金属材料热处理节能新技术的运用研究

2020-12-10蒋超友

中国金属通报 2020年3期

蒋超友

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东莱芜 271104）

近年来，我国的环保形势日趋严峻，尤其是工业生产过程中产生的电力能源消耗量呈现出逐年递增态势，由此给自然生态环境造成的污染指数不断攀升。同时，大量的能源消耗也给工业生产企业带来了巨大的经济损失，针对这种情况，降低金属材料热处理过程中的能源消耗量，已成为诸多工业生产企业普遍关注的焦点问题。

1 金属材料热处理过程中存在的问题

1.1 能源消耗大，利用效率低

与发达国家相比，我国工业生产领域中的金属材料热处理能源消耗量仍然占据着较大比重，据统计表明，进入二十一世纪后，国外一些发达国家，在金属热处理过程中的电力能源消耗已经控制在350kw·h/t以下，而我国的电力能源消耗则在600kw·h/t上下浮动，由此可见，金属材料热处理中大量的能源消耗情况已成为一个不争的事实。因此，电力能源的高消耗给自然生态环境造成了严重污染。

1.2 工艺落后，设备陈旧

目前，我国的工业生产行业，尤其是机械加工企业，在金属热处理过程中使用的机械设备过到陈旧，导致在设备运行时，故障频出，节能指标较差，与国家环保部门制订的行业标准相差甚远。部分企业为了节省设备采购资金，在选择设备类型时，往往更倾向于即将被市场淘汰的老旧品牌及型号的设备，造成设备返修率、返厂率较高，尤其是设备在频繁检修过程中，需要消耗的电力能源总量已远远超过预期正常值范围，能源浪费现象较为常见。

1.3 生产过程废弃物多，环境污染现象严重

在金属材料热处理过程中，将产生大量的废水、废气、废渣以及设备噪声，其中废水中的主要污染物有8种～10种，在金属材料淬火与回火时，及易产生硝盐废水、钡盐废水以及含油酸碱废水，其中包括氯化钡、亚硝酸盐、矿物油、氯化钡、PH、SS、COD以及沉淀污泥等。而废气则包括氯、氟等卤族元素养、强氧化剂产生的有毒有害气体，废渣包括钡盐废渣及以硝盐废渣。当这些废弃物排放到空气中、水体中或者土壤当中，将给自然生态环境造成严重污染，甚至危及人们的身体健康安全[1]。此外，喷砂机、喷丸机、高速燃烧嘴、燃烧器、发电机等设备也会产生110dB～120dB的噪声，给生产作业人员的身体健康带来诸多负面影响。

1.4 专业技术人员匮乏，欠缺技术创新人才

目前，虽然国内个别高校开设了金属材料热处理专业，但是，由于专业开设时间较晚，理论与实践教学水平还处于初级发展阶段，这就导致工业生产企业缺少大量的高精尖专业技术人员。加之原有的技术人员接受新技术的缓冲时间较长，在节能技术的应用方面还未建立专业的技术培训体系，导致节能技术的推广与应用环节较为薄弱，甚至一些机械加工企业仍然沿用过去的生产工艺，造成能源及资源的大量损耗，给企业健康可持续发展蒙上了一层厚重的阴影。

2 金属材料热处理节能新技术的实际运用效果

2.1 CAD技术在热处理中的应用

CAD技术的主要应用载体是计算机，在金属材料热处理过程中，技术人员可以运用计算机系统的模拟软件对热处理工艺流程进行模拟演示，进而精准分析和确定设备的设计缺陷，并及时获取电力能源消耗数据，然后根据模拟数据以及节能标准，对模拟流程进行调整，模拟完毕后再投入生产。这种事前预测分析节能指标的技术可以对模拟的节能效果进行准确评估，也可以随时调整设备节能参数，直到达到最佳的节能运转状态。目前，该项节能新技术已成为诸多企业普遍采用的事前预测技术，并在实际应用当中取得了阶段性节能成果。

