机械工业热处理绿色发展技术探究

卞冰　赵剑

摘 要：热处理技术是通过加热、保温、冷却等手段改变金属晶体结构，从而改变金属性能。传统的热处理工艺耗能高、污染重，已经不符合我国绿色经济的发展要求。本文将深入探讨我国热处理工艺的现状，并提出针对性的改进方案。

关键词：机械工业；热处理；绿色；节能；环保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.022

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，制造加工行业对金属材料的需求量越来越大，热处理行业暴露出来的问题越来越多。热处理工艺是机械金属加工的重要处理工序之一，旨在加强金属强度，传统热处理技术以资源消耗、环境污染为代价提升产品数量，造成了人类发展与环境保护之间的失衡。绿色热处理技术是指在保证产品质量、控制制造成本的前提下，最大限度减少对环境的影响，下面将详细阐述我国热处理技术的现状与发展途径，并提出针对性的热处理技术绿色发展方案。

1 热处理技术现状

改革开放以来，我国基础工业发展迅速，但由于技术经验积累较少，工业基础仍然比较薄弱。热处理技术是金属加工的重要工艺流程，我国已经具备完整的金属热处理产业链，但现有的热处理技术仍然属于资源消耗型的发展模式，环保意识与发达国家存在较大差距。根据相关资料，上世纪70年代，欧盟成员国的热处理电能消耗为400kW·h/t，美国的热处理电能消耗为360kW·h/t，日本的热处理电能消耗为300kW·h/t，21世纪初，我国热处理电能消耗超过600kW·h/t，仍然超出了发达国家70年代的标准。进入21世纪以来，我国逐步加大了工业制造加工行业的环保投资，积极鼓励民营企业建设环保设施，同时淘汰了一大批重度污染设备，将污染严重的行业迁移到偏远地区，而热处理行业属于能源消耗型产业，因此国家不断加大对热处理产业的环保投入与扶持。

2 绿色热处理技术的内涵

绿色热处理技术是绿色工业的重要环节之一，绿色热处理技术的内涵主要体现在三个方面，包括工艺改善、能源节约以及清洁生产。热处理技术的主要目的是提升金属材料性能，从而节约优质钢材。能源节约是指减少热处理生产过程中的能源消耗，清洁生产是指实现热处理生产无害化，减少污染物质、有害物质排放，将热处理剩余物进行回收利用。传统热处理技术实质上属于能源换取资源的模式，绿色热处理技术需要从能源与资源角度进行综合评估，改善技术本身的环境效应。

3 热处理技术绿色化方案

（1）工艺改善。热处理技术的工艺改善主要体现在两个方面，一是在传统工艺基础上进行优化设计，同时将已经成熟的节能减排技术应用到热处理生产加工中，二是研究开发新型节能环保技术，不再局限于传统工艺流程与数据。目前，可控气氛热处理技术是金属加工的主要研究方向之一，该种工艺可以在无氧状态下脱碳，可以提高产品的合格率，最大限度节约能源，同时减少了热处理生产中废气的排放。根据相关研究，可控气氛热处理技术可以节约3%-5%的材料，我国已经有5%的热处理企业在使用该技术。可控气氛热处理技术的应用已经比较广泛了，其中氮基气氛热处理技术是目前应用最广泛的，氮基气氛热处理技术的主要成分是氮气，同时可以根据加工需求添加有机制剂。氮基气氛热处理技术的主要优点体现在四个方面：一是能源消耗小，与常规的吸热式可控气氛热处理技术相比，氮基气氛热处理技术可以节能25%-85%；二是材料丰富，氮基气氛热处理技术的主要成分是氮气，而空气的主要成分是氮气，因此氮基气氛热处理技术的基础材料十分丰富，可以有效节约加工成本；三是适用性较强，氮基气氛热处理技术可以通过改变添加成分用于各种材料加工，包括合金、碳钢、不锈钢、铝等。

（2）设备改良。热处理技术绿色化的另一个途径是设备改善，通过提升热处理设备制造水平降低能源消耗。目前，我国很多企业的热处理设备工作年限较长，部分设备甚至超出工作年限，严重降低了能源利用率，设备改善对热处理技术绿色化具有重要意义。以热处理技术中的加热炉为例，目前，我国热处理行业中70%企业采用了电热炉，其中80%的电热炉的保温材料以耐火砖为主，耐火砖的保温性能较差，造成的热能散失比较严重，如果企业采用全纤维保温材料，可以实现节能10%以上。很多企业的主要淬火介质仍然以水为主，冷却水加热之后直接排放，造成水资源浪费，如果采用高效节能型空气换热器，可以有效减少水资源浪费。除此之外，真空热处理设备的优势也十分明显，不但可以缩减加工时间50%以上，提高了企业产能，而且真空热处理设备加工的产品质量较高，产品表面不氧化、不脱碳、零分散度，产品合格率超过99%。

（3）介质替换。目前，我国热处理技术的常用淬火介质包括水、油、水基聚合物等，淬火时将产品整体浸入上述介质中。其中，水是热处理技术中最常用、最经济的淬火介质，且介质冷却速度最快，但水作为介质时，存在低温区冷却过快的问题，容易造成零件开裂、变形、硬度不均等问题，而且零件会出现生锈问题。除了常用的水冷液以外，无机水溶剂淬火剂也是比较常见的介质，无机水溶剂淬火剂实质上是向水中加入了各种无机盐、碱等形成的水溶液，通过改善水的冷却性满足材料冷却的需求，但溶液中的碱类物质不易控制，容易造成工作人员灼伤。可以通过水基聚合物淬火剂替代现有的淬火介质，水基聚合物淬火剂具有无毒、无臭等特性，且对材料没有腐蚀、老化作用。水基聚合物淬火剂将是替代现有淬火介质的主要选择。

（4）热处理辅助技术。热处理辅助技术包括热处理数据库、计算机控制热处理技术、热处理环境协调性评估、虚拟热处理技术以及热处理管理技术，热处理辅助技术实质上是通过控制热处理的相关指标改善热处理过程。热处理数据库可以对材料成分、材料性能等数据进行设计控制；计算机控制热处理技术包括CAD、CAM等技术，可以对热处理工程进行优化设计，提高热处理技术的可靠性与稳定性；热处理环境协调性评估可以从资源、能源等角度管理热处理，评估热处理技术的可行性；虚拟热处理技术可以对热处理过程进行模拟，控制热处理工艺的各个指标；热处理管理技术是根据热处理工程进行编辑管理，从而形成标准化的操作流程。

4 总结

热处理技术作为工业制造加工的重要工序之一，直接关系到产品整体质量，同时也是制约我国制造加工业绿色发展的主要因素。因此，我们可以从热处理技术的工艺、设备及介质等三方面进行改进，进而全面推进绿色热处理技术的实施。

参考文献：

[1]廖兰，陈菓，熊翔，刘静.热处理工艺的绿色性评价模型及应用案例[J].金属热处理，2003（03）：59-63.

[2]赵曦，邱城.热处理工艺绿色性评价系统的Matlab实现[J].机电产品开发与创新，2014（03）：82-84.