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摘要：熱處理是提高金屬材料力學(xué)性能和保證零部件質(zhì)量的關(guān)鍵工藝方法，也是機(jī)械制造行業(yè)不可或缺的工藝過(guò)程。但熱處理又是高耗能工序，因此在堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展的新形勢(shì)、新要求下，提高熱處理設(shè)備能源的利用率對(duì)減小日益嚴(yán)峻的能源與環(huán)境保護(hù)壓力具有十分重要的意義。企業(yè)通過(guò)自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)熱處理裝備節(jié)能降耗改造升級(jí)，將傳統(tǒng)熱處理設(shè)備不斷注入新技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足新產(chǎn)品、新工藝開(kāi)發(fā)的需求。從熱處理裝備節(jié)能環(huán)保技術(shù)改造的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，并對(duì)熱處理裝備未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：熱處理；能耗；熱處理裝備；改造；節(jié)能環(huán)保

1序言

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，能源浪費(fèi)和短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，而由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)題也日益突出[1]。熱處理作為一種可以獲得預(yù)期組織和性能的金屬熱加工工藝，是提高和保證產(chǎn)品零件內(nèi)在性能和質(zhì)量的不可缺少的工藝手段。熱處理行業(yè)是一個(gè)能源消耗大戶(hù)，提高熱處理設(shè)備能源的利用率對(duì)我國(guó)制造業(yè)節(jié)能降耗有著十分重大的戰(zhàn)略意義。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在相同的能耗條件下，其產(chǎn)量是我國(guó)產(chǎn)量的5倍以上。因?yàn)槲覈?guó)的能源短缺，所以挖掘熱處理設(shè)備節(jié)能降耗的潛力是節(jié)省能耗的必要措施。目前，國(guó)外的熱處理設(shè)備大部分已采用燃?xì)廨椛涔?、全自?dòng)控制的熱處理生產(chǎn)線(xiàn)，熱處理工藝過(guò)程的控制已向著自動(dòng)化、智能化和柔性化發(fā)展。而國(guó)內(nèi)仍處于一種設(shè)備陳舊、工藝保守、設(shè)備管理落后、裝備笨重、能源利用率低的現(xiàn)狀[2]。由于熱處理生產(chǎn)的特點(diǎn)，其設(shè)備和工藝材料在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)造成環(huán)境污染。尤其是老舊的設(shè)備和工藝材料所產(chǎn)生的“三廢”排放問(wèn)題，目前主要的污染形式有空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、輻射污染和噪聲污染等多種污染形式[3]。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[4]：熱處理能耗極高，環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，熱處理設(shè)備節(jié)能改造升級(jí)顯得尤為必要。熱處理裝備技術(shù)改造的核心就是從清潔生產(chǎn)、節(jié)約能源、無(wú)氧化、質(zhì)量精確控制和信息化等原則出發(fā)，做到提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，也要達(dá)到降低能源消耗、企業(yè)成本和環(huán)境污染的目的。熱處理裝備的節(jié)能環(huán)保改造措施主要有以下幾個(gè)方面[5]：（1）合理選擇能源熱處理的能源一般分為電能和燃料兩大類(lèi)，企業(yè)用電還是用燃料以及用何種燃料均取決于每個(gè)企業(yè)的自身?xiàng)l件。（2）減少爐外散熱，降低爐體與工裝吸熱在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)裝爐量的情況下，可以考慮減少爐膛受熱面積，以達(dá)到減少爐外散熱的目的；采用密度小的絕熱耐火材料，以達(dá)到減少爐襯蓄熱的目的；在保證產(chǎn)品裝爐量不變的情況下，降低工裝的重量、減少工裝吸熱也可以間接起到降低能耗的作用。（3）充分利用余熱針對(duì)不同的熱處理設(shè)備進(jìn)行余熱回收利用的設(shè)計(jì)，回收余熱可以用來(lái)烘干砂型，或預(yù)熱產(chǎn)品。本文以熱處理裝備技能環(huán)保技術(shù)改造為主題，簡(jiǎn)要闡述熱處理裝備節(jié)能環(huán)保改造的現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)熱處理裝備的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2熱處理設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)改造的基本原則

