浅谈热处理的环保节能生产

随着国民经济的发展，其制造业中的热处理数量与日递增，有报道称20世纪末全球热理件将 达5.6亿吨，占钢材产量的31.2%。又因热处理是以炉窑加热使金属组织变化，而改善制件性 能的特殊加工，其电耗之高，污染之大是可想而知的。

世界工业发展证实，制造技术的先进性是实现工业生产优质、高效、低耗、环保和保持产品 竞争能力的保证。其热处理技术的先进程度，则是保证机械制造技术先进性和产品质量的关 键因素。我国机械工业2000年发展大纲指出：机械产品与世界先进水平之差在20年以上，其 热处理生产技术十分落后，生产设备与世界先进水平有30～40年之差距。其电耗平均每吨比 日本和欧美要多2～3倍。其热处理行业的清洁生产尚未开展，故三废排放环境污染相当严重 。因此从生产组织模式、产业结构调整、技术投入、科学管理、设备更新改造、人员素质等 方面加快改革刻不容缓。本文就热处理的环保、节能生产及对策浅述如下。

据悉，我国机械工业约有热处理厂点10500个，在职员工15万人，拥有各种热处理炉窑约 11万台，热处理年产值为50亿元。热处理钢件约700万吨、铸件约300万吨，全员劳动生产率 平均3万元/人·年。90%以上的热处理炉窑系电加热，其用电量平均占企业用电总量的25%～ 30%，热处理整机总容量约为700万kW、全年用电达85亿kW·h，平均单位电耗全国为1000kW ·h/t。 设备老化95%的加热炉系周期性作业，80%的制件在氧化气氛中加热。其高效、优质、低污染 的环保可控气体炉、真空炉尚不到热处理设备的5%。而国外热处理全过程的工艺技术参数可 全面控制，逐步向自动化、集成化、柔性化、智能化方向发展。而我国大多数尚未实施碳势 控制，不少企业仍靠经验手工型操作。由于历史原因那种大而全、小而全的企业到处可见， 其社会化、产业化大生产的规模经济尚未形成，因而生产效率低下，与美国差26倍、设备利 用率负荷率＜25%，电耗高于美国的40%。其环境污染严重，据不完全统计热处理业每年约有 5 000吨淬火油因蒸发或局部燃烧造成CH化合物、CO及烟尘；有约9 000吨废淬火油因排放不 当而污染水质；每年盐浴炉生成盐蒸汽7 000吨以上和有害废渣约10 000吨；燃煤炉窑排放S O2约1.5万吨，灰分约8.5万吨；喷砂处理中产生的SiO２等有害粉尘10 00 0吨，严重污染了 环境。

在中美专业热处理员工相当条件下，其劳动生产率相差26倍，专业化厂数相差35倍，美国热 处理生产经济效益高，专业厂利润是我国的1.5～30倍，年营业额高于我国25倍，年电 耗却低于 我国40%。清洁生ISO1400环境管理系列标准认证国外已广为开展。

由于历史的原因，我国大而全、小而全、万能型、不协作、封闭型企业到处可见。即在一个 工厂内均设置铸、锻、电镀、热处理、模具制造、供热采暖、运输等共用性极强的车间、工 段或班组。因而是质量欠佳、任务不饱满、生产效率低下、设备利用率极低、能耗、物耗 、污染大增的原因所在。

而能源法和节能技 术大纲中就明确指出：企业组织分散、生产集中度差、专业化水平低，推动铸锻、热处理、 铆焊、供热等专业化生产是符合国家产业精神的。专业化社会化生产早以被国内外实践证明 ，确是一种先进的生产模式。我国80年代初政府倡导开展专业化生产调整，在41个城市撤消 2 000多个生产极不饱满、技术条件差、能耗污染高的厂点，建立30多个热处理专业厂和420 多个生产协作点，几年内使其平均电耗由15 000kW·h/t降到1 000kW·h/t以下，专业化厂 可在500kW·h/t。如某光学仪器厂未专业化生产前，热处理电耗高达3 000kW·h/t，而专业 化后竟下降至850kW·h/t，设备利用率也提高20%，劳动生产率提高40%。

由此可见具有战略性调整组建的专业化生产厂，必将压缩减少大批数量的热处理点，从而导 致能耗、物耗、污染的巨降、取得明显的经济、社会及环保效益。

采用有机物和无机物等配制而成的水溶性聚合物淬火介质，和淬火油改性添加剂，由于冷 即能力可调整，使用中介质浓度可简便测定，有减少变形、防止淬裂，不锈蚀、免清洗、 无味、无烟雾、不着火，使用温度高，环保、少无污染，正常消耗是传统油淬火的40%等特 点，因而在国外已普及推广应用。但我国仍普遍采用通用的矿物油，一定比例的氯化钠水溶 液、硷溶液及硝盐溶液为冷却介质。因而造成严重的污染。如某厂采用新型PAG淬火液取代 原20#油淬火后，其成本由原15 000元/年降至8 750元/年，加工成本也由0.78元/件降至 0.44元/件，合格率也由92.6%提高到96.6%，且免除了因油在高温中挥发所致的污染。

