热处理节能减排与清洁生产若干问题的探讨.pdf

·综述与展望· 吴光治·热处理节能减排与清洁生产若干问题的探讨 热处理节能减排与清洁生产若干问题的探讨 吴光治 [南京摄炉(集团)有限公司。江苏南京210033] 摘要：介绍了我国热处理的能耗和清洁生产状况，提出了热处理节能减排和清洁生产的若干 技术途径。 关键词：热处理；节能减排；清洁生产；技术途径 中图分类号：TH12；TG15 文献标志码：A 文章编号：1671—5276(2010)01-0012-03 Exploring Energy-saving Emission Reduction and Clean Production in Heat Treatment WU Guang·zhi (Nanjing Shelu Group Co．，Ltd．，Nanjing 210033，China) Abstract：This paper introduces the situation of energy consumption and clean production in the heat treatment in our count~and puts forward several technical means of the energy·saving emission reduction and clean production． Key words：heat treatment；energy-saving emission reduction；clean production；technical means 0 前言 热处理是机械产品制造过程中十分关键的工序，是充 分发挥材料潜力，保证机械零件内在品质和寿命、提高产 品档次的重要因素，也是提高机电产品市场竞争能力的关 键环节所在。 改革开放以来，特别是在“十五”期间，随着国企体制 的改革，改变了原来热处理只有主机厂的一个车间或分厂 的局面，热处理专业化生产形式的发展十分迅速，各类民 营、股份制的专业化的企业数量迅速增长。在全国15 000 万多家热处理企业中，国企占80％，20％属于个体民营和 股份制的企业。2008年，我国热处理加工量约2 400万t， 其中专业热处理加工占全国热处理加工量的20％，大约 为480万t。这些热处理专业化企业已成为我国产业集群 化中的重要组成部分。 近十多年来，我国热处理行业得到了很大发展，在某 些热处理工艺技术环节上，可以和发达国家的水平相当。 但是，在整体水平上仍存在着较大的差距。 美国热处理技术发展路线图的2020年设想目标是能 耗减少80％，工艺周期缩短50％，生产成本降低75％，热 处理实现零畸变和最低的质量分散度，加热炉使用寿命提 高到原先的10倍，加热炉价格降低50％，实现生产的零 污染。该目标涉及了能耗、环境、品质等内容，包括节能减 排、高性能、高品质以及清洁生产等方面的全方位技术。 它给了我国的热处理行业许多很好的启示，是挑战和鞭 策，也是追求和奋进的目标。 加快转变“高能耗、高排放、难循环、低效率”为特征的 粗放型经济增长方式，加速推行清洁生产，促进企业优化升 级，走科学发展之路，已经成为社会经济发展的迫切需求， 同时也是我国热处理生产实现节能减排目标的根本途径。 1 我国热处理能耗和清洁生产状况 众所周知，热处理是能耗大户，也是排放及环境污染 的大户之一。 1．1热处理的能耗状况 目前，我国现有服役热处理设备大约18万台，其中电 炉占90％左右，可控气氛炉、真空炉、感应加热炉等少无 氧化设备仅占20％以下，多数企业仍然采用普通箱式炉、 台车炉以及盐浴炉进行生产。 发达国家的热处理工艺过程的控制已向着自动化、智 能化和柔性化发展，而我国不少企业仍凭借经验，人工操 作。由于历史的原因，仍有不少企业大而全、小而全，热处 理的社会化、产业化以及规模化生产尚未形成。因而，生 产效率低下，比美国差26倍，设备利用率和负荷率还不到 30％，而能耗却比美国高出40％。 工业炉是耗能大户，其能耗占全国总能耗的1／4，占 工业总能耗的60％。与发达国家相比，在相同的能耗条 件下，其产量是我国的5倍以上。热处理平均单位电耗 (kW·h／t)：我国为733(沿海先进企业约500)，欧美为 400，日本为300，处理1t工件的耗电量比日本和欧美要高 2倍，我国热处理的能源浪费可见一斑，节能的潜在空间 很大。国内外热处理能源技术概况见表1。 1．2热处理的清洁生产状况 我国热处理的环境污染严重，清洁生产的状况很差。 作者简介：吴光治(1951一)，男，江苏常州人，高级工程师，硕士，南京摄炉(集团)有限公司董事长，主要从事节能环保新型热处理设 备的研究、开发、设计和制造，获得省、部级以上奖励18项，发表有学术论文40余篇，出版有《热处理进展》等3本专著。 ·l2· http：／／ZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajourna1．net．cn《机械制造与自动化》 ·综述与展望· 吴光治·热处理节能减排与清洁生产若干问题的探讨 鉴于热处理的生产特点，它的设备和工艺材料在生产过程 中会造成环境污染问题。尤其是陈旧的设备和工艺材料 所产生的“三废”排放问题。 热处理是制造业的环境污染大户之一，主要的污染形 式有空气污染、水污染、固体废弃物污染、辐射污染和噪声 污染等。据不完全统计，全行业每年大约有5 000 t淬火 油由于蒸发或局部燃烧，产生对人体有害的C H (碳氢 化合物)，CO及烟尘等；大约有近万t的废淬火油因排放 不当而污染江湖河海；每年盐浴炉要生成盐蒸气>7 000 t 和近万t的有害的废渣；燃煤加热炉要排放SO：1．5万t， 灰分8．5万t；喷丸(砂)机要产生SiO 和有害粉尘1万多 t。近年来，由于热处理厂点的改制，市政动迁，污染正逐 步从中心城区向郊区农村蔓延。 总而言之，我国热处理的能耗很高，污染环境严重，所 以加强热处理的节能减排，加速推行节能生产，促进企业 优化升级成为行业中的当务之急。 2 推行热处理清洁生产 据联合国环境规划署对清洁生产定义为：清洁生产是 将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中， 以减少对人类和环境的风险。对于生产过程而言，清洁生 产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，从产品设计开 始，一直到报废为止。清洁生产技术主要包括“源削减” 和“物料循环回用”两部分。 可以看出，传统的保护模式将重点放在污染物的“末 端”控制和废物处理上，而清洁生产着眼于“源头”，着眼 于“全过程控制”。通过实现清洁生产，不仅可以减少甚 至消除污染物的排放，而且可以提高资源利用效率，因而 这是实现增长方式的要求，也是实现可持续发展战略的必 由之路。 热处理的加热技术及装备水平对于满足工艺要求提 高产品品质、降低生产成本、合理利用能源、节能减排以及 实行清洁生产等具有重要的作用。 2．1 大力研发热处理清洁生产新技术 J 传统的加热介质多数是空气或熔盐，采用油作冷却介 质，这种热处理方法对环境的污染非常严重，取而代之研 究推广节能、清洁、精密、高效的热处理技术，使热处理生 Machine Building日Automation，Feb 2010，39(J)：12～』4 产环境得到明显的改善，实现节能减排和污染防治目标。 当前较为成熟的清洁生产的热处理方法包括：可控气 氛热处理、真空热处理、感应热处理、离子热处理、激光热 处理、少无污染的冷却技术和清洗技术等。 1)真空热处理：真空加热是将工件置于正常大气压 以下额度负压空问的加热方法。热处理加热用的最高真 空度一般不超过10 I5Pa。真空加热不仅能防止工件的氧 化和脱碳，而且具有脱脂、脱气、净化表面和变形少的特 点。另外，工件还可以在真空中进行低压渗碳、渗氮等表 面处理，而且在真空渗碳或渗氮共渗以后进行高压气淬， 不仅能缩短工期、还能获得优良的性能，是理想的清洁处 理技术，现已广泛应用于模具、汽车零件等的热处理。国 家的真空热处理设备约占热处理设备总拥有量的15％～ 20％，而我国小于5％，当务之急是重视研发适合我国国 情质优价廉的真空热处理设备。 2)感应加热热处理：感应加热是利用电磁感应的原 理，使工作表面产生涡流而被加热。加热速度快、易控制、 工作表面氧化和脱碳少、节能、污染少等优点。 3)离子热处理：离子渗氮和离子渗碳技术。离子渗 氮和离子渗碳是将置于低压容器内的工作在辉光放电的 作用下，带电粒子轰击工作表面，使其温度升高，实现所需 原子渗入表层的化学热处理方法。与常规的化学热处理 相比，具有渗速、工作变形小、易控制，热效率高、节约能 源，而且无烟雾、废气污染等优点。 4)激光热处理：激光束、电子束、离子束表面技术与 表面改性技术(表面淬火、重熔、涂层)是利用高能束对工 件的表面快速加热作用实现工件表面热处理，不产生烟尘 等污染，属清洁热处理技术。 5)金属镀层技术：刷镀技术、热喷镀技术、离子镀渗 技术是清洁的表面强化技术。 6)淬火冷却装备技术：以气淬、水淬、水雾冷却技术 替代油、聚合物淬火液等淬火。 2．2采用高效节能的热处理工艺 采用效节能的热处理工艺是有效的节能措施之一。 比如把渗碳温度从930 oC提高到1 050 oC可减少40％的 工艺周期。在一般电阻炉中这种温度的提高受到发热体 和耐热材料的限制而难以实现，而在真空炉中低压渗碳在 1 050 oC施行则轻而易举。