熱處理工藝與環(huán)境保護(hù)關(guān)系分析

商殿佐　劉肇熙　尹紅霞

關(guān)鍵詞：熱處理;能耗;污染;環(huán)境保護(hù)

第一次工業(yè)革命以后，工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水平大幅提高，環(huán)境問題也隨之而來。在沒有脫硫技術(shù)的年代，大量使用未經(jīng)脫硫的煤炭燃料引發(fā)了一系列環(huán)境問題，對地球生態(tài)造成了損害，環(huán)境治理迫在眉睫。隨著人工智能的研發(fā)以及各領(lǐng)域的機(jī)械化、智能化，生產(chǎn)技術(shù)飛速發(fā)展，對各種材料的需求量日益增長。其中，金屬材料的大量需求導(dǎo)致熱處理工藝中的工業(yè)污染物產(chǎn)生量劇增。雖然國家對工業(yè)排放作出了嚴(yán)格的規(guī)定，但水污染、土壤污染、大氣污染等環(huán)境問題依舊層出不窮。為了減少污染物的生成、降低污染物的排放量，要堅持不懈地從熱處理工藝與設(shè)備方面尋找突破口。

1熱處理工藝的能耗與污染

金屬熱處理是一類重要的機(jī)械加工工藝，是指對固態(tài)金屬材料進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，定向獲得具有一定力學(xué)性能、物理性能以及其他化學(xué)性能的材料的熱加工工藝。在熱處理中有“四把火”，即正火、退火、淬火和回火，根據(jù)不同的加熱溫度、保溫時間以及冷卻速度，又演變出不同的熱處理工藝，如亞溫正火、球化退火、雙液淬火、高溫回火，但無論是何種工藝，在操作過程中均會伴隨大量能耗和污染物的產(chǎn)生。

1.1熱處理工藝的能耗

在熱處理工藝中，通過加熱、保溫、冷卻，在不改變材料外形以及整體化學(xué)成分的前提下，使材料內(nèi)部的顯微組織和表面化學(xué)成分發(fā)生變化，從而改變材料的各種性能。在此過程中，要將材料加熱到臨界溫度以上，需要消耗大量的熱能，而熱能的來源首先是通過煤炭、柴油燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電或通過其他形式產(chǎn)生電能，然后將電能在爐內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，消耗的電能以及燃燒產(chǎn)生的二氧化碳等污染物很多。在熱處理工藝中，主要的耗能工藝有整體熱處理工藝和表面熱處理工藝兩類。整體熱處理工藝是指退火、正火、淬火和回火，因為在上述過程中，通常要先將爐內(nèi)溫度加熱到幾千攝氏度，所以熱處理的整體能耗相當(dāng)高。日本的熱處理工藝能耗統(tǒng)計顯示[1]，正火的平均單位能耗為200kWh/t，平均熱效率為78.4%;退火的平均單位能耗為356kWh/t，平均熱效率為46.9%;淬火的平均單位能耗為255kWh/t，平均熱效率為64.2%;回火的平均單位能耗為157kWh/t，平均熱效率為61.1%。表面熱處理的平均單位能耗更高，其中，滲氮工藝達(dá)391kWh/t，平均熱效率僅為25.4%;滲碳工藝達(dá)936kWh/t，但平均熱效率僅為24.7%。固溶處理工藝的平均能耗僅為167kWh/t，平均熱效率達(dá)到79.4%，由此可見，整體熱處理與表面熱處理的能源消耗巨大。

1.2我國熱處理工藝能耗與美國熱處理工藝能耗對比

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國許多熱處理相關(guān)企業(yè)所用設(shè)備依舊是鹽浴爐或普通箱式爐，而一些發(fā)達(dá)國家的熱處理工藝已順利過渡到智能化工藝階段，智能化感應(yīng)淬火閉環(huán)控制系統(tǒng)[2]的研發(fā)將熱處理工藝推到了基本擺脫人工經(jīng)驗和人工操作的水平;真空滲碳技術(shù)和單件流動以及機(jī)加工同步熱處理設(shè)備[2]的使用，使能源消耗量大大減少，這或許就是我國熱效利用率遠(yuǎn)不及美國的原因之一。實驗對比發(fā)現(xiàn)：在熱處理工藝上，同樣處理1t的工件，我國平均消耗電能約733kWh/t，而美國僅為400kWh/t[3]，由此可見，在我國的熱處理工藝中，能源利用率的提升還有相當(dāng)大的空間。

