建筑钢结构热处理技术

＊邱志强

（中国水利水电夹江水工机械有限公司 四川 614100）

热处理技术作为调控钢材性能的重要手段之一，通过改变材料的结构和性能，满足建筑钢结构在不同工程环境下的特定要求。本文将深入探讨建筑钢结构热处理技术的发展、应用和相关挑战，旨在为建筑行业中热处理技术的进一步研究和应用提供参考。

1.热处理技术概述

（1）热处理技术简介。热处理技术是一种金属加工工艺，它通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能。在金属制造过程中，热处理是一种重要的加工方法，它可以改变金属材料的内部显微组织或表面化学成分，从而赋予或改善金属的使用性能。热处理的过程包括加热、保温和冷却三个阶段，这些阶段相互衔接，不可间断。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织[1]。

（2）热处理技术特点。热处理技术需要使用专业的加热设备、冷却设备等，同时需要严格控制工艺参数，因此需要专业的技术人员进行操作和管理。具体而言，热处理技术特点如下：第一，温度控制精确。热处理过程需要对金属材料进行加热和冷却，要求温

度控制精确，以确保达到预定的组织和性能要求。通常通过加热炉和冷却设备来控制温度，确保材料在特定温度范围内进行热处理。第二，时间控制可调。热处理技术的时间控制可调，根据不同的材料和要求，可以进行不同的时间处理，以达到最佳的处理效果。第三，过程可控性强。热处理过程需要对金属材料进行加热、保温和冷却，这些操作可以通过控制加热温度、保温时间和冷却速度等参数来实现，过程可控性强。第四，适用范围广。热处理技术适用于各种金属材料，如钢铁、铝合金、铜合金等，同时也可以用于非金属材料如高分子材料和陶瓷材料的处理。第五，对环境影响小。与机械加工等工艺相比，热处理技术对环境的影响较小，因为它不需要使用大量的切削液、磨削液等液体，对环境友好[2]。

2.建筑钢结构中金属材料的热处理

(1)金属材料热处理分类

金属材料在建筑钢结构中的热处理过程旨在通过加热工件，保持一定温度并进行适当冷却，从而改变金属材料的表面或内部显微组织结构，以实现不同的性能特性，过程主要涉及三种不同的热处理方法：整体热处理、表面热处理和化学热处理。

①整体热处理

在建筑钢结构中，金属材料扮演着至关重要的角色，而整体热处理则是优化这些材料性能的核心工艺。这种处理方法着眼于金属工件的整体，通过精确控制加热和冷却过程，以达到所需的力学性能。整体热处理是将整个金属工件加热，然后以适当速度冷却，以改变其整体力学性能的工艺。在建筑机械中，这种处理常用的方法包括退火、正火、淬火、回火等。退火通过加热至临界温度以上，然后慢速冷却，以软化金属并改善其韧性；正火将金属加热至适当温度，然后在空气中冷却，以提高其硬度和强度；淬火将金属加热至临界温度以上，然后迅速冷却，通常在水或油中，以获得高强度但可能较脆的材料；回火在正火或淬火后，重新加热金属并适度冷却，以减少脆性并提高韧性[3]。

②表面热处理

在建筑钢结构中，表面热处理针对建筑钢结构中金属材料表面的热处理方法，通过对表层加热和控制冷却来改变金属材料表面的物理和机械性能，同时确保内部结构基本不受影响。表面热处理过程对于热源的使用和控制有着高度要求，以确保只有材料表层经历加热，而不对整体结构产生重大影响。因此，表面热处理需要仔细控制加热区域，通常使用局部加热方法，如火焰加热、电阻加热或感应加热，将热量集中于特定区域，仅影响到需要处理的表面层。同时，确保加热的温度和持续时间都严格控制在特定范围内，防止热量渗透到材料内部，仅使表面发生所需变化而不影响整体性能。

