機械工業(yè)熱處理綠色發(fā)展技術(shù)研究

薛培軍，劉冬敏

(中州大學(xué)，鄭州450044)

運用恰當(dāng)?shù)姆绞綄⒐虘B(tài)金屬或合金，進(jìn)行加熱保溫和冷卻，或兼之機械、化學(xué)的作用，使金屬及其內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使各種金屬材料獲得優(yōu)良性能的工藝過程，稱為金屬材料的熱處理。在熱處理工藝過程中，零件的加熱、爐氣氛制備、淬火冷卻以及諸多化學(xué)熱處理工藝，都須消耗大量的電能或燃油、碳?xì)浠衔锖退Y源，同時排放大量的有害氣體和塵埃，造成環(huán)境的嚴(yán)重污染，危及人類的生存安全。

1.熱處理生產(chǎn)及污染現(xiàn)狀

熱處理是機械制造行業(yè)消耗能源和環(huán)境污染的大戶，在世界各國日益重視環(huán)境保護(hù)形勢下，我國也把環(huán)境保護(hù)作為重要的基本國策之一，熱處理生產(chǎn)中節(jié)能和環(huán)保技術(shù)得到有關(guān)方面的高度重視，綠色制造技術(shù)在熱處理行業(yè)被積極推廣和應(yīng)用［1］。

1.1 國際現(xiàn)狀

根據(jù)國際能源機構(gòu)公布，2011年全世界每年向大氣排放約316億噸CO2，我國就達(dá)75億噸，占居世界第二位，SO2的排放量居世界第一位，而我國的化學(xué)需氧量(COD)也是世界第一，嚴(yán)重污染的環(huán)境受到國際社會的日益關(guān)注。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國家比較注重環(huán)境保護(hù)工作，控制著熱處理工藝過程向自動化、智能化和柔性化發(fā)展。美國為了實現(xiàn)能源部制訂的“美國2004年熱處理技術(shù)路線圖修訂稿”目標(biāo)，完成眾多的重點研發(fā)項目，國家有關(guān)方面提供充足的研究資金，供美國金屬學(xué)會熱處理學(xué)會成立“熱處理技術(shù)研發(fā)中心”，組織企業(yè)參與研發(fā)，研究降低能耗、減少污染。我國卻沒有組建類似的“熱處理高新技術(shù)中心”和“熱加工技術(shù)中心”環(huán)保研究機構(gòu)，國家發(fā)改委和科技部也沒有設(shè)立相應(yīng)的專項基金，由于缺少這樣的組織和有關(guān)人才，熱處理生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量與國外先進(jìn)熱處理技術(shù)相比，存在較大差距。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

中國是世界上能源消費第二、資源消耗第一的大國。每創(chuàng)造1美元的GDP所消耗的能源是美國的4.3 倍、歐洲發(fā)達(dá)國家7.7 倍、日本的11.5 倍，遠(yuǎn)高于巴西、印度等發(fā)展中國家，而工廠的“三廢”排放和環(huán)境污染也是最嚴(yán)重的國家，每年因能源利用率低造成的損失達(dá)1萬多億元。

我國現(xiàn)有熱處理廠點接近2萬個，熱處理加熱設(shè)備接近20萬臺，其中熱處理電加熱爐的數(shù)量占約為90%，年實際熱處理生產(chǎn)量為2000～2500萬噸，裝機容量1200～1500萬千瓦時，耗電總量為150～200億千瓦時，占我國機械制造業(yè)年耗電量的25%～30%。主要熱處理設(shè)備陳舊落后，總數(shù)超過1萬臺，設(shè)備利用率和負(fù)荷率不到30% 而能耗卻比美國高出40%以上，年耗能量估計近15億噸標(biāo)煤。［2］改善生活環(huán)境質(zhì)量，遏制環(huán)境繼續(xù)惡化的趨勢，是我國一項重大而緊迫的任務(wù)。

