建筑鋼結(jié)構(gòu)金屬材料熱處理的研究

劉和國

（中國五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)公司，湖南 長沙 410015）

在當(dāng)今時(shí)代，技術(shù)與工藝都在不斷進(jìn)步，金屬材料越來越廣泛地被運(yùn)用到生產(chǎn)生活中，其中一個(gè)很重要的運(yùn)用領(lǐng)域就是建筑的鋼結(jié)構(gòu)。但是，在實(shí)際施工中，很多時(shí)候金屬材料是不能直接使用的，需要在材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工處理，才能運(yùn)用到施工中，或者進(jìn)入下一個(gè)加工階段。在這些加工處理工序中，金屬材料熱處理是一個(gè)很重要的方面，在對(duì)金屬的加工中運(yùn)用廣泛，并已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)活動(dòng)。金屬材料的熱處理不僅對(duì)生產(chǎn)起著重要作用，同時(shí)也涉及到節(jié)能環(huán)保等諸多領(lǐng)域。所以，對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的金屬材料的熱處理，是很有研究價(jià)值與研究必要的。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)金屬材料熱處理

1.1 金屬材料熱處理的概念

金屬材料熱處理是指將金屬制成的工件放入某種介質(zhì)中，對(duì)其加熱，直至適宜的溫度，在保持這種溫度一段時(shí)間以后，再以不同的速度置入不同的介質(zhì)，對(duì)工件進(jìn)行冷卻。這樣，金屬材料表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變，從而使金屬工件表現(xiàn)出不同的性能。

1.2 金屬材料熱處理的分類及特點(diǎn)

金屬材料熱處理工藝根據(jù)處理方法的不同，大體可分為3類，分別是表面熱處理、整體熱處理和化學(xué)熱處理。而每一類方法又在介質(zhì)、溫度和冷卻方法上有所不同，因此可區(qū)分為若干小類。采用不同的熱處理工藝對(duì)同一種金屬進(jìn)行加工，可以使金屬材料呈現(xiàn)出不同的組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有不同的性能。在建筑鋼結(jié)構(gòu)方面，鋼鐵的應(yīng)用自然是最為廣泛地，而鋼鐵的顯微組織也最為復(fù)雜，相應(yīng)的處理工藝的種類也最為繁多。

金屬熱處理與其他加工工藝相比，主要是通過改變材料的內(nèi)部組織或表面的化學(xué)成分，對(duì)材料的性能進(jìn)行改變，一般不會(huì)對(duì)工件的形狀以及材料本身的化學(xué)成分造成改變。這樣的處理能夠改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，因此具有其特殊性，需要嚴(yán)格監(jiān)管。

1.3 金屬材料熱處理的加工過程

金屬材料熱處理工藝的過程一般包括加熱、保溫、冷卻3個(gè)階段，有時(shí)不需要保溫。這些環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的。

加熱在金屬材料的熱處理中是非常重要的工序之一，對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱的方法很多，最初的熱源是煤和木柴，現(xiàn)代多采用氣體和液體燃料。利用電力可以對(duì)加熱進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，并且不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。利用這些熱源，可以直接對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。

在對(duì)金屬進(jìn)行加熱時(shí)，金屬材料暴露在空氣當(dāng)中，很容易被空氣氧化、脫碳（即鋼鐵零件表面碳含量降低）。這樣的情況對(duì)金屬材料熱處理后的性能會(huì)造成不良影響。因此，金屬材料應(yīng)該在可控環(huán)境或保護(hù)環(huán)境中、熔融鹽中和真空中加熱，也可以用涂料或包裝的方法進(jìn)行保護(hù)加熱。

加熱時(shí)，對(duì)溫度的控制是熱處理工藝中極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對(duì)加熱溫度進(jìn)行選擇并加以控制，對(duì)保證熱處理質(zhì)量有著至關(guān)重要的意義。由于需要處理的金屬材料不同、需要達(dá)到的加工目的不同，所需要的加工溫度也有所不同。一般情況下，需要加熱到一定的溫度以上，以此獲得性能的變化。由于性能的變化需要一定的時(shí)間，因此還需要將高溫保持一定的時(shí)間，以此保證金屬材料內(nèi)外溫度的一致，獲得性能的完全轉(zhuǎn)變，這段時(shí)間被稱為保溫時(shí)間。采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí)，加熱速度極快，一般就沒有保溫時(shí)間，而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長。

在金屬材料熱處理的加工過程中，冷卻也是必不可少的環(huán)節(jié)。冷卻的方法有很多種，主要因工藝的不同而不同。在這一環(huán)節(jié)中，主要需控制的是冷卻的速度。一般情況下，正火的冷卻速度比較快，退火的冷卻速度比較慢。材料本身的不同也對(duì)冷卻速度有著不同的要求，這就需要在實(shí)際加工過程中進(jìn)行有效的控制。