2.2 化学热处理薄层渗入技术的应用

利用化学元素的薄层渗入法能够不仅能够起到节能效果，而且也能够提高金属材料的表面硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗回火软化能力。较为常用的化学元素是气态氮，由于渗氮温度较低，金属材料发生畸变的几率较小，渗氮后，金属零件的表面硬度能够达到HV850～HV1200。但是，值得注意的是，并不是气态氮渗入薄层的深度越深，节能效果就越好，反而结果恰恰相反。主要是由于气态氮的渗入深度在逐步加深过程中，需要大量的加热时间，在这段时间内，将产生大量的能源消耗，因此，必须科学精准控制好气态氮的渗透深度。经过大量的现场实验证明，当气态氮的含量在金属材料表层减少30%以后，能够有效节约33%的电力能源。同时，也降低了煤油、甲醇等能源的使用率，达到了节能降耗的目的，对自然环境的污染指数也大帐降低。可见，化学元素薄层渗入技术的应用频率越来越高。

2.3 振动时效处理技术的应用

振动时效处理技术可以从宏观以及微观两个角度予以考虑，从宏观角度考虑是加快金属零件塑性变形的速度，以降低金属内部的残余应力，确保金属零件的加工精度，实践证明，这种加工工艺可以降低30%～80%的残余应力。从微观角度考虑则是施加在金属零件上的一种附加动应力，使其与金属内部的残余应力相叠加，而阻止金属零件产生塑性变性，以提高金属零件的强度。如果利用传统的时效处理工艺，需要长时间的低温加热，才能改变金属零件的性状，但是持续加热需要消耗大量的电力能源，而且热处理效果也不尽人意。因此出于节能方面考虑，在应用振动时效处理技术时，可以采用不同频率产生的多谐波共振原理制造的多型振动时效电脑控制装置，来替代原有的热时效处理技术，这项振动时效处理新技术能够节约电力能源90%以上，同时，金属零件的抗变形能力提高30%以上，尺寸稳定性提高30%以上，疲劳寿命提高20%以上。

振动时效处理技术通常情况下，低温加热时间只需要15min～45min，而且不受生产区域、金属物理特性的限制，这种先进的处理装置能够同时处理几千克到几百吨的金属材料，大大提升了生产效率，降低了环境污染指数。同时，这种生产工艺具有较好的经济性，立竿见影，投资回报率高，是机械加工行业当前乃至未来一段时期内的主流节能技术[2]。

2.4 激光热处理技术的应用

由于激光具有极强的穿透力，因此，在高能激光的作用下，能够快速改善金属材料的表面性能，对提高金属零件的硬度、耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性起到积极的促进作用。如果采用激光淬火生产工艺，激光对金属热影响区域较小，并且加热速度快，硬化效果好，相比于常规淬火，金属零件硬度能够提高20%以上，同时，不需要任何冷却介质，便可实现自冷硬化。其中，在金属材料热处理过程中，较为常用的激光热处理技术包括激光相变硬化、激光表面合金化、激光涂履以及激光晶粒细化等技术。在实际应用时，激光可以实现远距离操作，一台激光器可以顶替多组工作台，技术人员只需在操作终端进行电脑程序编程即可，节省了大量人力资源。更为重要的是，激光热处理技术加热速度较快，这就降低了金属材料的加热时间，大幅降低了电力能源消耗量，属于一种新型的绿色节能技术。

2.5 真空热处理技术的应用

真空热处理技术属于清洁生产技术的重要组成部分，主要利用真空技术降低氧分压，进而实现低压渗碳等金属材料表面处理工艺，当金属表面处理工艺完成后，能够快速过渡到高压气淬的工序，节省了大量加热时间，降低了能源消耗。目前，由于真空热处理技术的应用时间较晚，在生产过程中，也无法创设一个绝对真空的环境，所以，通常情况下，只需要低于10Pa的环境就能够收到理想的热处理效果。在这种环境之下，金属材料的变形值几乎为零，同时，也有效避免了金属表面产生气孔。但是相比于其它节能新技术，真空处理技术的设备使用率相对较低，在我国，应用真空技术对金属材料进行热处理的比率只有5%左右，与发达国家之间还存在较大差距，由此可见，真空热处理技术的全面推广与应用还需要一段漫长的时间，这也使广大技术人员面临着巨大挑战。