浅析中国粉末冶金热工装备研究现状及发展趋势

戴煜 羊建高 李礼

根据美、日、德等国热处理工业今后10年的技术发展路线图、中国热处理与表层改性技术路线图以及《中国制造2025》中提出的相关发展目标，结合当前粉末冶金热工装备制造技术的现状，笔者就国内粉末冶金热工装备技术未来的发展方向进行了深入的思考与探讨，指出中国粉末冶金热工装备技术将呈现5大发展趋势，即装备产能的大型化、控制手段的智能化、设计研发的信息化、研制方向的绿色化以及设备功能的集成化。

近年来，粉末冶金作为“先进冶金”的高新技术代表，日益渗透至相关学科及技术领域，促进了新技术的形成、应用和发展，如快速固结、PIM成形以及3D打印技术等快速成形技术的出现，使粉末冶金技术成为最引人注目的先进材料及关键零部件制备技术，受到各国重视[1]。

“一代装备，一代材料。”当今世界的工业强国无一不是装备制造业的强国，美、日、德等发达国家均以装备制造业作为经济的支柱产业[2]。中国粉末冶金行业起步较晚，技术装备相对落后，经过多年“技术引进-消化吸收-自主创新”，装备制造水平取得了长足进步。但是，与发达国家相比，整体技术水平仍存在较大差距，自主创新能力亟待加强。“工欲善其事，必先利其器”，装备制造技术的落后已经成为制约我国粉末冶金新材料产业提升与转型的瓶颈。加快粉末冶金热工装备制造技术的发展，对实现“中国制造”向“中国创造”转变，推动粉末冶金产业技术进步，从“制造大国”走向“制造强国”，以及实现“中国梦”具有重大意义。

本文依据美、日、德等国热处理工业今后10年技术发展路线图[3]、中国热处理与表层改性技术路线图[4]以及《中国制造2025》中提出的相关发展目标，结合国内粉末冶金热工装备制造技术的现状，就其未来的发展趋势进行深入思考与探讨，并提出具体的技术发展实施路线图。

一、粉末冶金热工装备定义

粉末冶金是一门集制粉、成形、烧结等多重工艺于一身的综合性前沿技术。经烧结后的制品可直接使用，但对于某些性能要求较高的制品则还需烧结后处理。烧结后处理，即为提升烧结制品性能进行的各种工艺处理，常见的工艺主要有：浸渍、复压、复烧、（化学）热处理、水蒸气处理和表面处理等。

因此，所谓粉末冶金热工装备，虽然GB/T3500-2008《粉末冶金术语》中没有给出明确定义，但是笔者认为，粉末冶金热工装备即用于实现粉体及其制品煅烧、还原、碳化、烧结、烧结后处理等工艺的加热、冷却或各种辅助作业设备。

经过多年发展，粉末冶金热工装备品种日益丰富、分门别类，囊括了以回转式/流态化/复合动态煅烧炉等煅烧设备；以管式/钢带式/网带式/推杆式还原炉等还原设备；以网带式/无网带自牵引式/真空碳化炉等碳化设备；以管式/网带式/真空多功能烧结炉等烧结设备；以及以网带式水蒸气处理炉、热等静压炉等烧结后处理设备。

笔者所在的湖南頂立科技有限公司（以下简称“顶立科技”）近年来开发出的新型、具有中国特色的几种粉末冶金热工装备如图1所示。

二、国内粉末冶金热工装备产业的现状

据权威部门统计，我国硬质合金产量已占全世界总产量的近50%、稀土材料占据90%以上、人造金刚石粉80%左右、铁粉已逾1/3以上，这些都说明中国是世界上最大的粉末冶金生产国。国内粉末冶金行业的发展，印证着粉末冶金热工装备产业也在快速发展。

当前，在技术全球化的新格局下，国内粉末冶金热工装备有了较大提升，整体技术能够满足国内粉末冶金行业的基本要求，正朝向国际先进水平迈进[5，6]。但是，与发达国家相比仍存在较大差距，具体表现为：

1.粉末冶金热工装备综合技术差距较大

国内粉末冶金热工装备总体技术落后、更新换代慢，装备制造技术仍处于中、低端水平，高端粉末冶金热工装备占量不足30%，而发达国家这一比例已超过80%。

①关键共性技术研发落后

国内粉末冶金热工装备设计技术基础薄弱，特别是在整体结构布置、炉膛构造、炉用节能材料、温度场/流场分布模拟、气氛控制等方面存在差距，导致设备无效工作区域大，设备占地面积较国外同类产品增加近20%；产能仅为国外产品的一半，能耗指标与原材料损耗却是发达国家的2倍；各种污染物排放浓度超标严重。

