建筑鋼結(jié)構(gòu)熱處理技術(shù)

＊邱志強(qiáng)

（中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司 四川 614100）

熱處理技術(shù)作為調(diào)控鋼材性能的重要手段之一，通過(guò)改變材料的結(jié)構(gòu)和性能，滿足建筑鋼結(jié)構(gòu)在不同工程環(huán)境下的特定要求。本文將深入探討建筑鋼結(jié)構(gòu)熱處理技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和相關(guān)挑戰(zhàn)，旨在為建筑行業(yè)中熱處理技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1.熱處理技術(shù)概述

（1）熱處理技術(shù)簡(jiǎn)介。熱處理技術(shù)是一種金屬加工工藝，它通過(guò)加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能。在金屬制造過(guò)程中，熱處理是一種重要的加工方法，它可以改變金屬材料的內(nèi)部顯微組織或表面化學(xué)成分，從而賦予或改善金屬的使用性能。熱處理的過(guò)程包括加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，這些階段相互銜接，不可間斷。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度是保證熱處理質(zhì)量的主要問(wèn)題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織[1]。

（2）熱處理技術(shù)特點(diǎn)。熱處理技術(shù)需要使用專業(yè)的加熱設(shè)備、冷卻設(shè)備等，同時(shí)需要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，因此需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作和管理。具體而言，熱處理技術(shù)特點(diǎn)如下：第一，溫度控制精確。熱處理過(guò)程需要對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱和冷卻，要求溫

度控制精確，以確保達(dá)到預(yù)定的組織和性能要求。通常通過(guò)加熱爐和冷卻設(shè)備來(lái)控制溫度，確保材料在特定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理。第二，時(shí)間控制可調(diào)。熱處理技術(shù)的時(shí)間控制可調(diào)，根據(jù)不同的材料和要求，可以進(jìn)行不同的時(shí)間處理，以達(dá)到最佳的處理效果。第三，過(guò)程可控性強(qiáng)。熱處理過(guò)程需要對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，這些操作可以通過(guò)控制加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，過(guò)程可控性強(qiáng)。第四，適用范圍廣。熱處理技術(shù)適用于各種金屬材料，如鋼鐵、鋁合金、銅合金等，同時(shí)也可以用于非金屬材料如高分子材料和陶瓷材料的處理。第五，對(duì)環(huán)境影響小。與機(jī)械加工等工藝相比，熱處理技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響較小，因?yàn)樗恍枰褂么罅康那邢饕骸⒛ハ饕旱纫后w，對(duì)環(huán)境友好[2]。

2.建筑鋼結(jié)構(gòu)中金屬材料的熱處理

(1)金屬材料熱處理分類

金屬材料在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的熱處理過(guò)程旨在通過(guò)加熱工件，保持一定溫度并進(jìn)行適當(dāng)冷卻，從而改變金屬材料的表面或內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同的性能特性，過(guò)程主要涉及三種不同的熱處理方法：整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理。

①整體熱處理

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，金屬材料扮演著至關(guān)重要的角色，而整體熱處理則是優(yōu)化這些材料性能的核心工藝。這種處理方法著眼于金屬工件的整體，通過(guò)精確控制加熱和冷卻過(guò)程，以達(dá)到所需的力學(xué)性能。整體熱處理是將整個(gè)金屬工件加熱，然后以適當(dāng)速度冷卻，以改變其整體力學(xué)性能的工藝。在建筑機(jī)械中，這種處理常用的方法包括退火、正火、淬火、回火等。退火通過(guò)加熱至臨界溫度以上，然后慢速冷卻，以軟化金屬并改善其韌性；正火將金屬加熱至適當(dāng)溫度，然后在空氣中冷卻，以提高其硬度和強(qiáng)度；淬火將金屬加熱至臨界溫度以上，然后迅速冷卻，通常在水或油中，以獲得高強(qiáng)度但可能較脆的材料；回火在正火或淬火后，重新加熱金屬并適度冷卻，以減少脆性并提高韌性[3]。

②表面熱處理

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，表面熱處理針對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)中金屬材料表面的熱處理方法，通過(guò)對(duì)表層加熱和控制冷卻來(lái)改變金屬材料表面的物理和機(jī)械性能，同時(shí)確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本不受影響。表面熱處理過(guò)程對(duì)于熱源的使用和控制有著高度要求，以確保只有材料表層經(jīng)歷加熱，而不對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。因此，表面熱處理需要仔細(xì)控制加熱區(qū)域，通常使用局部加熱方法，如火焰加熱、電阻加熱或感應(yīng)加熱，將熱量集中于特定區(qū)域，僅影響到需要處理的表面層。同時(shí)，確保加熱的溫度和持續(xù)時(shí)間都嚴(yán)格控制在特定范圍內(nèi)，防止熱量滲透到材料內(nèi)部，僅使表面發(fā)生所需變化而不影響整體性能。

