热处理设备的现状与展望

时间：2010-06-08 09:56:43 来源：作者：金虎

    说起我国热处理生产技术现状，大家不约而同地会用这样的话来概括：改革开放以来，热处理生产技术有了明显进步，但总的说来和先进工业国家比较尚有大的差距。这便成为我国经济融入国际社会后，机械产品在国内外市场处于竞争的弱势，这种状况必须迅速扭转。“九五”计划以来，大家都认识到热处理生产技术改造的必要性，而技术改造的主要内涵式设备更新，因为设备是先进生产技术的载体。这一点已明确刻画在行业“十五”规划的主体思想中。
    根据粗略估计，我国机械制造企业中平均役龄在40年以上的热处理设备占80%。这些设备能耗大，工艺老，劳动强度重，温度波动大，产品质量分散度高，使用这样的设备，不可想象能生产出与国际名牌企业相匹敌的产品。因此，新建企业必须有高的技术起点，老企业必须开展以更新设备为主要内容的技术改造。
    本文旨在为推动企业的热处理生产技术改造，提出更新设备的一些出发点和思路，供大家参考。
1.对热处理设备的基本要求
各种热处理设备，尤其是加热和冷却设备，除必须满足热处理工艺要求，生产出合格产品外，还应达到以下各项条件：
(1)节约燃料和电能。
(2)高的生产效率。
(3)保证产品质量指标。
(4)至来年个分散度小，再现性好。
(5)可靠性高，故障率低、安全。
(6)自动化程度高，劳动强度低。
(7)性能/价格比高。

2.热处理设备的发展方向
    近几年，我国热处理行业对企业技术改造开展了多次讨论，在热处理生产技术发展方向上取得了一致看法，可以简单地概括为：清洁、精密、节能和质量控制四个方面。热处理设备的趋向除了更好地满足上列基本条件外，在技术发展前景上也应该概括成这四个方向。
   （1）理设备工业生产队环境的污染已达十分严重的程度，已对人类和生物的生存构成严重威胁，国际环保组织多次强烈呼吁发达国家和发展中国家把环境问题列入重要议事日程，并采取有效措施避免清空的进一步恶化。我国是国际环保条约的缔约国，全国人大和国务院对此十分重视，已批准颁布的《环境保护法》，对各行各业的生产、生活、商业、交通运输和文化娱乐活动对环境的影响都提出了非常严格的规定。
    热处理生产形成的废气、废水、废盐、剧毒物、粉尘、噪声、电磁波都会对环境造成污染。热处理生产设备和辅助设备都必须首先保证不采用产生这些物质的工艺；其次不得已非采取产生污染物的工艺时，也必须事后施行严格的无害化处理，达到规定排放标准才可排放。
    属于清洁热处理范畴的热处理设备有真空炉、可控气氛炉以及感应、激光、电子束、等离子、离子束等加热装置。在加热炉中，一般来说，电炉比燃烧炉干净。用天然气作燃料时，使用预先除硫的气体和合理构造的燃烧器，燃烧产物中的SOX和NOX都会在规定值以下。施行气体碳氮共渗和氮碳共渗的井式炉和密封箱式炉在把排除的废气点燃后，可以使工艺过程中形成的HCN完全分解，不会造成危害。中性盐浴炉中的BaCl2属毒物范畴，废盐、废渣和废水须经无害化处理后才可排放。盐浴炉是高耗能的设备，从以上两个原因出发，盐浴炉应属限制使用设备。工具行业大量使用的盐浴炉应该被非常清洁的真空中加热和高压惰性气体冷却淬火的设备代替。使用氰盐的液体渗碳、碳氮渗和氮碳共渗，以及通过反应会产生大量CN—的盐浴炉应该原则上禁止使用（无论城市还是乡镇）。在锉刀和手工锯条生产非用氰盐不能保证质量的企业应经县级以上政府和环保部门特批，所形成的三废应使用强氧化反应和电解无害化处理后达标才能排放，    不提倡使用硫酸亚铁中和法。
属于清洁冷却设备范畴的有水槽、盐水槽、有循环冷却的油槽、PVA、PAG、ACR、PVP、PEO等聚合物水溶液槽、喷雾冷却设施、空气缓冷坑、气流循环冷却装置、流态化冷却槽、硝盐浴炉等。等温、分级淬火油槽的油温必须至少低于油闪点50℃，淬火形成的油烟应集中处理后才可排放。