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)有很多生產(chǎn)效率低、能耗大的老舊熱處理設(shè)備，成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重，極大地制約了企業(yè)的健康發(fā)展。采用技術(shù)創(chuàng)新的手段對(duì)熱處理設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造升級(jí)，大幅提高設(shè)備功效，為熱處理企業(yè)降本增效注入新的活力，不斷提高企業(yè)生產(chǎn)力，是目前熱處理行業(yè)亟待研究的重要方向。概括起來(lái)，主要有以下幾個(gè)方向[6]：1）環(huán)境友好，消除對(duì)操作人員的安全健康隱患，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程清潔綠色的設(shè)備改造。2）能源利用率高，能充分利用生產(chǎn)物料，并使剩余物料獲得再生、重復(fù)使用的設(shè)備改造。3）真空度高，能實(shí)現(xiàn)金屬材料的無(wú)氧化，無(wú)脫碳，保持工件的尺寸精度和良好表面狀態(tài)的設(shè)備改造。4）加熱和冷卻過(guò)程均勻，使工件畸變達(dá)到最小程度的設(shè)備改造或工裝改造。5）批量生產(chǎn)過(guò)程高度自動(dòng)化和質(zhì)量在線(xiàn)控制的設(shè)備改造。6）工藝過(guò)程穩(wěn)定，爐內(nèi)溫度、氣氛均勻，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的低分散度和高重現(xiàn)度的設(shè)備改造。7）低故障率，能保證在規(guī)定大修周期內(nèi)無(wú)故障的設(shè)備改造。8）具有設(shè)備故障自診斷和遠(yuǎn)程服務(wù)功能的設(shè)備升級(jí)。

3熱處理設(shè)備節(jié)能環(huán)保改造技術(shù)方法現(xiàn)狀

3.1爐襯改造

熱處理一般要經(jīng)歷把工件和爐體由室溫狀態(tài)加熱到所需工藝溫度的過(guò)程，首先要將爐襯加熱到內(nèi)外溫度保持到一定的平衡狀態(tài)，使?fàn)t襯的蓄熱達(dá)到飽和，爐襯的蓄熱要耗費(fèi)大量的熱能。周期式爐和連續(xù)式爐第一次升溫需很長(zhǎng)時(shí)間，不連續(xù)使用的周期爐，每次使用都要從冷態(tài)升溫，會(huì)消耗大量熱能。爐襯的蓄熱和材料密度成正比，輕質(zhì)爐襯材料的隔熱性能好，傳到爐外殼的熱量小，故爐壁溫度低，由爐壁向外界散失的熱也少。一般爐襯和外殼的蓄熱能占到爐子所需總熱能的20%。輕質(zhì)耐火磚、陶瓷纖維及其制成品爐襯密度小，隔熱性好，故蓄熱小，散熱少，因此獲得了廣泛應(yīng)用。把重質(zhì)耐火磚爐襯改為陶瓷纖維的節(jié)能效果因各企業(yè)爐型和使用條件的不同而各異。裝爐量為400kg的密封滲碳爐由輕質(zhì)耐火磚改為陶瓷纖維可節(jié)約13%的燃料，使空爐升溫時(shí)間縮短1/3，使碳勢(shì)恢復(fù)時(shí)間減少到原先的1/4。輸送帶式淬火加熱爐爐襯由重質(zhì)耐火磚改陶瓷纖維塊的實(shí)際節(jié)約燃料率空爐升溫時(shí)間減少到原來(lái)的1/10，每日可節(jié)約50%的燃料[7-8]。生產(chǎn)的加熱爐用陶瓷纖維隔熱材料，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源10%以上和產(chǎn)品輕量化，也可替代原有的石棉隔熱材料和耐火磚爐襯。據(jù)報(bào)道[9]，這種爐襯已經(jīng)占?xì)W洲加熱爐隔熱材料市場(chǎng)的50%左右。由于價(jià)格偏高，在我國(guó)還未達(dá)到廣泛使用。