1.3熱處理過程產(chǎn)生的污染物

由于熱處理的工藝和環(huán)境不同，其所產(chǎn)生的污染物也會有所不同。熱處理過程中產(chǎn)生的污染物一般可分為物理污染物和化學(xué)污染物兩大類。

1.3.1碳鋼加熱過程的物理污染

在對碳鋼進(jìn)行奧氏體化的過程中，會產(chǎn)生一些物理污染，例如加熱爐的燃燒器和壓縮機(jī)等設(shè)備運(yùn)行時會產(chǎn)生高分貝噪音，工人長期處于嚴(yán)重噪音環(huán)境下，會出現(xiàn)耳鳴甚至失聰?shù)陌Y狀;各種加熱爐運(yùn)行時會產(chǎn)生巨大的熱量和電磁輻射，人體長期處于高溫?zé)彷椛浜透哳l電磁場的環(huán)境下，會出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)。

熱處理工藝最后的噴砂處理是用磨料對工件的表面進(jìn)行切削和沖擊，使工件表面得到清潔，并且改善機(jī)械性能，提高工件的抗疲勞性等。但在噴砂時，大量石英砂噴射到碳鋼表面，伴隨大量二氧化硅粉塵產(chǎn)生。二氧化硅雖是無毒物質(zhì)，但當(dāng)大量二氧化硅粉塵被吸入人體，由于無法被肺臟吸收也無法排出體外，只能在肺中沉積。大量二氧化硅在肺中沉積會隨時間推移導(dǎo)致肺臟纖維化，無法正常吸收氧氣，最終導(dǎo)致窒息。

1.3.2碳鋼淬火加熱階段產(chǎn)生的化學(xué)污染物

對碳鋼進(jìn)行普通熱處理時，在淬火加熱過程中會產(chǎn)生大量油煙廢氣污染物，主要成分為碳及碳化物、非甲烷總烴、氮氧化物、烷烴、苯、二甲苯、咔唑[4]等化學(xué)成分。據(jù)測量所得數(shù)據(jù)，淬火后，車間空氣中的總懸浮顆粒物（TotalSuspendedParticulate，TSP）濃度會增長113.6%，車間空氣中的氮氧化物濃度會增長12.2%，車間空氣中的非甲烷總烴濃度會增長288.9%[5]。油煙廢氣污染物會使熱處理車間內(nèi)煙霧彌漫，并且附著到設(shè)備上，形成積油，對設(shè)備造成腐蝕破壞，增加生產(chǎn)成本，還有可能引發(fā)生產(chǎn)事故。因為這些油煙廢氣帶有刺激性氣味，所以還會對生產(chǎn)線操作工的身心健康造成巨大影響。油煙廢氣污染物會通過人的呼吸系統(tǒng)和皮膚進(jìn)入人體，隨著人體內(nèi)的血液循環(huán)，對各個肝臟器官造成損傷，其所含苯并芘類多環(huán)芳烴甚至?xí)苯訉?dǎo)致人體細(xì)胞發(fā)生癌變[6]。若將其排放到自然界中，在一定條件下會產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，對大氣造成二次污染。