清洗是热处理生产过程中一道不可忽视的中间辅助工序。机加工完送到热处理车间的工件表面往往带有切削油、乳化液、抛光剂拔丝颜料和润滑剂、研磨脂、探伤磁粉油剂，如不清洗处理，直接装炉加热，势必在生产场地造成烟雾弥漫，一则影响工人健康，二则污染环境。清洗工件表面油污的方法很多，一方面可根据油污种类和要求的清洁方法来选择清洗方法和设备，另一方面的考虑就是必须避免形成环境的二次污染。汽车齿轮类零件渗碳前的燃烧脱脂是值得提倡的一种表面脱脂方法。工件在燃烧炉中加热到500~550℃，表面油脂完全蒸发，并参与燃烧，所以炉用燃料很少。工件表面的微氧化有利于渗层均匀和减轻内氧化现象，而且工件在脱脂过程中兼获预热效果，可以节约能源。脱脂炉燃烧产物的余热还可用于回火或中间清洗槽液的加热，做到热能的充分利用。更为可贵的燃烧脱脂属于清洁的辅助设备。
    渗碳淬火件，回火前的中间清洗多用加热到70~80℃的5%~10%浓度的Na2CO3溶液。废液的排放需要中和。清洗后漂浮在碱液表面的油脂应该回收。密封多用炉的推杆式连续炉渗碳淬火回火生产线上的中间清洗机即属此类。工件碱液清洗可采取喷淋和浸入双重方式，然后用热清水冲净，用热风干燥后送到回火炉中。
要求表面高度清洁的飞机零件过去常用含氯烃类物质作为溶剂，把表而油脂清理干净。早在20世纪80年代就发现这些物质对大气臭氧层的破坏作用，国际上以约定和氟利昂制冷剂一样要限期禁用，因此在国际上立即兴起一股探求替代氟氯烃溶剂的清洗方法和设备的热潮。
真空和蒸汽清洗技术是在此热潮中开发出的完全属于清洗范畴的技术。
   （2）精密的热处理设备    影响金属件质量的因素除热处理后的综合力学性能外，尚有制作的形状和尺寸变化（畸变）。整个制件和整批制品具有趋于一致的力学性能和分散度很小的规律性畸变是实现精密热处理的理想期盼。通常靠检查工件硬度来判断综合力学性能的优劣。对钢而言，决定硬度均匀性和重现性的因素是加热温度和冷却的剧烈程度（冷速）。在冷却条件（介质、搅拌程度、介质温度）确定之后，影响硬度均匀性的因素就是加热温度的精确程度了。对同一批加热的工件，硬度的均一性取决于炉温控制的精确度和有效加热区内的温度差别。这就要求完成各种热车里工艺过程的加热炉都必须满足控温精度和炉温均匀度的规定，或者要求工件必须装子啊满足炉温均匀度规定的有效加热区内。现在化的热处理加热设备通过发热体的合理布置、耐火材料的优化选择、炉内气氛的理想循环把已定有效加热区内的炉温均匀度控制到±5℃范围不是困难的事。一般真空炉和可控气氛炉都能轻而易举地把有效加热区内的炉温波动约束在±5℃。而铝合金固溶加热炉则通过热气流的均匀循环可使炉温均匀度和控温精度严格保安吃在±3℃以内，甚至更精确。在设计加热炉时，借助计算机模拟，在已定的各种边界条件下可以显示出炉内温度分布状况，从而不断修正这些条件，使炉温逐步趋向于理想的均匀度。
    金属制件的热处理畸变主要发生在淬火冷却阶段。其主要原因是制件心部的冷却滞后丁表面，所形成的温差在材料内部产生热应力，由此又由于表面和心部组织转变的不同步和相变产物的比容差而产生组织应力。应力的叠加超过材料的弹性极限就会使工件畸变，超过抗拉强度就导致开裂和破断。因此减少热处理畸变的主要途径应是尽量降低工件冷却时的表面和心部温差，沿整个工件长度实现均匀的冷却。
    用硝盐浴和热油施行上件奥氏体化后的等温分级淬火仍然是减少工件内外温差，从而减少畸变的有效手段，关键的是在工件等温和分级冷却过程巾，盐浴必须不停地搅拌，热油要连续循环。日本产和丰田汽车公司齿轮渗碳后都施行在盐浴中的等温淬火。
Aichelin公司开发的轴承套圈在辊底炉中渗碳，在所谓的泉涌式淬火槽中淬火，可使工件得到均匀的冷却和最小的畸变。工件在淬火槽的辊道作往复运动，与此同时槽中的油可上下作变向循环。
    淬火液温度保持稳定和连续的循环搅拌不仅可提高冷述，而且可保证工件的均匀冷却，从而减少畸变。为此，一般淬火槽内或在槽外部都应配备冷却淬火液的热交换系统，槽内还必须配置循环搅拌系统和使液体均匀流动的导向设施。
    在真空炉中施行对流加热，工件奥氏体化(或渗碳)后在0. 6～2MPa的惰性气体中强制循环冷却可以达到油淬的效果。由于冷却均匀，工件畸变显著减少。