在满足技术要求确保质量的前提下，减少盐浴炉加热是节能根除污染的有效方法。众所 周知以氯化钡为主经多种化学盐类熔化后，对金属件进行加热，虽有加热速度快，可防止氧 化、温度均匀等特点，但温控由于有盐雾影响极难准确，且操作安全性欠佳，更重要的是由 于氯化钡高温加热会产生严重的有害气体、烟尘及盐渣等污染，故采用感应加热等新设备也 可达标。如木工刨刀与原盐浴炉相比，班产量由3 300片提高至7 200片。万片电耗由900kW·h下降至600kW·h，节电率达33%，还可节约有害氯化钡43吨的好成绩。而钢锯条较原盐 浴炉淬火，由于可获得隐针或细针马氏体组织，其CrWMn钢冲至韧性提高33%，断裂韧性提高 21%，合格率提高20%，节电35%，且免除有害氯化钡取得良好的经济及环保效益。

以新钢种取代传统钢制造同样零件，也可取得物耗、能耗、污染的降低。如非调质钢的应用 即可减少原45#钢830℃加热+保温+淬水油+高温回火之工序，且可根除淬火时产生的一切污 染，还可节能、缩短生产周期、提高工效。经50铃汽车前轴按规范试验横向、纵向、垂直弯 曲疲劳各30万次、50万次和100万次的循环后再加3万km路试后均达标，仅以每根锻造成本下 降64元计算，1999年就可节约企业采购成本110万元。

此外ER8、HD、GD、CH75、GM、CH-1等新型模具钢均有明显的节能环保功效。以后者火焰淬 火钢用于大型模具，经局部火焰加热空气冷却淬火后，较盐浴炉加热淬火，不但成本下降60 %、合格率提高20%，制模周期下降5%，节电80%且根除盐浴所致有害污染及淬火油烟雾、烟 尘之污染，有明显的节能、环保之成效。

是将锻造、热轧、铸造及热处理工序有机的结合在一起。用其余热进行处理，这不但可减免 重复加热、提高设备利用率、缩短生产周期，且可节能、降低成本、提高制件的综合性能及 质量，更为明显的是减少污染有利于环保。如某施拉机零件，原锻造后使其自然冷却后，再 重新加热+保温+介质冷却的淬火处理，其平均电耗为1.25kW·h/件，而现锻造后用其余热淬 火处理，可免去再加热工序，按20万件/年计算，可节电2.5万kW·h/年，更可喜的是因减除 重新加热之污染，取得明显的效益。

即打破人们常规认为各种化学元素渗入金属表层与性能成正比的认识。但经科学实践与理论 证实，并非如此。过深的渗层，不但降低制件的韧性且不利于性能的提高，还浪费能源，增 加成本，更主要的是由于加热时间的增长而使污染上升。为此国内外已采用薄渗技术。若渗 碳层减少30%，则可节电33%。据报道日本汽车工业仅应用该技术后，即可节电1亿kW·h。我 国用量巨大的自行车钢球生产中，采用薄层渗碳后，不但使生产效率提高42%，节电30%，也 使甲醇和煤油的消耗下降52%，寿命提高2倍，取得节能环保双丰收。

由于科技的不断发展，各种节能、高效、环保热处理新设备不断出现，为提高热处理水平开 拓广阔空间。例如利用高能量密度对零件作超高速加热，然后自激淬火，具有不氧化、不脱 碳、变形小、表面光洁，提高硬度、耐磨性和疲劳强度等，高频和超高频脉冲及激光和电子 束热处理设备技术。还有离子轰击化学热处理，表面沉积硬化在模具和刀具上应用，经溅射 处理2μmTiN后，其表面硬度可达HV2000，大大提高使用寿命。还有各种计算机在热处理中 的应用都可取得佳绩。如生产量极大的表壳软化处理，采用自动淬火设备后取得表2的明显 效益。其各种高新设备能耗见图2。由于高新设备可对热处理全程自动电脑监控，时间缩短 ，质量提高、加热源发生根本变化、而有利于高效、优质、节能、环保生产，也将代表其发展方向。

提高热处理制件寿命使其达到一顶几个或数十个使用，才是减少从原材料投入到投产，各 种加工物耗、能耗及污染的有效途径，如Cr12钢制m70大型螺母冷镦模具，经液体渗钒+淬火 +回火+退火+锻造等复合处理后，其使用寿命由1 500件上升到150 000件。而高工钢钻头及 高合金钢模具采用无污染、环保真空系列技术处理后，可节约资金200元/t。节电30%，操作人员由12人减至3人，质量寿命提高。其汽车用万向十字轴采用中频淬火后，较原常规工艺 节电80%，寿命也由3×104km提高至13×104km。其质量、寿命的提高才是最大增产增收 。若全面推广其经济、社会、环境效益极为可观。

为消除金属制件残余应力，使其稳定尺寸、金属组织，防止变形与开裂。传统工艺一般采用 炉窑低温加热时效，这不但成本高、周期长，且伴随着长时间的加热不可避免的造成环境之 污染及电耗增大。为此科技界利用不同频率产生的多谐波共振原理制造的多型振动时效系 列电脑控制设备问世。这不但可彻底根除炉窑加热之污染，且可节能。据报道美国己有100 多家公司应用，与炉窑相比可节能40%，金属韧性可提高35%。我国某矿机厂2 500t/年大 型件，若装炉为87炉次测算，可节约煤气187万m3。那么按150元/t测算，采用振动时效可 创37万元的综合效益。

总之，环保与节能热处理，应走社会化专业化生产之路，此举有企业结构调整之战略内涵，在国外已为成功之经验。采用高新工艺技术、新型设备与材料，不断加强科学管理，不断提 高环保与节能意识。综合治理、全面规划、认真落实就一定会取得优质、高效、节能、环保之效益。