1.3 熱處理行業(yè)所面臨的問題

熱處理生產(chǎn)一方面消耗大量的能源，另一方面在生產(chǎn)過程中排出廢氣、廢水、廢渣等工業(yè)“三廢”和制造粉塵、噪聲、電磁輻射等，使我們的生活周圍環(huán)境、大氣、水質(zhì)等遭受嚴(yán)重污染。［3］數(shù)據(jù)如表1所示。要推廣和發(fā)展綠色熱處理技術(shù)，保持經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，面臨以下幾個問題。

表1 熱處理過程的主要污染物及來源

1.3.1 熱處理行業(yè)技術(shù)含量低

由于經(jīng)濟飛速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問題被各級政府和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者所忽視，在熱處理技術(shù)發(fā)展和基礎(chǔ)研究方面投入資金不足，熱處理行業(yè)沒能夠吸引到最優(yōu)秀的人才，高新技術(shù)在行業(yè)的使用不足，造成熱處理生產(chǎn)技術(shù)含量不高。

1.3.2 熱處理設(shè)備能耗大，資源利用率低

這在熱處理行業(yè)現(xiàn)狀中我們已作描述，我們的熱處理工藝單位電能耗為800kW·h/t，和歐美、日本的400kW·h/t相比要高出2倍多，而資源的利用率卻是他們的三分之一。

1.3.3 環(huán)境污染嚴(yán)重

熱處理生產(chǎn)過程屬于高溫作業(yè)，在生產(chǎn)中使用大量的氣體，進(jìn)行滲碳、滲氮等化學(xué)熱處理，向空氣中排放大量的CO2、SO2、殘氨等廢氣;在清洗工件過程中，酸洗使用的硫酸、鹽酸苛性堿的揮發(fā)物及工件表面油脂的燃燒，形成大量的煙氣;機械制造廠噴砂設(shè)備每年約產(chǎn)生萬余噸的SiO2和Al2O3粉塵，煤燃燒粉塵都會造成粉塵污染。

1.3.4 先進(jìn)熱處理設(shè)備及規(guī)?；a(chǎn)程度低

金屬物質(zhì)在加熱過程中會發(fā)生氧化和脫碳反應(yīng)，可能會燒損金屬的3%左右，發(fā)達(dá)國家采用的少無氧化加熱技術(shù)，在我國所占比重只有30%，由于很少使用先進(jìn)的熱處理設(shè)備，工件在熱處理過程中燒損、脫碳造成資源浪費和人力浪費都是巨大的。［4］

2.綠色熱處理實施的路徑選擇

中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，已確立了發(fā)展“低碳經(jīng)濟”目標(biāo)，實施以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟模式，來保障經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。作為經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)能減排將是一項基本國策，需解決好以下問題。

2.1 加強政策法規(guī)的制定和執(zhí)行

為了更好的推行機械行業(yè)的環(huán)保，首先應(yīng)該完善法律、法規(guī)的建設(shè)，使行業(yè)發(fā)展有軌可循，同時加大《環(huán)境保護(hù)法》、環(huán)境《污染防治法》等法律、法規(guī)的宣傳和執(zhí)法力度，做到違法必究、執(zhí)法必嚴(yán)。其次是將污染防治工作納入地方各級政府部門工作考核中，充分發(fā)揮地方政府的管理和監(jiān)督作用，使熱處理行業(yè)向著健康和可持續(xù)方向發(fā)展。

2.2 加強科技導(dǎo)向功能

由于歷史的原因，我國在熱處理行業(yè)的資金和科研的投入很有限，沒有發(fā)揮政策的導(dǎo)向作用。我們應(yīng)當(dāng)以中國熱處理學(xué)會和協(xié)會為中心，強化學(xué)會和協(xié)會在熱處理行業(yè)中的基礎(chǔ)研究和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的引領(lǐng)作用，盡快建立中國的熱處理路線圖計劃;國家發(fā)改委和科技部等科研資金管理部門，應(yīng)加大對高效、精密、節(jié)能、節(jié)材的綠色制造技術(shù)的支持，設(shè)立相關(guān)專門基金，制定及組織實施“中國熱處理路線圖”，調(diào)動廣大科技人員的積極性和創(chuàng)造性，吸引優(yōu)秀的人才從事熱處理技術(shù)的研究，加強環(huán)境污染的治理和環(huán)保新技術(shù)的研發(fā)推廣。