工件在密封多用炉和连续渗碳炉中，渗碳后在150～180°C热油中分级淬火，也能明显减少畸变。
    轴承套圈在电阻炉或感应加热装置中加热奥氏体化，然后在多工位淬火压床中逐个施压淬火可使套圈的淬火畸变减至最低程度。
美国国家制造技术中心(National Center for Manufacturing Sciences，NcMs)开展对热处理畸变预测模拟和减少畸变措施的研究。从工件(齿轮)温度梯度、相变体积变化、温度梯度和相变诱发塑性变形、相的塑性流变性能等角度利用有限元分析法得出残留应力、显微组织和畸变最终结果，进而在此基础上扩大和提高初始模拟工具的预见能力，如补充某些材料，增加研究的边界条件，以扩展到多种工艺和多种几何形状的零件。最终为用户提供可减少畸变的工艺和设备以及可获得合格产品的研究报告。
    钢件渗碳时列精确控制炉气碳势以达到精确控制表面含碳量、渗层深度、甚至表层碳浓度梯度的方法和设备仪器的开发为实现渗碳件质量的精确控制提供了可能。利用氧探头作为传感器和各种类型的碳控仪以及适用于各种钢材、不同渗碳工艺的数据库和工艺软件可以实现在工艺过程瞬间的适时控制、并将工艺参数和瞬间状态在计算机屏幕上随时显示。利用此成熟技术可使钢件表面含碳量控制在±O 025％～±O 05％范幽内。渗层深度控制在±0．1mm范围：当前的问题是加强推广应用。
Ispen公司在上世纪80年代开发出Superearb直生式气氛渗碳技术。其实质足把天然气或丙烷和空气混合直接通人渗碳炉内施行碳势町控渗碳，利用氧探头和Carbo--TronikA、B、C三种碳势控    制系统把工件表面含碳量控制到要求范围，该方法也适用于氮一甲醇合成气氛的渗碳。由于不用发生炉，有减少设备投资和节能的效果。
    (3)节能的热处理没备我国机械工业的热处理设备90％以上用电加热。热处理用电量占机械工业用电总量的25％～30%。热处理节能主要是节电。
    目前全国热处理加热设备估计有20万台，装机容量1200万kw，全年总用电量约100亿kW·h，节电潜力巨大。
    热处理节能主要三条途径，首先是科学管理，其次是采用节能工艺，最后是使用节能设备。研究开发推广节能设备，以此为主要出发点，进行热处理生产技术改造和更新设备至关重要。
热处理设备的节能首先要从加热设备的能源结构上来分析。用电作能源是不经济的。电阻加热炉的热效率最高可达80％，但电属二次能源，发电的效率一般为30％～t40％，因此用电加热的电阻炉的实际最大热效率也有24%~32%。而用天然气加热，再加上空气预热等废热利用可使实际热效率达到65%以上，也就是说燃烧炉比电阻炉的热效率增加一倍，可节约50%的燃料。
    加热设备的连续运转可减少辅助时间，提高设备利用率，节能效果明显。由此出发，若生产批量足够，尽量采用连续式炉，比周期式炉节能。据日本一个工厂的经验，当加热温度为900~950℃时，推杆式热处理炉的单位能耗是3770000kJ/t，热效率是40%，而周期式炉单位能耗则为500000kJ/t，热效率只有30%，据日本藤泽昭一提供的数据，在生产率相当的箱式、井式、输送带式和震底式4种炉型中以井式炉和震底炉的热效率最高，这是由于井式炉密封性好，散热面积小，而震底炉没有夹具、料盘之故。
    日本近代周期式和连续式加热炉都有由箱形向圆柱形转变的趋势。这是由于圆柱形外表积比箱形小近14%，外壁温度低10℃，通过壁炉的散热减少约20%，最终可使热处理的单位能耗降低7%。
    加热炉采用陶瓷纤维炉衬是提高炉子升温速度、减少炉壁蓄热的有效措施。陶瓷纤维炉衬得节能效果最明显。据日本改造炉衬得经验数字，一台输送带式炉由重质砖炉衬改为陶瓷纤维后使空炉升温时就爱你减少到原来的1/10,节约燃料50%；装炉量为400kg的密封渗碳淬火炉由轻质耐火砖改为陶瓷纤维炉衬节约了13%的燃料，使空炉升温时间缩短1/3，清炉时间（炉气恢复）减少到原来的1/4。