3.2高效節(jié)能型熱處理工裝改造

傳統(tǒng)的在料筐中通過(guò)格盤(pán)將工件分層擺放來(lái)增加裝爐量的方式。行業(yè)中對(duì)于氣氛爐、真空爐工裝設(shè)計(jì)普遍采用分層平料盤(pán)加圍板組合的方案。該方案能夠滿(mǎn)足工件不受擠壓磕碰的要求，雖具有一定的通用性，但依舊存在裝爐量偏少的缺陷，致使單件產(chǎn)品的熱處理成本偏高，降低了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。因此，長(zhǎng)期以來(lái)如何提高氣氛爐、真空爐的一次裝載量成為熱處理技術(shù)人員的一個(gè)課題。為徹底解決上述問(wèn)題，將料盤(pán)設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)分布且四周帶有邊框的結(jié)構(gòu)，邊框上下平面與料盤(pán)底面上的支撐座可同時(shí)起到支撐作用，盤(pán)與盤(pán)之間直接碼放，或可拆卸結(jié)構(gòu)。選用高Ni、含Ni的優(yōu)質(zhì)耐熱材料，配以科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與良好的鑄造工藝，可將氣氛爐、真空爐料盤(pán)筋架厚度最大限度地做薄，以此減少工裝自身所占有的空間。即在同等裝爐空間下最大限度地提高裝載層數(shù)來(lái)增加整體裝載量，同時(shí)也減輕工裝的整體重量，降低消耗，進(jìn)一步達(dá)到提效節(jié)能的作用[10]。

3.3熱源的選取

電加熱的熱處理爐，有較高的溫度均勻度和精度，但是電能屬于二次能源，能源利用率較低。煤氣、油以及天然氣屬于直接利用的能源，采用這些能源加熱的熱處理爐，能源利用率比電加熱爐高，但是其二氧化碳排放量較大。利用太陽(yáng)能是一種節(jié)能的先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)聚焦、集熱器等裝置轉(zhuǎn)化光能為密度高達(dá)3000W/cm2的能量，用于金屬表面淬火、回火、退火等處理，太陽(yáng)能爐尚在試驗(yàn)中，有待進(jìn)一步完善，但相信隨著科技的發(fā)展，終會(huì)投入生產(chǎn)，成為節(jié)能型綠色熱處理用爐[11]。

3.4熱處理余熱回收利用

熱處理實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中大量可利用熱能直接排空，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境，余熱回收就是將這部分浪費(fèi)的熱能回收利用。使用各種燃料的燃料爐的廢熱利用的潛力很大。從爐中排出的廢氣溫度比爐子指示溫度至少要高50℃。最后排出的廢氣溫度越高，爐子的熱損失越大。燃燒過(guò)程需要大量空氣，利用燃料廢氣熱量來(lái)預(yù)熱空氣是燃燒爐的最大節(jié)能措施[7，12]。

4展望

綠色化、智能化、柔性化是熱處理設(shè)備技術(shù)改造的核心發(fā)展方向。在“十三五”期間，熱處理設(shè)備技術(shù)改造的市場(chǎng)需求與日俱增。企業(yè)需要依靠自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不斷地對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造優(yōu)化，在每一個(gè)細(xì)節(jié)上下功夫，適應(yīng)市場(chǎng)和客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，降低生產(chǎn)能耗和環(huán)境污染。

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作者:游菲 姜影 王玉才 沈子達(dá) 單位:株洲中車(chē)天力鍛業(yè)有限公司

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