1.3.3碳鋼在鹽浴爐中加熱時產(chǎn)生的化學(xué)污染物

有些設(shè)備較為落后的熱處理企業(yè)會采用鹽浴爐對碳鋼進(jìn)行熱處理，鹽浴爐的工作原理主要是將熔融鹽溶液當(dāng)作加熱介質(zhì)，將碳鋼浸入鹽溶液內(nèi)進(jìn)行加熱，通常會選用氯化鉀、氯化鋇、氰化鈉、硝酸鉀等鹽類充當(dāng)加熱介質(zhì)，因此，會產(chǎn)生大量熔融鹽廢渣，這些廢渣中因為含有大量鋇元素等重金屬元素，所以會對水體和土壤造成嚴(yán)重污染，若長期積存于土壤中，被雨雪溶解時，一些重金屬元素會隨著地表水流入河流或地下水，從而對海洋造成污染，甚至?xí)绊懻麄€地球的水循環(huán)系統(tǒng)。還應(yīng)注意的是，氯化鋇作介質(zhì)時，最高溫度可以達(dá)到1300℃，在此高溫下，氯化鋇會大量蒸發(fā)到空氣中;熔融硝鹽在加熱狀態(tài)下與工件的油污會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量棕色有毒氣體。此外，還有許多產(chǎn)生有毒物質(zhì)的反應(yīng)會隨著熱處理發(fā)生。

1.3.4碳鋼熱處理冷卻階段產(chǎn)生的化學(xué)污染物

碳鋼的奧氏體化加熱階段結(jié)束后的淬火等冷卻工藝會產(chǎn)生含重金屬且有腐蝕性的廢水等。在淬火冷卻過程中，若采取油冷的方式，因為體積較大的鋼浸入淬火所用油的過程較為緩慢或者鋼的質(zhì)量和面積與冷卻池容積的比例不協(xié)調(diào)等原因，與淬火所用油接觸的瞬間，淬火所用油的表面溫度過高，會產(chǎn)生劇烈燃燒。此時，在材料表面附著的殘留碳會發(fā)生不充分燃燒，將大量一氧化碳排放至車間空氣中。一氧化碳對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在對人體的影響上，一氧化碳進(jìn)入人體后會迅速與血紅蛋白結(jié)合，占用運(yùn)輸氧氣的紅細(xì)胞，使紅細(xì)胞無法正常運(yùn)輸氧氣，降低人體內(nèi)血液與氧氣的結(jié)合濃度，導(dǎo)致人體組織缺氧，嚴(yán)重時會導(dǎo)致人窒息。

2熱處理工藝與環(huán)境保護(hù)

既然在熱處理過程中有大量污染物產(chǎn)生，就會有相應(yīng)的政策和措施來控制和減少污染物的產(chǎn)生與排放。許多個人和企業(yè)在如何降能降污的道路上進(jìn)行探索，不僅研發(fā)出先進(jìn)的設(shè)備，還對傳統(tǒng)的熱處理工藝進(jìn)行了改良。

2.1解決熱處理工藝能耗問題

在熱處理過程中，能耗主要是燃料消耗和能動消耗，可以使用先進(jìn)的加熱爐型、合理控制熱源、采用熱料裝爐工藝和余熱回收技術(shù)來減少熱處理工藝中的能耗問題。

2.1.1使用先進(jìn)的加熱爐型

停止使用已被淘汰的高耗電熱處理設(shè)備，選用耗電量較小的先進(jìn)設(shè)備，例如將燃?xì)饧訜釥t替換為使用數(shù)字化蓄熱式高速脈沖燃燒器以及控制技術(shù)或是連續(xù)供給燃料的蓄熱式脈沖燃燒以及控制技術(shù)，兩者相比，高速脈沖燃燒器在高溫?zé)崽幚碇械墓?jié)能率比燃?xì)饧訜釥t高50.0%，在中溫或低溫?zé)崽幚碇械墓?jié)能率比燃?xì)饧訜釥t高45.0%以上。

2.1.2合理控制熱源

通常熱處理工藝使用的燃料類型可分為固體、液體、氣體以及粉末。其中，固體和粉末燃料通常以碳作為熱源;液體燃料則使用柴油或者重油;氣體燃料種類較多，包括天然氣、石油氣和煤氣等。目前，大部分熱處理廠采用天然氣、重油或柴油，選用合適的加熱燃料可以提升熱效利用率。

