改造的核心就是從清潔生產、節(jié)約能源、無氧化、質量精確控制和信息化等原則出發(fā)，做到提高產品品質的同時，也要達到降低能源消耗、企業(yè)成本和環(huán)境污染的目的。熱處理裝備的節(jié)能環(huán)保改造措施主要有以下幾個方面[5]：

（1）合理選擇能源 熱處理的能源一般分為電能和燃料兩大類，企業(yè)用電還是用燃料以及用何種燃料均取決于每個企業(yè)的自身條件。

（2）減少爐外散熱，降低爐體與工裝吸熱 在不影響企業(yè)正常生產裝爐量的情況下，可以考慮減少爐膛受熱面積，以達到減少爐外散熱的目的；采用密度小的絕熱耐火材料，以達到減少爐襯蓄熱的目的；在保證產品裝爐量不變的情況下，降低工裝的重量、減少工裝吸熱也可以間接起到降低能耗的作用。

（3）充分利用余熱 針對不同的熱處理設備進行余熱回收利用的設計，回收余熱可以用來烘干砂型，或預熱產品。

本文以熱處理裝備技能環(huán)保技術改造為主題，簡要闡述熱處理裝備節(jié)能環(huán)保改造的現(xiàn)狀，并對未來熱處理裝備的發(fā)展方向進行了展望。

2 熱處理設備節(jié)能環(huán)保技術改造的基本原則

目前，國內企業(yè)有很多生產效率低、能耗大的老舊熱處理設備，成本高，環(huán)境污染嚴重，極大地制約了企業(yè)的健康發(fā)展。采用技術創(chuàng)新的手段對熱處理設備進行節(jié)能改造升級，大幅提高設備功效，為熱處理企業(yè)降本增效注入新的活力，不斷提高企業(yè)生產力，是目前熱處理行業(yè)亟待研究的重要方向。概括起來，主要有以下幾個方向[6]：

1）環(huán)境友好，消除對操作人員的安全健康隱患，能實現(xiàn)生產過程清潔綠色的設備改造。

2）能源利用率高，能充分利用生產物料，并使剩余物料獲得再生、重復使用的設備改造。

3）真空度高，能實現(xiàn)金屬材料的無氧化，無脫碳，保持工件的尺寸精度和良好表面狀態(tài)的設備改造。

4）加熱和冷卻過程均勻，使工件畸變達到最小程度的設備改造或工裝改造。

5）批量生產過程高度自動化和質量在線控制的設備改造。

6）工藝過程穩(wěn)定，爐內溫度、氣氛均勻，能夠保證產品質量的低分散度和高重現(xiàn)度的設備改造。

7）低故障率，能保證在規(guī)定大修周期內無故障的設備改造。

8）具有設備故障自診斷和遠程服務功能的設備升級。

3 熱處理設備節(jié)能環(huán)保改造技術方法現(xiàn)狀

3.1 爐襯改造

熱處理一般要經歷把工件和爐體由室溫狀態(tài)加熱到所需工藝溫度的過程，首先要將爐襯加熱到內外溫度保持到一定的平衡狀態(tài)，使爐襯的蓄熱達到飽和，爐襯的蓄熱要耗費大量的熱能。周期式爐和連續(xù)式爐第一次升溫需很長時間，不連續(xù)使用的周期爐，每次使用都要從冷態(tài)升溫，會消耗大量熱能。爐襯的蓄熱和材料密度成正比，輕質爐襯材料的隔熱性能好，傳到爐外殼的熱量小，故爐壁溫度低，由爐壁向外界散失的熱也少。一般爐襯和外殼的蓄熱能占到爐子所需總熱能的20%。

輕質耐火磚、陶瓷纖維及其制成品爐襯密度小，隔熱性好，故蓄熱小，散熱少，因此獲得了廣泛應用。把重質耐火磚爐襯改為陶瓷纖維的節(jié)能效果因各企業(yè)爐型和使用條件的不同而各異。裝爐量為400kg的密封滲碳爐由輕質耐火磚改為陶瓷纖維可節(jié)約13%的燃料，使空爐升溫時間縮短1/3，使碳勢恢復時間減少到原先的1/4。輸送帶式淬火加熱爐爐襯由重質耐火磚改陶瓷纖維塊的實際節(jié)約燃料率空爐升溫時間減少到原來的1/10，每日可節(jié)約50%的燃料[7-8]。生產的加熱爐用陶瓷纖維隔熱材料，可實現(xiàn)節(jié)約能源10%以上和產品輕量化，也可替代原有的石棉隔熱材料和耐火磚爐襯。據報道[9]，這種爐襯已經占歐洲加熱爐隔熱材料市場的50%左右。由于價格偏高，在我國還未達到廣泛使用。

3.2 高效節(jié)能型熱處理工裝改造

傳統(tǒng)的在料筐中通過格盤將工件分層擺放來增加裝爐量的方式。行業(yè)中對于氣氛爐、真空爐工裝設計普遍采用分層平料盤加圍板組合的方案。該方案能夠滿足工件不受擠壓磕碰的要求，雖具有一定的通用性，但依舊存在裝爐量偏少的缺陷，致使單件產品的熱處理成本偏高，降低了產品競爭力。因此，長期以來如何提高氣氛爐、真空爐的一次裝載量成為熱處理技術人員的一個課題。為徹底解決上述問題，將料盤設計成對稱分布且四周帶有邊框的結構，邊框上下平面與料盤底面上的支撐座可同時起到支撐作用，盤與盤之間直接碼放，或可拆卸結構。選用高Ni、含Ni的優(yōu)質耐熱材料，配以科學的結構設計與良好的鑄造工藝，可將氣氛爐、真空爐料盤筋架厚度最大限度地做薄，以此減少工裝自身所占有的空間。即在同等裝爐空間下最大限度地提高裝載層數(shù)來增加整體裝載量，同時也減輕工裝的整體重量，降低消耗，進一步達到提效節(jié)能的作用[10]。

3.3 熱源的選取

電加熱的熱處理爐，有較高的溫度均勻度和精度，但是電能屬于二次能源，能源利用率較低。煤氣、油以及天然氣屬于直接利用的能源，采用這些能源加熱的熱處理爐，能源利用率比電加熱爐高，但是其二氧化碳排放量較大。利用太陽能是一種節(jié)能的先進技術。通過聚焦、集熱器等裝置轉化光能為密度高達3000W/cm2的能量，用于金屬表面淬火、回火、退火等處理，太陽能爐尚在試驗中，有待進一步完善，但相信隨著科技的發(fā)展，終會投入生產，成為節(jié)能型綠色熱處理用爐[11]。

3.4 熱處理余熱回收利用

熱處理實際生產過程中大量可利用熱能直接排空，既浪費能源又污染環(huán)境，余熱回收就是將這部分浪費的熱能回收利用。使用各種燃料的燃料爐的廢熱利用的潛力很大。從爐中排出的廢氣溫度比爐子指示溫度至少要高50℃。最后排出的廢氣溫度越高，爐子的熱損失越大。燃燒過程需要大量空氣，利用燃料廢氣熱量來預熱空氣是燃燒爐的最大節(jié)能措施[7，12]。

4 展望

綠色化、智能化、柔性化是熱處理設備技術改造的核心發(fā)展方向。在“十三五”期間，熱處理設備技術改造的市場需求與日俱增。企業(yè)需要依靠自身的技術優(yōu)勢，不斷地對設備進行改造優(yōu)化，在每一個細節(jié)上下功夫，適應市場和客戶對產品質量的高標準要求的同時，降低生產能耗和環(huán)境污染。