蔣超友

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104）

近年來，我國(guó)的環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，尤其是工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的電力能源消耗量呈現(xiàn)出逐年遞增態(tài)勢(shì)，由此給自然生態(tài)環(huán)境造成的污染指數(shù)不斷攀升。同時(shí)，大量的能源消耗也給工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，降低金屬材料熱處理過程中的能源消耗量，已成為諸多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

1 金屬材料熱處理過程中存在的問題

1.1 能源消耗大，利用效率低

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的金屬材料熱處理能源消耗量仍然占據(jù)著較大比重，據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，進(jìn)入二十一世紀(jì)后，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，在金屬熱處理過程中的電力能源消耗已經(jīng)控制在350kw·h/t以下，而我國(guó)的電力能源消耗則在600kw·h/t上下浮動(dòng)，由此可見，金屬材料熱處理中大量的能源消耗情況已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，電力能源的高消耗給自然生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

1.2 工藝落后，設(shè)備陳舊

目前，我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)，尤其是機(jī)械加工企業(yè)，在金屬熱處理過程中使用的機(jī)械設(shè)備過到陳舊，導(dǎo)致在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，故障頻出，節(jié)能指標(biāo)較差，與國(guó)家環(huán)保部門制訂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)。部分企業(yè)為了節(jié)省設(shè)備采購(gòu)資金，在選擇設(shè)備類型時(shí)，往往更傾向于即將被市場(chǎng)淘汰的老舊品牌及型號(hào)的設(shè)備，造成設(shè)備返修率、返廠率較高，尤其是設(shè)備在頻繁檢修過程中，需要消耗的電力能源總量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期正常值范圍，能源浪費(fèi)現(xiàn)象較為常見。

1.3 生產(chǎn)過程廢棄物多，環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)重

在金屬材料熱處理過程中，將產(chǎn)生大量的廢水、廢氣、廢渣以及設(shè)備噪聲，其中廢水中的主要污染物有8種～10種，在金屬材料淬火與回火時(shí)，及易產(chǎn)生硝鹽廢水、鋇鹽廢水以及含油酸堿廢水，其中包括氯化鋇、亞硝酸鹽、礦物油、氯化鋇、PH、SS、COD以及沉淀污泥等。而廢氣則包括氯、氟等鹵族元素養(yǎng)、強(qiáng)氧化劑產(chǎn)生的有毒有害氣體，廢渣包括鋇鹽廢渣及以硝鹽廢渣。當(dāng)這些廢棄物排放到空氣中、水體中或者土壤當(dāng)中，將給自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至危及人們的身體健康安全[1]。此外，噴砂機(jī)、噴丸機(jī)、高速燃燒嘴、燃燒器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生110dB～120dB的噪聲，給生產(chǎn)作業(yè)人員的身體健康帶來諸多負(fù)面影響。

1.4 專業(yè)技術(shù)人員匱乏，欠缺技術(shù)創(chuàng)新人才

目前，雖然國(guó)內(nèi)個(gè)別高校開設(shè)了金屬材料熱處理專業(yè)，但是，由于專業(yè)開設(shè)時(shí)間較晚，理論與實(shí)踐教學(xué)水平還處于初級(jí)發(fā)展階段，這就導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)缺少大量的高精尖專業(yè)技術(shù)人員。加之原有的技術(shù)人員接受新技術(shù)的緩沖時(shí)間較長(zhǎng)，在節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用方面還未建立專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)體系，導(dǎo)致節(jié)能技術(shù)的推廣與應(yīng)用環(huán)節(jié)較為薄弱，甚至一些機(jī)械加工企業(yè)仍然沿用過去的生產(chǎn)工藝，造成能源及資源的大量損耗，給企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展蒙上了一層厚重的陰影。