用氮碳共渗、硫氮碳共渗和氧 ·13· ·综述与展望· 吴光治·热处理节能减排与清洁生产若干问题的探讨 氮共渗代替渗碳和碳氮共渗，可把工艺温度从850 oC～ 930 oC降到550℃～580℃，代替一般气体渗氮可把渗氮 时间从(30—70)h减少到(1．5～3)h。充分利用锻后余热 施行锻坯的调质淬火，可节约重新加热所需的热能，而且 还能获得改善组织和性能的形变热处理的功效。钢件热 处理加热时间过于保守的计算或确定必须改变。碳钢和 低合金钢施行零保温加热、不均匀奥氏体淬火和亚共析钢 加热到F+A两相区的不完全淬火都是可行的。 此外，严格控制铸锻成形工艺改善显微组织，减少或 取消某些预备热处理；采用表面或局部热处理取代整体热 处理；加速化学热处理过程：直生式气氛、金属表面活化催 渗技术、离子轰击(离子渗C，N)、化学催渗技术(稀土催 渗法)和BH技术；合理规定表面有效硬化层深度；用碳氮 共渗代替渗碳，用铁素体状态下的化学热处理代替奥氏体 状态下的化学热处理；在罩式退火炉中采用H 代替氨分 解气氛，改善热传递过程，提高生产率；缩短结构钢的加热 保温时问；轴承钢、工具钢、高速钢采用高温短时快速退 火；应用计算机模拟技术和计算机动态控制技术优化热处 理工艺过程，以实现优质、高效、精确、清洁和绿色热处理。 2．3采用高效节能的热处理设备 概括之，可以采取的措施主要有：合理选择能源；合理选 择炉型，连续式炉比周期式炉好，圆型炉膛比方型炉膛好；消 化吸收国外先进的设计理念，自主创新，优化炉体结构设计， 减少热损失，提高热效率；尽可能采用蓄热少、绝热性好的轻 质耐火材料炉衬，如用耐火纤维对炉衬进行节能设计；采用 密封炉体结构，防止漏气和吸入空气；充分利用余热和废热； 燃烧过程的优化，合理选择和控制燃烧系数；采用红外辐射 涂料涂层，用于轻质砖和纤维的复合炉衬可节能50％左右， 用于燃烧炉可节能10％一30％，升温时间减少20％一4o％； 减少热处理工卡具所造成的热量损失等。 先进的热处理技术首先应该是对环境没有污染的技 术，其中包括清洁工艺、清洁设备和清洁材料等。 2．4 执着热处理信息化建设和企业优化升级 今天，随着世界经济格局的转变和发展，中国已经成 ’一个制造业大国，并被称为世界的“制造业中心”。业 州 人士已经敏锐地注意到：热处理行业正面对着新的机遇 I¨I挑战，同时也将进入一个新的重要发展时期。而企业面 临的经营环境复杂多变，特别是中小型热处理企业所面对 市场竞争尤为激烈。这样，摆在企业面前的一个重要课题 就是：如何在机遇和竞争挑战并存的今天，把握住市场的 命脉，使企业在市场中屹立不败。国家在“十一五规划” 中明确指出：以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现生 产跨越式发展。对此，热处理企业已经取得一致共识：企 业信息建设的确可以有效地促进现有企业管理的现代化、 科学化，适应竞争日益激烈的市场要求，它的导人，已经成 为大势所趋 J。 热处理计算机模拟与智能化技术在热处理生产的全 过程中每一环节都做到有效控制，实现产品“零”缺陷，保 证机械产品的精密、可靠、节能、环保和低成本。但在传统 的热处理技术中，凭经验或孤立地应用某一学科的知识作 ·l4· 定性估计，以致工艺规范的编写和工艺要求的制订都存在 不同程序的盲目性，导致品质不稳定、产品使用寿命低、可 靠性差、设计不合理、浪费材料、控制不当引导起对环境污 染等。热处理信息化是热处理技术实现跨越式发展的必 由之路，摆脱依赖于经验的“技艺型”状态，向知识密集型 的工程技术转化。应用热处理计算机辅助技术，进行计算 机模拟和虚拟生产，以实现热处理计算机智能化控制。 “美国2020年热处理技术路线图”中，将信息技术应用于 合金的均匀化一扩散过程模拟、加热冷却时奥氏体转变模 拟、热处理工艺整体模型化和模拟、冲压过程的模拟以及 焊接影响区的模拟等，对计算机模拟的重视可见一斑。上 海交通大学对热处理计算机模拟技术的基础研究和应用 研究方面都已有一定积累，并在生产应用中取得成效。计 算机模拟与智能化技术是我国发展清洁节能精密高效的 热处理不可或缺的技术。 随着经济的发展，必须依靠科技进步、自主创新，不断 研究热处理的新工艺、新设备，研究开发各种节能减排、绿 色环保型的热处理设备。计算机技术的应用为提高我国 热处理水平开拓了广阔的技术创新空间。 现代制造业中的热处理，必须运用材料科学工程，更 换传统材料，采用新钢种材料，采用高新工艺技术，不断研 发高端的热处理设备。特别要转变观念，学习和借鉴美国 的热处理技术发展路线图，树立循环经济和可持续发展理 念和绿色制造理念，不断增强节能减排意识，努力促进企 业优化升级，使我国热处理达到节能减排、清洁生产和优 质高效的目标要求。 参考文献 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