③化學(xué)熱處理

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，化學(xué)熱處理是指通過(guò)改變表面的化學(xué)成分、性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到調(diào)節(jié)材料性能的目的。與表面熱處理不同，化學(xué)熱處理專注于改變金屬工件表層的化學(xué)特性，而不僅僅是力學(xué)性能。在化學(xué)熱處理過(guò)程中，通過(guò)在特定環(huán)境條件下使用化學(xué)物質(zhì)（例如溶液、氣體等），使工件表層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，包括氮化、氧化、碳化、氫處理等過(guò)程。對(duì)于不同的化學(xué)熱處理，需要嚴(yán)格控制處理?xiàng)l件，例如溫度、浸泡時(shí)間、處理介質(zhì)的化學(xué)成分和濃度等，這些因素直接影響工件表面的化學(xué)變化。完成化學(xué)處理后，通常需要進(jìn)行后續(xù)的清洗、中和或其他后處理工序，以確保從工件表面去除殘留的化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)防止不良的化學(xué)反應(yīng)對(duì)工件的影響[4]。

(2)金屬材料熱處理加工

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，金屬材料的熱處理加工具有其特殊性。金屬材料的熱處理不僅影響其基本力學(xué)性能，而且對(duì)其耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性及與建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體匹配性都有重要影響。首先，對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)中的金屬材料，加熱階段是熱處理過(guò)程中的關(guān)鍵。由于建筑鋼結(jié)構(gòu)通常需要承受巨大的載荷和復(fù)雜的外部環(huán)境條件，因此對(duì)金屬材料的性能要求更加嚴(yán)格。在加熱過(guò)程中，必須精確控制溫度，以確保金屬材料達(dá)到最佳的力學(xué)性能。同時(shí)，為了避免氧化和脫碳等不良影響，加熱過(guò)程需要在可控的環(huán)境中進(jìn)行，如在保護(hù)氣氛、熔融鹽或真空中進(jìn)行，以保持材料表面的化學(xué)成分和性能。其次，保溫階段也是建筑鋼結(jié)構(gòu)中金屬材料熱處理加工的重要環(huán)節(jié)。保溫時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和力學(xué)性能的優(yōu)化。因此，需要根據(jù)金屬材料的種類、尺寸和熱處理目的來(lái)確定合適的保溫時(shí)間。最后，冷卻階段是熱處理的最后一步，也是決定金屬材料最終性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同的冷卻方法會(huì)對(duì)金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響，從而影響其力學(xué)性能和耐腐蝕性。因此，在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，需要根據(jù)金屬材料的種類和熱處理目的選擇合適的冷卻方法，以確保其滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性要求。

3.建筑鋼結(jié)構(gòu)中金屬材料的熱處理技術(shù)研究

對(duì)于新技術(shù)的探索和研究，必須先確認(rèn)其應(yīng)用特點(diǎn)和前景，以便確定該技術(shù)是否有繼續(xù)深入開(kāi)發(fā)的價(jià)值。金屬材料的熱處理工藝相較于其他一般工藝，一般不存在宏觀層面的變化，即材料形狀和成分的改變，而是以微觀層面的調(diào)整，或者說(shuō)是對(duì)金屬材料的材質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，從而達(dá)到所需的性能。這是金屬材料熱處理的顯著特性之一。在建筑鋼結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中，金屬材料或工件的形狀和化學(xué)成分通常固定不變，但對(duì)于其力學(xué)和化學(xué)性能卻有著嚴(yán)格的要求[5]。熱處理技術(shù)的運(yùn)用，能夠通過(guò)對(duì)金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，使其獲得更高的強(qiáng)度、硬度及耐腐蝕性等特性，從而滿足建筑鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中的性能需求。

例如，鋼鐵是其中一個(gè)重要的例子，其顯微結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但通過(guò)熱處理工藝加工后，鋼鐵的各項(xiàng)性能通常能夠達(dá)到施工所需的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，研究金屬材料的熱處理技術(shù)對(duì)于滿足建筑領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笾陵P(guān)重要。盡管這項(xiàng)技術(shù)并不直接改變材料的形狀和成分，但可以通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整和表面處理等手段，有效地提升材料的力學(xué)性能、耐久性和適應(yīng)性，以滿足建筑工程的特殊需求。

(1)節(jié)能技術(shù)