2.3 開發(fā)和使用熱處理新設(shè)備

我國熱處理行業(yè)70%是用電加熱爐加熱，80%以上采用耐火磚作為保溫材料，熱利用效率非常低，對原有熱處理加熱設(shè)備的節(jié)能改造，有利于提高能源利用率和改善工作環(huán)境，如果在行業(yè)普及使用全纖維保溫材料，能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)節(jié)能10%。熱處理設(shè)備制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急是提高新設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計、制造水平。使用密封式爐直生式滲碳技術(shù)，可以使產(chǎn)品無氧化，無脫碳，且節(jié)約原料氣達(dá)91% ～94%;使用激光表面處理技術(shù)，可以提高金屬材料的耐磨性、高溫性能和表面硬度，同時可保持金屬零件較好的柔性、韌性。［4］

2.4 使用新能源和先進(jìn)燃燒技術(shù)

加熱爐是熱處理最大的能耗加熱系統(tǒng)，傳統(tǒng)的加熱能源主要是電能和燃料，由于工藝落后，熱利用效率非常低，能源浪費較大，常溫常壓條件下選用氣態(tài)燃料，燃燒有較好的熱利用效率。天然氣是一種高效能源，在通常技術(shù)條件下其熱效率可達(dá)50.5%，較煤電熱效率高出近1倍。如果天然氣能源采用高溫空氣燃燒技術(shù)，其燃燒熱效率可達(dá)85%左右，為煤電熱效率的3倍左右。［5］天然氣能源應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)已取得巨大的經(jīng)濟效益，節(jié)能顯著，環(huán)保效果良好［6］，而且氣體的燃燒比較充分，排放到空氣的有害物質(zhì)大大減少，自然降低了環(huán)境的污染，數(shù)據(jù)如表2所示。另外，除了使用天然氣，水電、核電和激光等優(yōu)質(zhì)能源，也屬于高效低污染的資源，已在熱處理行業(yè)被推廣應(yīng)用。

近年來，除高溫空氣燃燒技術(shù)，國內(nèi)外研究和開發(fā)了很多的高效節(jié)能、低污染的燃燒新技術(shù)和新設(shè)備，像微小型燃燒、高紅外節(jié)能、強輻射傳熱節(jié)能、潔凈燃燒等，已在熱處理和冶金等行業(yè)得到應(yīng)用，國外采用新技術(shù)所用的燃燒器和熱處理爐也已進(jìn)入我國熱處理企業(yè)。這些燃燒新技術(shù)和燃燒器的應(yīng)用，不僅具有高效、節(jié)能和低污染的技術(shù)優(yōu)勢，而且經(jīng)濟效益明顯。［7］

表2 各種燃料燃燒排除的CO2量

2.5 擴大生產(chǎn)專業(yè)化規(guī)模

由于歷史原因，我國的熱處理企業(yè)都屬于大而全、小而全、不協(xié)作的封閉型企業(yè)。大小是個工廠，里面均設(shè)置共用性極強的車間或班組:鑄、鍛、電鍍、熱處理、模具制造、供熱采暖、運輸?shù)?。但由于重?fù)建設(shè)，生產(chǎn)任務(wù)量不足，設(shè)備的利用率極低，生產(chǎn)效率低下，造成能源和物資浪費，環(huán)境污染增大。

