金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的運用研究

鄭 玲

（達州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，四川 達州 635001）

0 引言

當下，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，金屬材料熱處理工藝必須符合污染小、能耗低等要求，這就使得金屬材料熱處理行業(yè)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時要將節(jié)能減排作為重點。而筆者認為，新技術(shù)革新是實現(xiàn)這一目標最重要的手段。

1 金屬材料熱處理節(jié)能生產(chǎn)現(xiàn)狀及問題

我國機械制造行業(yè)的迅速發(fā)展充分帶動了國內(nèi)生產(chǎn)總值的增長。金屬材料熱處理行業(yè)也在此帶動下呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，各省份都涌現(xiàn)出一大批各種各樣的熱處理廠。據(jù)有關(guān)部門不完全統(tǒng)計，在我國各類金屬熱處理廠就有16000多家，從業(yè)人員近400000之眾。金屬熱處理是一項耗能十分嚴重的工藝，約占我國整個能耗的25%，同時也占我國工業(yè)總能耗的60%。然而在相同的能耗下，國外一些發(fā)達國家的產(chǎn)量卻是我國的6倍左右。而就目前情況來看，約有超過70%的金屬熱處理廠家沒有應(yīng)用合理的節(jié)能技術(shù)，管理混亂無序，技術(shù)改造落后。我國金屬材料熱處理行業(yè)主要存在以下問題：

1.1 高耗損，低產(chǎn)出，能源利用率低

早在20世紀70年代，日本、歐洲等一些發(fā)達國家和地區(qū)在金屬熱處理能耗上已降到350kW·h/t以下，而同時期我國卻是人家的3～4倍。進入21世紀以來，才逐漸下降到600kW·h/t左右。

1.2 金屬熱處理設(shè)備陳舊，工藝技術(shù)落后

在一些比較大型的國有金屬熱處理廠，由于技術(shù)限制，節(jié)能措施不到位，導(dǎo)致能源利用率偏低。而對于一些小型私人企業(yè)，不僅設(shè)備陳舊，技術(shù)落后，資金也很難到位，常使用一些淘汰設(shè)備，質(zhì)量無法得到保證，對環(huán)境污染也十分嚴重，更談不上節(jié)能。

1.3 產(chǎn)品達標率低，常多次處理

由于各個金屬熱處理廠設(shè)備陳舊，技術(shù)落后，這就導(dǎo)致產(chǎn)品達標率很低，一些產(chǎn)品返修率甚至高達20%，有的要經(jīng)過多次處理才能夠達標。這樣重復(fù)處理無疑是對能源的極大浪費，更別說實現(xiàn)節(jié)能。

1.4 專業(yè)熱處理技術(shù)人才缺乏

早在20世紀90年代，該問題就已十分突出，截止目前還未得到有效解決。而隨著社會進一步發(fā)展，專業(yè)熱處理技術(shù)人員青黃不接，很多高校又紛紛取消該專業(yè)。筆者認為再過幾年該問題將會更加突出。因為隨著國有企業(yè)熱處理技術(shù)人才老化，一些新興私人熱處理企業(yè)的開辦都將直接導(dǎo)致該專業(yè)技術(shù)人才需求的增加。雖然市場上存在很多與熱處理專業(yè)相接近的專業(yè)，但本質(zhì)上來說還是存有一定差別，很難培養(yǎng)出高素質(zhì)、高水平的熱處理專業(yè)人才。再加之人才大量涌向沿海城市，內(nèi)陸一些金屬熱處理廠很難招到合適人才。

2 金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)以上分析，可以看出在我國金屬材料熱處理存在很多問題，無論是技術(shù)落后還是設(shè)備陳舊，都將直接導(dǎo)致能源利用率十分低下，能耗過大，這就使得資源浪費嚴重。就目前情況而言，筆者認為要想在我國實現(xiàn)金屬材料熱處理節(jié)能的目的，就應(yīng)該從以下新技術(shù)方面尋找突破口。

2.1 化學(xué)熱處理技術(shù)

所謂化學(xué)熱處理技術(shù)，簡單來說就是經(jīng)過化學(xué)處理來降低金屬材料表面涂層厚度，一方面避免過厚涂層對金屬材料性能的影響；另一方面，降低材料涂層厚度，加熱時間就會大大縮短，自然能耗就會減少。大量實踐證明，如果金屬材料表面滲碳層減少30%，就可節(jié)省用電30%以上，進一步就能節(jié)省煤或石油等燃料50%以上，節(jié)能效果十分明顯。同時，由于化學(xué)熱處理對金屬材料本身性質(zhì)破壞較輕，則由該材料制成的構(gòu)建壽命也將大大增加，對環(huán)境污染也較輕，可謂一舉多得。