②智能控制技术应用落后

发达国家新一代数字智能化粉末冶金热工装备均运用精密、智能控制技术，生产过程全自动动态调控以及生产无人化作业等，这也是未来粉末冶金热工装备的发展方向。相反，国内装备仍停留在人工设定，凭经验进行结果估算，不以产品最终性能指标为控制目标，仅对工艺参数实施定时、定值的控制，因此产品质量波动大，质量重现性差。

③装备制造信息化程度低

国外粉末冶金热工装备制造企业广泛采用计算机辅助生成、计算机模拟、模块化快速设计和企业资源计划（EPR）系统和企业资产管理（EAM）体系等现代信息化设计研发与管理措施，产品具有开发周期短、成功率高、生产成本低和售后服务响应快等特点；国内企业尚未形成系统的设计开发体系，主要依赖仿制，各类辅助设计软件缺乏，标准化管理体系零散，更无完整的产品数据库。

2.粉末冶金热工装备产业化水平差距大

国外装备制造企业大量运用智能机器人和快速自动检测等先进手段，因而国外整体制造水平较高。反观国内，多为人工操作，检测设备落后，设备产业化水平较低。

3.粉末冶金热工装备创新能力差距大

据统计，国内粉末冶金相关专利的年申请量已达1 200余件，是跨国公司的3倍以上，标志着我国粉末冶金行业的蓬勃发展[7]。但是，在创新发明质量方面，国内机构不及跨国公司。国外主要体现在关键共性技术攻关的成果多，而国内多数采用简易的工艺改进，甚至仿造。国内粉末冶金热工装备在知识产权方面存在量广而质不精的问题，客观反映出我国自主创新能力亟待加强。

三、我国粉末冶金热工装备发展趋势

1.装备产能的大型化

装备产能的大型化是实现高效生产和效益最大化最直接的途径。目前世界上最大、最先进的粉末冶金热工装备的制造几乎都集中在西方发达国家。据悉，国内有记载的大型钢带式铁粉精还原炉，其单台设备的最大年产量仅为7 000t[8]。

因此，在引进国外最先进的装备技术的同时，有必要对这些先进技术进行消化、吸收和再创造，增强自主创新与集成能力。值得正视的是，在没有任何经验借鉴的基础上研制大型设备，可能存在很大的技术风险。如何设计大型设备，不断优化工艺参数，发挥装备功效，进而实现大型装备的自主研发是我国粉末冶金热工装备行业面临的难点之一。

针对装备产能大型化的难题，笔者所在的顶立科技研制开发了万吨级带式还原设备（如图2所示），该装备自动化程度高，钢带宽度达到1.5m，最大年产量可达12 000t，且具有显著的节能效果。产品能耗及性能全面超过美国进口钢带炉（对比如表1所示），整体技术达到国际先进水平，申请专利4项，已在武汉钢铁集团公司得到应用。

为满足国家航天某重大专项对超大型炭材料构件的专有需求，顶立科技新近研制的大尺寸真空烧结设备，其有效均温区达到31.25m3（单次装载量可达20 000kg），均温性达到≤±10℃，并解决了2 600～2 800℃高温下加热元件的膨胀失效与绝缘问题（图3）。

2.控制手段的智能化

在现代化大生产的时代背景下，传统粉末冶金装备已无法适应。提高粉末冶金制品质量，关键取决于粉末冶金热工装备是否具备先进的智能化控制手段，具体而言即调控精准化、过程数字化及运行可靠化。

①调控精准化

近年来，新一代诸如激光诱导的光谱分析在线检测粉体成分、X射线衍射分析在线检测粉末冶金制品组织性能和均匀性、基于图像处理技术的表面缺陷在线检测技术等在线质量检测技术逐渐在国外粉末冶金热工装备中应用。国内该项技术仍停留在科研院所的试验阶段，无法应用于实际生产。因此，如何建立产学研用一体化的创新体系，扩大该项技术的推广将是我国粉末冶金热工装备制造企业亟待进行的研究课题。

②过程数字化

粉末冶金热工装备领域数字化仿真和数字化设计主要应用于各工序的动/静态问题分析，内容涵盖温场/流场、各种反应机理/形变机理/相变机理的研究，并朝着多对象、多介质、多机理、多尺寸、多目标的方向发展。数字化仿真和虚拟实现技术的应用，有助于工艺流程的创新、参数的优化、新产品的研发和新装备的研制。现阶段，西方发达国家在航空航天用關键粉末冶金装备的开发上实现了数字化研制，而我国在该领域的研究落后于国外。

③运行可靠化

随着网络技术、通讯技术、传感器技术、信号处理技术的不断完善，基于因特网/内联网的远程监控技术、微型智能传感器、激光和远红外测量技术等一批新技术可应用于设备状态监测，大大丰富了状态监测的手段。另外，非线性信号处理方法和多因素故障趋势预测方法，提高了设备故障诊断的准确性，有效保障了设备运行中的可靠性。