規(guī)模出效益，要解決機械行業(yè)的污染重、能耗大問題，首先要轉(zhuǎn)換觀念，放開經(jīng)營思路，解決區(qū)域內(nèi)鑄造、熱處理、電鍍行業(yè)的同類性質(zhì)問題。20世紀(jì)80年代初，我國倡導(dǎo)開展專業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模調(diào)整，撤銷技術(shù)條件差、產(chǎn)量低、能耗污染雙高的廠點，建立了專業(yè)熱處理廠和生產(chǎn)協(xié)作點，幾年之內(nèi)專業(yè)化廠的平均電耗降低了約66%，由15000kW·h/t降低到500kW·h/t。由此可見，經(jīng)過戰(zhàn)略性調(diào)整、組建專業(yè)規(guī)?；纳a(chǎn)廠，可以實現(xiàn)能耗、物耗、污染顯著下降，獲得明顯的經(jīng)濟、環(huán)保及社會效益。［8］因此，我們建議在好的經(jīng)濟發(fā)展地區(qū)設(shè)立大型工業(yè)園區(qū)，合理安排鑄造、熱處理、電鍍廠礦結(jié)構(gòu)，集中管理、集中治污，擴大集約化生產(chǎn)規(guī)模，從根本上解決不達(dá)標(biāo)排放、偷排等現(xiàn)象。

2.6 加強自動化控制技術(shù)使用

計算機技術(shù)融入熱處理工藝中是當(dāng)今熱處理技術(shù)的一大特點，先進(jìn)的傳感和控制技術(shù)，使熱處理工藝中的自動化控制技術(shù)迅速發(fā)展?，F(xiàn)已研制出滲氮氧探頭Oxymess、氮勢傳感器HydroNit、氣冷淬火的Heat Flux傳感器、真空滲碳碳勢傳感器、滲氮控制系統(tǒng)等自動化控制儀器設(shè)備，而計算機軟件也多用于熱處理環(huán)保、節(jié)能、降耗管理、跟蹤熱處理爐運行情況等，精確監(jiān)控?zé)崽幚砉に囘^程，實現(xiàn)高效生產(chǎn)，環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。

2.7 使用新的環(huán)保節(jié)能熱處理技術(shù)

傳統(tǒng)的熱處理工藝對環(huán)境的污染非常嚴(yán)重，要加以淘汰和限制使用，盡快研發(fā)在熱處理工藝過程中，主要是在熱利用、淬火和清洗環(huán)節(jié)的新技術(shù)使用。

3.熱處理新技術(shù)的發(fā)展

綠色熱處理制造技術(shù)是指符合環(huán)保要求的節(jié)能、降耗、少污染的綠色機械制造工藝，在該制造工藝模式推動下，許多提高企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的新技術(shù)已被研發(fā)和利用。

3.1 淬火冷卻裝備技術(shù)

水、淬火油、無機水溶性淬火劑、水基聚合物淬火劑是熱處理企業(yè)經(jīng)常使用的淬火介質(zhì)。水雖然應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟、冷卻速度快，但會引起工件的變形和開裂，使工件硬度不均，畸變增大，且有腐蝕和生銹問題無法解決。在水中加熱各種無機鹽、堿等，制成的無機物水溶液淬火劑，可以改善水的冷卻性能，適應(yīng)淬火冷卻的需求，但也會引起金屬工件生銹，且硝酸鹽會產(chǎn)生有害氣體，損害操作工人身體健康。淬火油淬火易產(chǎn)生油煙，會對環(huán)境造成污染。水基聚合物淬火劑具有無毒、無煙、無臭、無腐蝕、不燃燒、抗老化等特點，冷卻速度可調(diào)，適用范圍廣。

3.2 氮基氣氛熱處理技術(shù)

氮基氣氛技術(shù)廣泛用于退火、淬火、滲碳、滲氮等多種熱處理加工過程，是一種保護(hù)氣氛控制技術(shù)，可以防止工件在加熱中氧化、脫碳。在氮基氣氛滲碳或滲氮處理時，氮氣的惰性可以減少原料氣的消耗和炭黑的生成，促進(jìn)和加速滲碳或滲氮，降低工件滲碳時的內(nèi)氧化程度，提高工件的疲勞強度。氮基氣氛熱處理不僅氣源豐富、成本低廉，節(jié)約能源和滲劑，而且是安全無污染、適用面廣的熱處理技術(shù)，適合我國基本國情，已成為我國節(jié)能、環(huán)保型熱處理技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。［9］

3.3 真空熱處理技術(shù)