2.1.3熱料裝爐工藝

加熱體積較大的鍛件工件時，采用熱料裝爐工藝是一種有效的節(jié)能措施。相比于冷料裝爐工藝，熱料裝爐工藝的能耗可降低40.0%～45.0%，還可以大幅度縮短加熱時間，提高生產(chǎn)效率。

2.1.4余熱回收技術(shù)

余熱回收技術(shù)是對熱料爐中排出煙氣的熱量進(jìn)行回收再利用，主要手段是通過預(yù)熱器利用煙氣余熱加熱助燃空氣和氣體燃料，以此減少熱量散失，達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

對高能耗的治理還可以從優(yōu)化熱處理工藝、改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備、避免損耗或者降低清潔工藝的能源損耗等方面入手。例如在優(yōu)化熱處理工藝方面，可以從調(diào)整工藝參數(shù)、加速化學(xué)熱處理、改變加熱方式等方面展開思考;對于如何避免氧化損耗，可以考慮如何對熱處理過程進(jìn)行防腐蝕處理或減少腐蝕現(xiàn)象，尤其是針對孔蝕現(xiàn)象和電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象的防治。

2.2化學(xué)污染物的處理

熱處理過程產(chǎn)生的廢氣、廢水以及廢渣等，對環(huán)境造成的污染極大，不僅會影響地球的大氣環(huán)境，還會影響地球的土壤環(huán)境，最終發(fā)展到影響人類的健康。根據(jù)習(xí)近平2005年8月在浙江湖州安吉考察時提出的科學(xué)論斷，人們不僅要提高生產(chǎn)力、促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)，還要保護(hù)綠水青山、藍(lán)天白云，貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念。因此，人們要對工業(yè)廢棄物進(jìn)行嚴(yán)格處理。處理辦法可以從提高設(shè)備的技術(shù)水平、改變加熱方式、提高熱效利用率以及杜絕使用高污染的鹽浴爐等方面入手，合理凈化熱處理過程中產(chǎn)生的廢氣、廢渣和廢水等，還可以尋找更環(huán)保的淬火介質(zhì)、燃燒燃料[4]以及清洗劑等，降低廢氣、廢渣和廢水的生成量。

2.2.1對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新

（1）從機(jī)器方面考慮，可以嘗試將加熱設(shè)備與冷卻設(shè)備一體化，兩種設(shè)備間用耐高溫傳送裝置連接，實現(xiàn)加熱到冷卻階段的送料過程自動化，并將冷卻設(shè)備與廢氣收集裝置相連，集中收集冷卻階段產(chǎn)生的廢氣。然后將碳完全燃燒產(chǎn)生的二氧化碳與其他廢氣分離并收集，依據(jù)碳中和理念，可將其作為助燃劑參與金屬鎂的熱處理，并收集一氧化碳與鎂燃燒產(chǎn)生的碳，其余廢氣可以借鑒哈一工具廠的處理方法進(jìn)行吸收凈化[7]。哈一工具廠采用一套通風(fēng)系統(tǒng)收集廢氣，再采用CJT型號的鹽霧吸收塔，使氫氧化鈉溶液與鹽霧中的有害污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶于水且無害的鹽沉淀。哈一工具廠的設(shè)備使原本污染較重的車間環(huán)境徹頭徹尾地改變，在各項環(huán)境指標(biāo)中，有的甚至遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。治理前，空氣中的氯氣質(zhì)量濃度為28.69mg/m、氯化鋇質(zhì)量濃度為12.70mg/m、粉塵質(zhì)量濃度為242.90mg/m;治理后，氯氣質(zhì)量濃度低至0.04mg/m、氯化鋇質(zhì)量濃度低至0.21mg/m、粉塵質(zhì)量濃度低至59.50mg/m。由此可見，這套設(shè)備的凈化效果極好。