1.4 金屬材料熱處理對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的作用

建筑鋼結(jié)構(gòu)對(duì)部件性能的要求很嚴(yán)格，而且因部件不同、作用不同而有著不同的要求。因此，部件的性能需要得到嚴(yán)格的掌控。在這一點(diǎn)上，金屬材料的熱處理顯得尤為重要。對(duì)不同材質(zhì)進(jìn)行不同的加工，可以滿足建筑鋼結(jié)構(gòu)的大部分要求。

2 金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的發(fā)展研究

2.1 節(jié)能新技術(shù)的工藝特點(diǎn)

要想對(duì)一項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行研究，我們首先需要知道的就是這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，從而確定是否有必要研究這項(xiàng)工藝。金屬的熱處理與其他一般工藝相比，并不對(duì)材料的形狀和成分造成較大的改變，而是從微觀的角度改變金屬材料或金屬工件的內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)，或是對(duì)金屬材料或金屬工件的表面進(jìn)行改變，以實(shí)現(xiàn)要求達(dá)到的使用性能。在金屬材料熱處理的特點(diǎn)中，這一點(diǎn)是非常特別的。

在很多建筑物的鋼結(jié)構(gòu)中，金屬材料或金屬工件的形狀與化學(xué)成分是不能改變的，但是卻對(duì)金屬材料或金屬工件在力學(xué)與化學(xué)方面的性能有著非常高的要求。其中，鋼鐵就是一個(gè)很好的例子，鋼鐵的顯微結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但是在經(jīng)過熱處理的加工后，鋼鐵各方面的性能都能達(dá)到施工的要求標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 熱處理的主要污染物

任何工藝在實(shí)際的使用過程中，都很難或不可能達(dá)到盡善盡美，總會(huì)有著這樣那樣的小的瑕疵。這些瑕疵有的無傷大雅，有的則會(huì)造成嚴(yán)重的后果。在對(duì)金屬材料和金屬工件進(jìn)行熱處理的過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生污染。這些污染物的表現(xiàn)形式有很多，處理的難度也各不相同。一般來說，在對(duì)金屬進(jìn)行熱處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空氣污染、水污染、噪聲污染和電磁污染等。其中，噪聲污染和電磁污染很容易得到有效的處理和避免，可以安裝噪聲消除裝置和電磁屏蔽裝置。在金屬熱處理的工序中，淬火工序會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物和化學(xué)物品都會(huì)產(chǎn)生不同程度的水污染或空氣污染。加快金屬材料熱處理新技術(shù)的應(yīng)用的同時(shí)，也必須注意在整個(gè)過程中所造成的環(huán)境污染。

2.2.2 我國金屬材料熱處理節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)狀

改革開放以來，我國各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)都得到了飛速的發(fā)展，我國的國民經(jīng)濟(jì)也一直在穩(wěn)步提升。金屬材料熱處理在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其優(yōu)越的性能控制在生產(chǎn)生活當(dāng)中的作用越來越明顯。但是，隨之而來的各種負(fù)面影響也越來越明顯，而且并未得到應(yīng)有的重視。從當(dāng)前的角度來說，金屬材料熱處理技術(shù)的主要問題在于對(duì)研究和實(shí)際應(yīng)用中所投入的資金嚴(yán)重不足；從事金屬材料熱處理技術(shù)研究的科研人員較少；我國從事金屬材料熱處理的公司多為封閉經(jīng)營，使得金屬材料熱處理技術(shù)的推廣與交流受到了嚴(yán)重阻礙。

3 新技術(shù)新能源實(shí)現(xiàn)熱處理節(jié)能

3.1 新能源實(shí)現(xiàn)熱處理節(jié)能

當(dāng)前，我國仍然以燃燒燃料作為金屬材料熱處理的主要方式，并且在短期內(nèi)很難改變。所以，在加工過程中，應(yīng)多使用清潔能源，以新能源、清潔能源代替舊有的低效高污染能源。

由于受到發(fā)熱原理的制約造成煤電的熱效率不足30%，而相較于煤電的天然氣發(fā)熱效率為80%左右，因此來說，合理運(yùn)用新能源，是提高金屬材料熱處理的一種有效方式。

3.2 新技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱處理節(jié)能

對(duì)于新技術(shù)來說，電子束加熱的能耗最低，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，電子束加熱的能耗和感應(yīng)加熱能耗最低，在我國感應(yīng)加熱的節(jié)能，雖然種類繁多，但是效果非常低，因此尚未使用。我們可以在技術(shù)上對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行改良，采用加熱型設(shè)備。

[1] 李其敏.金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)探析[J].廣東科技，2012（11）.

[2] 鄭玲.金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的運(yùn)用研究[J].機(jī)電信息，2013（02）.

[3] 葛欣.金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用[J].中國高新科技技術(shù)企業(yè)，2011（11）.

[4] 馮小波，劉小麗.金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（05）.