真空熱處理是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，將工件置于正常大氣壓以下的負(fù)壓空間的加熱方法(熱處理加熱用的最高真空度一般不超過10-5Pa)。真空加熱不僅能防止工件的氧化和脫碳，而且具有脫脂、脫氣、凈化表面和變形少的特點。除此以外，工件還可以在真空中進(jìn)行低壓滲碳、滲氮等處理，為后期進(jìn)行高壓氣淬做好準(zhǔn)備，既節(jié)約了時間又獲得優(yōu)良的性能，是比較理想的自動化柔性和清潔熱處理技術(shù)，優(yōu)越于可控氣氛熱處理技術(shù)。［10］

3.4 感應(yīng)加熱熱處理技術(shù)

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的原理，使工件表面產(chǎn)生渦流而被加熱。其特點是加熱速度快、易于控制，工件表面氧化和脫碳少，節(jié)約能源、污染少。

3.5 離子滲技術(shù)

離子滲技術(shù)包括離子滲氮和離子滲碳，是用帶電粒子轟擊置于低壓容器內(nèi)的工件表面，在輝光放電作用下使其溫度升高，實現(xiàn)所需原子滲入表層的化學(xué)熱處理方法。與常規(guī)的化學(xué)熱處理相比，其特點是滲透速度快，工件變形小，熱效率高，節(jié)約能源，而且無煙霧、煙塵和廢氣污染。

3.6 金屬鍍層技術(shù)

刷鍍技術(shù)、熱噴鍍技術(shù)、離子鍍滲技術(shù)是清潔的表面強化技術(shù)。通過離子轟擊化學(xué)熱處理，表面沉積硬化，保護(hù)工件使用壽命。

3.7 激光束、電子束技術(shù)

激光束、電子束、表面技術(shù)與表面改性技術(shù)(表面淬火、重熔、涂層)是利用高能電子束對工件的表面快速加熱，實現(xiàn)工件表面熱處理，這種粒子輻射技術(shù)不產(chǎn)生煙塵等污染，屬清潔熱處理技術(shù)。

以上所分析的熱處理新技術(shù)，都有其自身的優(yōu)點和缺陷。常用的真空熱處理技術(shù)運行成本高、設(shè)備投入大;淬火冷卻裝備技術(shù)中，油作為淬火介質(zhì)已有上百年的歷史，不能在現(xiàn)實生產(chǎn)中被完全替代，淬火雖然可以提高工件的性能，但造成的污染是不可避免的;離子滲技術(shù)一般使用離子交換法自動化操作，難度大，投資高，需要酸堿再生，存在環(huán)境污染隱患，且在含鹽量高的區(qū)域，運行成本高。綠色熱處理是集材料、能源、環(huán)境、技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程，需要不斷研究和開發(fā)新的技術(shù)，感應(yīng)加熱技術(shù)和激光束技術(shù)是更加環(huán)保的技術(shù)，氣氛控制和淬火技術(shù)的結(jié)合，復(fù)合熱處理工藝(如:氮化+淬火、氮化+高頻淬火、氮碳共滲+高頻淬火、滲碳淬火+低溫滲硫、調(diào)質(zhì)+硫氮共滲、整體淬火+氧氮化處理等)，更能發(fā)揮技術(shù)的優(yōu)點，是未來熱處理技術(shù)的發(fā)展方向。而熱處理輔助技術(shù)也飛速發(fā)展，象熱處理數(shù)據(jù)庫、計算機控制熱處理技術(shù)和虛擬熱處理技術(shù)等，已取得了可喜的進(jìn)展。更多新的綠色熱處理技術(shù)還有待于科技工作者的進(jìn)一步研究和探索。

4.結(jié)束語

保護(hù)生存環(huán)境，開展降低能耗、節(jié)約資源的低碳生活是世界工業(yè)發(fā)展的大趨勢，也是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。國內(nèi)的熱處理企業(yè)要加大綠色制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，提高企業(yè)自身的市場競爭能力，爭取在蓬勃發(fā)展的世界機械工業(yè)中占據(jù)一席之地。

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