（2）可以通過車間整體收集、電爐集氣罩收集、油池側(cè)面收集將油煙廢氣集入凈化系統(tǒng)，凈化系統(tǒng)主要由管道物化噴淋系統(tǒng)、濕式除塵系統(tǒng)以及油煙凈化系統(tǒng)等組成，其中，油煙凈化系統(tǒng)由初級除霧過濾、等離子靜電吸附裝置、催化氧化VOC段和消防滅火裝置組成[5]。

（3）可以嘗試使用雙極靜電式油煙凈化器[8]或等離子油煙廢氣凈化器[9]對油煙廢氣污染物進(jìn)行凈化阻隔。

2.2.2廢渣的處理

對于熱處理工藝中產(chǎn)生的廢渣，可以嘗試避免其在土壤中滲透擴(kuò)散等。例如運(yùn)用固化法對其進(jìn)行體積壓縮、阻止擴(kuò)散等處理。對廢渣的固化可以采用水泥、凝膠、瀝青、塑料等具有凝結(jié)效果的材料，將凝結(jié)劑與廢渣一同混合固化，然后填埋，使廢渣被凝結(jié)劑包裹，達(dá)到阻止廢渣中有害物質(zhì)浸出、滲透到土壤中的目標(biāo)。這樣的處理方式具有穩(wěn)定、無害的優(yōu)點，但成本相對較高。

從化學(xué)反應(yīng)方面考慮，可以將廢渣收集并進(jìn)行破碎，然后加水浸出，過濾后達(dá)標(biāo)排放，將剩余浸出液進(jìn)行二次處理，提取出可利用成分進(jìn)行工業(yè)再生產(chǎn)[10]。

2.2.3廢水的處理

對于廢水的處理方式，推薦采用化學(xué)方法，通過加入化學(xué)藥品，使其與廢水中的污染成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到中和污染成分的效果。比較常見的化學(xué)處理方法有混凝沉淀方法、氧化還原方法以及離子膜交換方法[11]。

對呈酸性或堿性的廢水，通常采用中和方法進(jìn)行處理。酸性廢水采用堿性溶液或堿性廢水等進(jìn)行中和處理，例如向酸性廢水中添加石灰、石灰石、氫氧化鈉、碳酸鈉等，在使用時要避免酸與人體皮膚直接接觸。對堿性廢水同樣可以采用酸性溶液或酸性廢水進(jìn)行中和，還可以使用煙道氣中產(chǎn)生的二氧化硫等酸性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行中和處理。在中和過程中，要充分?jǐn)嚢?，使反?yīng)正向進(jìn)行。用氧化還原方法不僅可以去除污染元素，還可以達(dá)到除臭、褪色、殺菌消毒等目的。

向廢水中加入氯氣、臭氧、次氯化鈉等具有氧化性的氧化劑，或者加入鐵屑、硼氫化鈉、亞硫酸氫鈉等具有還原性的還原劑，可以將廢水通過氧化還原方法進(jìn)行凈化。例如用化學(xué)氧化法處理廢水是向廢水中大量添加過氧化氫、二氧化硫等物質(zhì)，使水中的氯化鋇發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成硫酸鋇沉淀與鹽酸，達(dá)到除去鋇元素的目的。

吸附方法處理廢水分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類，主要原理是利用活性炭等可作為吸附劑的材料的吸附性，對廢水中的吸附質(zhì)進(jìn)行吸附，從而將這些吸附質(zhì)回收處理，達(dá)到凈化廢水的目的。物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別在于，物理吸附不具有選擇性，是一個放熱的過程;化學(xué)吸附則與之相反，是一個吸熱的過程并且具有選擇性，溫度越高，吸附效果就越明顯。

3結(jié)語

隨著時代的發(fā)展，我國的生產(chǎn)力水平正穩(wěn)步上升，人們要守護(hù)祖國的綠水青山。對熱處理過程中產(chǎn)生的能耗和污染物問題，從對環(huán)境和對人體的損害兩方面進(jìn)行解釋，并從合理排放、污染物處理和二次循環(huán)利用的角度對其提出治理辦法，希望能為綠色工業(yè)的研究提供一定的幫助。