顶立科技在研制现代化粉末冶金热工装备的历程上，以“控制手段智能化”为发展方向：配置工控机，实现过程控制智能化；气体系统采用智能集中柔性控制，提高炉内气氛的稳定性，确保产品的整体一致性；利用IPC技术，实现温度调节、气氛控制等在线运行管理，提高装备的智能化水平；采用统计过程控制技术（SPC），建立参数的过程数学模型，基于统计学的参数控制，并利用传感器和微机对各参数进行精确监控。

3.设计研发的信息化

装备制造业向“智能化”发展的阶段特征是制造技术与现代信息技术融合。通过调研分析，国内粉末冶金热工装备信息化程度已经进入全方位、多层次发展的新阶段。未来粉末冶金热工装备信息化的发展趋势必然是基于网络，向数字制造和虚拟制造的方向发展[9]。

利用先进的信息化规划设计理论，优化并完善适应新一代粉末冶金热工装备需求的信息化综合管理体系，促进粉末冶金热工装备整体信息化水平；建立统一数据标准化体系，建设设备数据中心，完善“数字制造”，提高装备设计制造一体化水平；运用互联网、云计算、大数据、物联网等先进IT技术，实现研发—设计—制造一体化、数字化和智能化管理。

利用EPR系统和EAM系统，通过设备管理的信息化保障设备安全运行、管理受控，提升装备整体水平；利用先进的网络与视频设备，建立基于宽带网的设备故障自诊断、生产批次管理与监控、设备故障自诊断、网络远程技术服务功能系统等远程监控与服务支持技术，为客户提供快捷的在线设备监控与技术服务响应；根据客户产品的特点，提供响应的工艺服务技术支持，为客户提供粉末冶金工艺制定、生产管理、设备维护等系统技术方案。

4.研制方向的绿色化

提高中国粉末冶金热工装备竞争力，必须在工艺设计、能源利用效率以及尾气处理等节能环保方面大下功夫，推动以“高效、低能耗、低排放或零排放”为基础的绿色化产品制造理念。

①优化炉体结构设计，减少热损失，提高炉温均匀性。采用计算机辅助设计与模拟等手段对炉体构造、加热元件形状及分布等进行优化设计，提高设备节能性及均温性（如图4所示）；应用传热学计算设计，合理利用新型隔热炉衬结构，减少炉衬的散热和蓄热量，提高炉温均匀性，同时保证设备外壁温升<20℃。

顶立科技攻克了大型粉末冶金设备均温性控制技术，通过合理设计温度补偿区域、加热器形状与分布，以及保温层模块化设计，并采用17区分区独立控温，成功地解决了大型设备控温难、温度均匀性偏差大等技术难题，设备加热区有效容积达到31.25m3，炉温均匀性高达±5℃。

②研究红外辐射涂料涂层等新型节能材料，并同时采用轻质砖、耐火纤维、复合炉衬，降低炉膛热辐射，减少热损失，缩短升温时间。顶立科技最新研制的带式还原炉，其炉衬材料采用轻质耐火保温陶瓷纤维板。与传统全砖结构炉衬相比，散热损失和蓄热损失大为减少。纤维制品质量轻、比热容小，可使保温层厚度减少1/3左右，故总重量减轻30%左右。此外，产品炉衬采用全纤维整体结构，物料在还原过程中不会出现炉温波动现象，比传统精还原炉结构节能30%左右。

③优化尾气处理技术（见图5），提高燃气热效率，减少废气排放。顶立科技研制的无网带自牵引式碳化炉配置专用的尾气处理系统。工作过程中，由炉体内排出的尾气自排气支管通入尾气处理装置内，并依次对其中含有的有害物质进行处理，最终将处理后的无毒、無害气体收集过滤再排放。

④运用计算机模拟技术，实现对整个粉末冶金工艺过程的精确控制，缩短工艺周期，提高利用率，减少CO2排放，保护大气环境。

5.设备功能的集成化

①将多道粉末冶金工序集成在一台设备上进行

这种“一炉多用”的多功能一体化炉（见图6），能有效减少各道工序的重复升温、冷却过程，降低能耗，节能效果显著。

高效节能网带式脱脂/烧结/淬火多功能炉，将快速脱脂、高温烧结和快速冷却多道工序集成在一台设备上进行，实现了多功能集成。较同类产品，设备总长度缩减至20.5m（传统为24m），占地面积大为减少；脱脂段与预烧段的长度比为1∶0.25（传统为3∶4），产品生产能力提高30%。产品整体技术达到国际先进水平，申请国家专利5项。