①金屬材料熱處理節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)科技在多個(gè)領(lǐng)域范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)也處于世界前列。金屬材料熱處理作為一種在制造業(yè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)體系中的分量也十分重要，尤其是對(duì)材料的優(yōu)化作用，對(duì)于制造業(yè)的影響是顯而易見(jiàn)的。但是，隨著其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，金屬材料熱處理的負(fù)面影響也不可避免的增長(zhǎng)，但社會(huì)沒(méi)有對(duì)其展現(xiàn)出應(yīng)有的關(guān)注。目前，金屬材料熱處理技術(shù)所面臨的主要問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：第一，資金投入不足。金屬材料熱處理技術(shù)的研究和實(shí)際應(yīng)用所投入的資金嚴(yán)重不足，導(dǎo)致技術(shù)研發(fā)的滯后和創(chuàng)新能力的受限，限制技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。第二，科研人員稀缺。從事金屬材料熱處理技術(shù)研究的科研人員數(shù)量較少。由于人才的短缺，限制對(duì)該技術(shù)的深入研究和創(chuàng)新，影響技術(shù)的提升和應(yīng)用。第三，封閉經(jīng)營(yíng)限制技術(shù)交流。我國(guó)從事金屬材料熱處理的企業(yè)多為封閉經(jīng)營(yíng)，導(dǎo)致技術(shù)推廣和交流受到了限制和阻礙，缺乏開(kāi)放的平臺(tái)和渠道，阻礙了技術(shù)的分享和合作。這些問(wèn)題的存在嚴(yán)重制約了金屬材料熱處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。解決這些問(wèn)題需要增加資金投入，鼓勵(lì)科研人員參與相關(guān)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新，同時(shí)提倡企業(yè)間的技術(shù)交流與合作，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)部技術(shù)共享和發(fā)展。通過(guò)加強(qiáng)投入、培育人才、推動(dòng)開(kāi)放合作，可以更好地推動(dòng)金屬材料熱處理技術(shù)的發(fā)展，提高其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用水平和效益。

②熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的主要污染物

在金屬材料的熱處理技術(shù)研究中，尤其是在節(jié)能技術(shù)方面，關(guān)注的一個(gè)重要議題是熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的主要污染物。在實(shí)際的生產(chǎn)使用過(guò)程中，各種工藝難免會(huì)存在一些小的瑕疵，而這些瑕疵可能會(huì)對(duì)環(huán)境和健康造成不同程度的影響。熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的污染物是其中一個(gè)重要的考量因素，它們的表現(xiàn)形式和處理難度各異。污染類型主要包括：A.空氣污染。熱處理過(guò)程中可能產(chǎn)生氣體排放，如煙塵、氣味和有害氣體，對(duì)空氣質(zhì)量造成影響。B.水污染。淬火工序通常會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)，可能導(dǎo)致不同程度的水污染。C.噪聲污染。熱處理過(guò)程中可能伴隨著噪音產(chǎn)生，影響周邊環(huán)境和人員健康。D.電磁污染。與電磁設(shè)備的使用有關(guān)，可能對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。

污染物處理包括噪聲和電磁污染處理，以及水和空氣污染處理。第一，噪聲和電磁污染處理?？梢圆捎迷肼曄b置和電磁屏蔽裝置等技術(shù)進(jìn)行有效處理和防范。第二，水和空氣污染處理。水污染和空氣污染因其種類和程度不同，處理難度也各異。透過(guò)技術(shù)手段減少有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)的排放，采用過(guò)濾、凈化等方式進(jìn)行處理，可以有效控制環(huán)境污染的發(fā)生。在推進(jìn)金屬材料熱處理技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用過(guò)程中，除了著眼于技術(shù)的提升和能效改善外，也需要充分關(guān)注所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。加速新技術(shù)的應(yīng)用同時(shí)也需要重視減少環(huán)境污染的策略，通過(guò)有效控制和減少污染物的排放，以確保熱處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好性。

(2)電子束加熱技術(shù)

目前，我國(guó)金屬材料的熱處理主要依賴燃燒燃料，難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)改變。然而，在金屬加工過(guò)程中，應(yīng)鼓勵(lì)并廣泛應(yīng)用清潔能源，以替代傳統(tǒng)的高污染低效的能源形式，為熱處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展注入新的動(dòng)力?？紤]到煤電發(fā)熱效率不足30%，相較之下，天然氣的發(fā)熱效率約為80%，因此合理利用清潔能源對(duì)于提升金屬材料熱處理效率至關(guān)重要。在新技術(shù)領(lǐng)域，電子束加熱是一種能耗極低的方法。與其他技術(shù)相比，電子束加熱和感應(yīng)加熱能耗最為低廉。盡管我國(guó)有多種感應(yīng)加熱設(shè)備，但其節(jié)能效果有限，因此并未得到廣泛應(yīng)用。改進(jìn)加熱設(shè)備，采用電子束加熱型設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)金屬材料熱處理節(jié)能的有效途徑之一。因此，在我國(guó)金屬材料熱處理技術(shù)研究中，發(fā)展和推廣電子束加熱技術(shù)是一項(xiàng)重要而有效的措施。該技術(shù)能夠顯著降低能源消耗，提高熱處理的能效，對(duì)于實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保的金屬材料加工具有積極意義。

4.結(jié)論

建筑鋼結(jié)構(gòu)熱處理技術(shù)在現(xiàn)代建筑行業(yè)中扮演著不可或缺的角色，其對(duì)金屬材料性能的精確調(diào)控為建筑結(jié)構(gòu)的安全和可靠性提供了堅(jiān)實(shí)保障。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，需要在持續(xù)探索創(chuàng)新的同時(shí)，認(rèn)真面對(duì)技術(shù)發(fā)展中所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為全球性的趨勢(shì)，因此，在熱處理技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，需要更加注重能源利用的高效性，并努力減少環(huán)境污染。