③化学热处理

在建筑钢结构中，化学热处理是指通过改变表面的化学成分、性质及微观结构，达到调节材料性能的目的。与表面热处理不同，化学热处理专注于改变金属工件表层的化学特性，而不仅仅是力学性能。在化学热处理过程中，通过在特定环境条件下使用化学物质（例如溶液、气体等），使工件表层发生化学反应，包括氮化、氧化、碳化、氢处理等过程。对于不同的化学热处理，需要严格控制处理条件，例如温度、浸泡时间、处理介质的化学成分和浓度等，这些因素直接影响工件表面的化学变化。完成化学处理后，通常需要进行后续的清洗、中和或其他后处理工序，以确保从工件表面去除残留的化学物质，同时防止不良的化学反应对工件的影响[4]。

(2)金属材料热处理加工

在建筑钢结构中，金属材料的热处理加工具有其特殊性。金属材料的热处理不仅影响其基本力学性能，而且对其耐腐蚀性、尺寸稳定性及与建筑钢结构的整体匹配性都有重要影响。首先，对于建筑钢结构中的金属材料，加热阶段是热处理过程中的关键。由于建筑钢结构通常需要承受巨大的载荷和复杂的外部环境条件，因此对金属材料的性能要求更加严格。在加热过程中，必须精确控制温度，以确保金属材料达到最佳的力学性能。同时，为了避免氧化和脱碳等不良影响，加热过程需要在可控的环境中进行，如在保护气氛、熔融盐或真空中进行，以保持材料表面的化学成分和性能。其次，保温阶段也是建筑钢结构中金属材料热处理加工的重要环节。保温时间的长短直接影响到金属材料的内部结构变化和力学性能的优化。因此，需要根据金属材料的种类、尺寸和热处理目的来确定合适的保温时间。最后，冷却阶段是热处理的最后一步，也是决定金属材料最终性能的关键环节。不同的冷却方法会对金属材料的内部结构产生不同的影响，从而影响其力学性能和耐腐蚀性。因此，在建筑钢结构中，需要根据金属材料的种类和热处理目的选择合适的冷却方法，以确保其满足建筑结构的安全性和耐久性要求。

3.建筑钢结构中金属材料的热处理技术研究

对于新技术的探索和研究，必须先确认其应用特点和前景，以便确定该技术是否有继续深入开发的价值。金属材料的热处理工艺相较于其他一般工艺，一般不存在宏观层面的变化，即材料形状和成分的改变，而是以微观层面的调整，或者说是对金属材料的材质微观结构进行微调，从而达到所需的性能。这是金属材料热处理的显著特性之一。在建筑钢结构的制造过程中，金属材料或工件的形状和化学成分通常固定不变，但对于其力学和化学性能却有着严格的要求[5]。热处理技术的运用，能够通过对金属材料内部结构的调整和优化，使其获得更高的强度、硬度及耐腐蚀性等特性，从而满足建筑钢结构制造过程中的性能需求。

例如，钢铁是其中一个重要的例子，其显微结构非常复杂，但通过热处理工艺加工后，钢铁的各项性能通常能够达到施工所需的标准要求。因此，研究金属材料的热处理技术对于满足建筑领域对材料性能的要求至关重要。尽管这项技术并不直接改变材料的形状和成分，但可以通过微观结构调整和表面处理等手段，有效地提升材料的力学性能、耐久性和适应性，以满足建筑工程的特殊需求。