②产品模块化设计

可针对用户现有设备进行加装，减少用户投资。即将产品分成几个模块进行分类设计，每一部分都具有独立功能，具有一致的几何连接接口和输入、输出接口单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成不同的产品。通过模块的组合配置，创建不同需求的产品，满足不同客户的定制需求。

顶立科技研发的高效节能网带式脱脂/烧结/淬火多功能炉，其快速脱脂系统装置与气淬装置均实现了模块化设计（见图7），可根据客户工艺需求进行加装与撤除。

四、我国粉末冶金热工装备产业发展技术路线图

1.粉末冶金热工装备产业10年发展目标

到2025年，现有类型的粉末冶金热工装备在生产效率、智能化程度、节能减排、可靠性等技术指标上与国际先进水平同步，国内品牌粉末冶金热工设备在国内中、高端市场占有率达到80%以上，并实现大量出口；到2025年，粉末冶金热工装备能耗指标平均降低60%，粉末冶金生产对环境的影响基本为零，质量保证体系和企业信息化管理水平与国际先进水平同步，并形成几家具有国际竞争力的跨国企业，生产率与国际先进水平接近；到2025年，粉末冶金热工装备配件及辅助材料在质量、可靠性、使用寿命上可与国际先进水平同步，国产品牌的配件及辅助材料在国内中、高档粉末冶金热工装备上的配套率达到80%以上。

2 .发展建议

笔者建议，今后10年粉末冶金热工装备行业要重点发展关键共性技术。

①大型粉末冶金热工装备设计共性技术开发大型粉末冶金热工装备的炉体强度设计、真空获取、气氛控制、加热控温系统、冷却系统与气流、冷却能力等关键共性技术。

②粉末冶金热工装备动态控制与计算机模拟技术实现对大型、非标加热元件分布、加热控温系统、尾气处理系统的科学设计，使装备设计由经验型向科学计算性转变。以需求为导向，建立工艺、材料、设备数据库，根据制品材料、形状及工艺等要素，对工艺过程进行二维/三维在线模拟仿真，实时调控工艺参数，实现粉末冶金热工装备智能化发展；

③设备的远程监控和工艺服务支持技术配置先进的网络与视频设备，建立基于宽带网的设备故障自诊断、生产批次管理与监控、设备故障自诊断、网络远程技术服务功能系统、全自动无人值守系统，为客户提供粉末冶金工艺制定、生产管理、设备维修等系统信息化技术方案；

④粉末冶金热工装备节能减排技术以优化炉体结构、新型炉用材料、设备能效管理、余热利用、废弃废液减量化为主体的绿色化控制技术；

⑤技术多道粉末冶金工序集成于同一设备，并实现产品设计的模块化，可根据客户的工艺需求进行加装与撤除。

⑥热工装备如何与“工业4.0”技术体系相结合，迎合《中国制造2025》发展目标。

以技术驱动与创新为前提，推动粉末冶金热工装备制造走向高度网络化、数字化、智能化的智能制造发展方向，以制造的服务化（物联网与务联网）实现价值提升。

五、结语

在国家战略性新兴产业对粉末冶金新型热工装备不断增大的需求下，我国粉末冶金热工装备向大型化、智能化、信息化、绿色化以及集成化发展是未来的必然趋势；以现有优势技术为契机，大力发展现代化粉末冶金热工装备制造技术，形成以点带面、全新的粉末冶金热工装备产业发展格局，加速我国粉末冶金新技术与新装备的进步；在当今的国际大背景下，只有制订并贯彻中国粉末冶金热工装备产业发展的技术路线图，才能实现《中国制造2025》提出的发展目标，实现由“中国制造”向“中国创造”转变，中国才能成为真正的粉末冶金技术强国。

参考文献

[1] 吴引江.国内外粉末冶金技术发展概况[J].稀有金属快报，2001，（6）：1-4.

[2] 李晓红.一代材料，一代装备[J].新材料产业，2009（11）：15-21.

[3] 戚正风.谈谈美国“热处理技术发展路线图”[J].金属热处理，2010（1）：19-22.

[4] 赵振业，闰牧夫，田世藩，等.中国热处理与表层改性技术路线图[M].北京：中国工程院，2013：145-180.

[5] 韩凤麟.2014年全球粉末冶金产业发展概况[J].粉末冶金工业，2014，24（6）：1-5.

[6] 孙克云，丁传毅.我国粉末冶金工业炉的发展状况[J].粉末冶金工业，2008，18（6）：36-39.

[7] 刘曼朗.从专利申请看我国粉末冶金发展趋势[C].冶金知识产权研究会论文集，北京，2008：346-352.

[8] 段智勇，李云明，李明，等.钢带式铁粉还原炉结构改造[J].山东冶金，2012，34（5）：76-77.

[9] 张有义，王全聪.现代制造技术的发展趋势及我国制造业的对策[J].机械工程与自动化，2004，（1）：12-14.