    尽量减少炉上开孔，关严炉门，减少开启炉门频繁程度，盐浴炉和溜态粒子炉加盖，减小井式渗碳炉排气孔，密封多用炉前室炉门封死都有利于防止散热，减少热损失。
    从藤泽昭一给出的数据看，用在加热夹具、料盘、料筐、输送带的热能为总耗量的19%~29%。井式炉上的吊具最终，输送带式炉的输送带很长，加热后冷却又重新加入炉加热，热能损失很大。由此可见应尽可能用震底炉、辊底炉和网带路代替链板炉或铸链炉。
    燃烧炉排出的废气温度比炉温至少要高出50℃。近代先进的换热器可以录用废热把燃烧用空气预热到900~1000℃的高温，而无须担心NO2超标，此时可提高燃烧效率30%~50%。
同样是日本的经验，合理调节和控制燃烧系数（空/燃比）可以节约30%~40%的燃料。开发推广使用高效燃烧器和辐射管也是提高让你少效率的有效方法。目前最先进的是使用蜂窝状热交换器预热空气的双向交替燃烧和预热空气的燃烧器和辐射管。日本工业炉协会几年前开发的双向交替使用辐射管作为重大节能项目受到日本政府200亿日元的资助。
    日本东京热处理工业株式会社（现改为同和矿业）在70年代末就开发出一种多次利用废热的的连续式渗碳、淬火、清洗、回火生产线。渗碳前次啊用燃烧脱脂和预热。脱脂炉用渗碳废气添加丁烷燃烧加热。由此排出的废气和油烟可满足回火加热，回收近50%的热量。淬火油的热量可用来加热清洗机中的碱液和清水，能回收40%~60%的热量，通过废热多次利用可使整条生产线的燃料消耗减少近40%。
    利用低压渗碳和低压离子渗碳可明显缩短渗碳周期。在真空炉中渗碳可以把渗碳温度轻而易举地提高1030~1050℃,而不使炉子受到任何损害。由于温度的升高显著加速碳在奥式体中的扩散和930℃渗碳比较会缩短一半的渗碳周期，此意味着能耗得明显降低。
    （4）产品质量的自动控制近代物理冶金学和金属相变理论已基本洞悉了各种合金随温度变化的各种平衡和非平衡的转变规律，并有充分可能按照预想的组织和性能的物理和数学模拟关系用计算机加以精确控制成为现实。Ipsen公司的Michael Lohmann和Daniel H Hembing在《21世纪的热处理》一文中明确地提出了他们关于现实生产自适应热处理，按生产流水线集成的模块化整体设备结构以代替独立分散的各种热处理设备。这些单元可以把包括气氛、真空、能源、涂层、清洗、清理等不同工艺都综合到一起，在实际上形成一个自行包络前处理和后处理工序在内的自适应生产中心。此系统可按非常规工艺运行，并在整个制造过程加以优化选择。
    这些工艺包括：①非平衡渗碳；②非等温处理；③高温热处理；④工件自适应淬火；⑤表面改性（包括覆盖层）；⑥按工艺要求改善材料；⑦复合热处理。
    可以设想利用现场测量的庄稼系统（expert system of in-site measurement）及时得到单个零件和整批炉料的准确传感信息。
    还可以设想，在不远的将来，会出现没有炉壁的炉子，工艺周期以秒计的热处理过程，工厂在白天和黑夜还可以按实际需要自控电力，热处理设备将靠学习热工智能的传感来指挥操作，而无需人的参与。

3.展望
回顾建国以来的50多年中，我国的热处理技术和设备的发展可以说经历了5个醒目的里程碑：
（1）50年代中期固体渗碳被滴煤油的井式炉气体渗碳代替。
（2）60年代引进和消化吸收了密封渗碳炉生产线技术。
（3）70年代全国星期了离子渗碳热。
（4）80年代国产真空热处理大量投入市场。
（5）80年代引进和消化吸收了氧探头和碳控仪，在密封渗碳炉生产线上初步实现了智能化的热处理。
    目前低压渗碳和高压淬技术的研发如日中天。事实证明，该技术效率高，产品质量好，对环境友好，目前有解决了大批量生产的难题。可以设想，在新世纪10年代必将爆发采用低压渗碳的高潮。这个高潮也许首先会在汽车工业中出现。低压渗碳和高压气淬技术、周期炉和连续炉生产线的推广会是热处理生产技术发展的另一个里程碑吗？

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