(1)节能技术

①金属材料热处理节能技术现状

近年来，我国科技在多个领域范围内呈现出蓬勃发展的良好态势，国民经济增长也处于世界前列。金属材料热处理作为一种在制造业广泛应用的技术，在国家经济体系中的分量也十分重要，尤其是对材料的优化作用，对于制造业的影响是显而易见的。但是，随着其应用范围的扩大，金属材料热处理的负面影响也不可避免的增长，但社会没有对其展现出应有的关注。目前，金属材料热处理技术所面临的主要问题包括以下几个方面：第一，资金投入不足。金属材料热处理技术的研究和实际应用所投入的资金严重不足，导致技术研发的滞后和创新能力的受限，限制技术的进步和发展。第二，科研人员稀缺。从事金属材料热处理技术研究的科研人员数量较少。由于人才的短缺，限制对该技术的深入研究和创新，影响技术的提升和应用。第三，封闭经营限制技术交流。我国从事金属材料热处理的企业多为封闭经营，导致技术推广和交流受到了限制和阻碍，缺乏开放的平台和渠道，阻碍了技术的分享和合作。这些问题的存在严重制约了金属材料热处理技术的发展和应用。解决这些问题需要增加资金投入，鼓励科研人员参与相关领域的研究和创新，同时提倡企业间的技术交流与合作，促进行业内部技术共享和发展。通过加强投入、培育人才、推动开放合作，可以更好地推动金属材料热处理技术的发展，提高其在各个领域的应用水平和效益。

②热处理过程中产生的主要污染物

在金属材料的热处理技术研究中，尤其是在节能技术方面，关注的一个重要议题是热处理过程中产生的主要污染物。在实际的生产使用过程中，各种工艺难免会存在一些小的瑕疵，而这些瑕疵可能会对环境和健康造成不同程度的影响。热处理过程中产生的污染物是其中一个重要的考量因素，它们的表现形式和处理难度各异。污染类型主要包括：A.空气污染。热处理过程中可能产生气体排放，如烟尘、气味和有害气体，对空气质量造成影响。B.水污染。淬火工序通常会产生有机物和化学物质，可能导致不同程度的水污染。C.噪声污染。热处理过程中可能伴随着噪音产生，影响周边环境和人员健康。D.电磁污染。与电磁设备的使用有关，可能对周围环境产生影响。

污染物处理包括噪声和电磁污染处理，以及水和空气污染处理。第一，噪声和电磁污染处理。可以采用噪声消除装置和电磁屏蔽装置等技术进行有效处理和防范。第二，水和空气污染处理。水污染和空气污染因其种类和程度不同，处理难度也各异。透过技术手段减少有机物和化学物质的排放，采用过滤、净化等方式进行处理，可以有效控制环境污染的发生。在推进金属材料热处理技术的创新与应用过程中，除了着眼于技术的提升和能效改善外，也需要充分关注所产生的环境污染问题。加速新技术的应用同时也需要重视减少环境污染的策略，通过有效控制和减少污染物的排放，以确保热处理技术的可持续发展和环境友好性。

(2)电子束加热技术

目前，我国金属材料的热处理主要依赖燃烧燃料，难以在短期内实现改变。然而，在金属加工过程中，应鼓励并广泛应用清洁能源，以替代传统的高污染低效的能源形式，为热处理技术的可持续发展注入新的动力。考虑到煤电发热效率不足30%，相较之下，天然气的发热效率约为80%，因此合理利用清洁能源对于提升金属材料热处理效率至关重要。在新技术领域，电子束加热是一种能耗极低的方法。与其他技术相比，电子束加热和感应加热能耗最为低廉。尽管我国有多种感应加热设备，但其节能效果有限，因此并未得到广泛应用。改进加热设备，采用电子束加热型设备，是实现金属材料热处理节能的有效途径之一。因此，在我国金属材料热处理技术研究中，发展和推广电子束加热技术是一项重要而有效的措施。该技术能够显著降低能源消耗，提高热处理的能效，对于实现绿色、环保的金属材料加工具有积极意义。

4.结论

建筑钢结构热处理技术在现代建筑行业中扮演着不可或缺的角色，其对金属材料性能的精确调控为建筑结构的安全和可靠性提供了坚实保障。然而，随着社会经济的发展和科技的进步，需要在持续探索创新的同时，认真面对技术发展中所带来的挑战。节能环保已经成为全球性的趋势，因此，在热处理技术的应用过程中，需要更加注重能源利用的高效性，并努力减少环境污染。