2.2 采用真空熱處理技術(shù)

在技術(shù)和條件成熟的情況下，如果將金屬材料構(gòu)件熱處理工藝放在真空中進行，不僅可以實現(xiàn)低壓滲碳等金屬材料表面處理工藝，而且可以在表面處理工藝結(jié)束后直接進行高壓氣淬，這樣一來就可大大減少金屬材料熱處理工作時間，進一步就可降低能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能目的。以目前技術(shù)來說，絕對真空是無法做到的，金屬材料真空熱處理技術(shù)一般在低于10Pa的環(huán)境中就可達到理想的效果。在該環(huán)境下，金屬材料表面處理工藝對金屬性能影響也相對較小，同時也避免了材料變形、產(chǎn)生氣孔等問題，是比較理想的高清潔度、高柔性金屬材料熱處理方法。該方法已在一些材料熱處理工藝中得到應(yīng)用，并取得了比較好的效果。在國外有20%左右熱處理設(shè)備采用真空設(shè)備，而我國目前為止真空熱處理設(shè)備在整個熱處理設(shè)備中所占比重還不到5%，可見該技術(shù)在我國有著非常大的發(fā)展空間和潛力。同時國外真空熱處理技術(shù)發(fā)展已有近50年歷史，無論在生產(chǎn)真空熱處理設(shè)備還是真空熱處理技術(shù)運用上都遠遠高于我國。我國金屬材料真空熱處理技術(shù)的發(fā)展到推廣，還有很長的路要走。但展望未來，金屬材料熱處理工藝、真空熱處理技術(shù)必須進一步推廣應(yīng)用，這樣無論對產(chǎn)品性能還是節(jié)約能耗都將是一次重大突破。

2.3 采用激光熱處理技術(shù)

隨著科技進步，激光技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，而將其運用在金屬材料熱處理工藝則是最近今年比較新興的技術(shù)。激光熱處理是利用激光本身所含有的高能量密度，當照射在金屬材料表面時，可以使金屬表面所含能量在100～100000kW/cm2。如此高的能量密度，足以滿足金屬材料熱處理所需。同時，激光熱處理還具有升降溫快、不需要對材料進行淬火預(yù)熱等特點，這使它在金屬材料熱處理節(jié)能工藝中也被很好地應(yīng)用。經(jīng)過激光熱處理的金屬材料也省去了后續(xù)機械加工工序，節(jié)能效果更加顯著。

2.4 采用振動時效處理技術(shù)

當金屬材料進行熱處理后，由于工藝和環(huán)境條件制約，難免會在金屬材料內(nèi)部留下微小裂紋、熱殘余應(yīng)力等缺陷，如果不進行正確處理，輕則影響金屬材料在使用過程中的壽命，重則使該材料損傷乃至不合格，需重新進行加工處理，造成資源浪費，無法達到節(jié)能目的。而振動時效處理技術(shù)就是針對這一問題，消除金屬材料在熱處理過程中產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力等缺陷，從而避免重復(fù)熱處理，實現(xiàn)節(jié)能。一般情況下，振動時效處理技術(shù)可以直接節(jié)省電能20%左右，進而節(jié)省燃料資源40%左右。

2.5 改善熱處理設(shè)備材料，提高能源循環(huán)利用

目前，我國絕大多數(shù)熱處理廠使用的熱處理設(shè)備材料均是普通材料，這樣的材料不僅導(dǎo)熱性能差，保溫隔熱性能更是無法保障。這就要消耗更多能量來維持金屬材料熱處理工序，必然導(dǎo)致了不必要能耗。如果采用陶瓷纖維等隔熱和保溫性能良好的材料來代替普通材料，在節(jié)能方面一定可以取得比較好的效果。同時在廢熱處理上，傳統(tǒng)熱處理工藝并沒有將其很好地利用，而是直接排放到外部環(huán)境。如果用換熱管等裝置將其回收利用，用來對爐子進行預(yù)熱，那么將會大大提高能源利用率，從而達到節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

實現(xiàn)金屬材料熱處理行業(yè)節(jié)能目標是當下我國機械制造加工行業(yè)亟需解決的問題。本文總結(jié)了金屬材料熱處理工藝中各種新興工藝，旨在為金屬材料熱處理行業(yè)節(jié)能目標探索改進方案。

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