2 金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用效果

2.1 CAD技術(shù)在熱處理中的應(yīng)用

CAD技術(shù)的主要應(yīng)用載體是計(jì)算機(jī)，在金屬材料熱處理過程中，技術(shù)人員可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的模擬軟件對(duì)熱處理工藝流程進(jìn)行模擬演示，進(jìn)而精準(zhǔn)分析和確定設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷，并及時(shí)獲取電力能源消耗數(shù)據(jù)，然后根據(jù)模擬數(shù)據(jù)以及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模擬流程進(jìn)行調(diào)整，模擬完畢后再投入生產(chǎn)。這種事前預(yù)測(cè)分析節(jié)能指標(biāo)的技術(shù)可以對(duì)模擬的節(jié)能效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，也可以隨時(shí)調(diào)整設(shè)備節(jié)能參數(shù)，直到達(dá)到最佳的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。目前，該項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)已成為諸多企業(yè)普遍采用的事前預(yù)測(cè)技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中取得了階段性節(jié)能成果。

2.2 化學(xué)熱處理薄層滲入技術(shù)的應(yīng)用

利用化學(xué)元素的薄層滲入法能夠不僅能夠起到節(jié)能效果，而且也能夠提高金屬材料的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗回火軟化能力。較為常用的化學(xué)元素是氣態(tài)氮，由于滲氮溫度較低，金屬材料發(fā)生畸變的幾率較小，滲氮后，金屬零件的表面硬度能夠達(dá)到HV850～HV1200。但是，值得注意的是，并不是氣態(tài)氮滲入薄層的深度越深，節(jié)能效果就越好，反而結(jié)果恰恰相反。主要是由于氣態(tài)氮的滲入深度在逐步加深過程中，需要大量的加熱時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，將產(chǎn)生大量的能源消耗，因此，必須科學(xué)精準(zhǔn)控制好氣態(tài)氮的滲透深度。經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氣態(tài)氮的含量在金屬材料表層減少30%以后，能夠有效節(jié)約33%的電力能源。同時(shí)，也降低了煤油、甲醇等能源的使用率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，對(duì)自然環(huán)境的污染指數(shù)也大帳降低?？梢姡瘜W(xué)元素薄層滲入技術(shù)的應(yīng)用頻率越來越高。

2.3 振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)的應(yīng)用

振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)可以從宏觀以及微觀兩個(gè)角度予以考慮，從宏觀角度考慮是加快金屬零件塑性變形的速度，以降低金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力，確保金屬零件的加工精度，實(shí)踐證明，這種加工工藝可以降低30%～80%的殘余應(yīng)力。從微觀角度考慮則是施加在金屬零件上的一種附加動(dòng)應(yīng)力，使其與金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力相疊加，而阻止金屬零件產(chǎn)生塑性變性，以提高金屬零件的強(qiáng)度。如果利用傳統(tǒng)的時(shí)效處理工藝，需要長(zhǎng)時(shí)間的低溫加熱，才能改變金屬零件的性狀，但是持續(xù)加熱需要消耗大量的電力能源，而且熱處理效果也不盡人意。因此出于節(jié)能方面考慮，在應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)時(shí)，可以采用不同頻率產(chǎn)生的多諧波共振原理制造的多型振動(dòng)時(shí)效電腦控制裝置，來替代原有的熱時(shí)效處理技術(shù)，這項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效處理新技術(shù)能夠節(jié)約電力能源90%以上，同時(shí)，金屬零件的抗變形能力提高30%以上，尺寸穩(wěn)定性提高30%以上，疲勞壽命提高20%以上。

振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)通常情況下，低溫加熱時(shí)間只需要15min～45min，而且不受生產(chǎn)區(qū)域、金屬物理特性的限制，這種先進(jìn)的處理裝置能夠同時(shí)處理幾千克到幾百噸的金屬材料，大大提升了生產(chǎn)效率，降低了環(huán)境污染指數(shù)。同時(shí)，這種生產(chǎn)工藝具有較好的經(jīng)濟(jì)性，立竿見影，投資回報(bào)率高，是機(jī)械加工行業(yè)當(dāng)前乃至未來一段時(shí)期內(nèi)的主流節(jié)能技術(shù)[2]。

2.4 激光熱處理技術(shù)的應(yīng)用

由于激光具有極強(qiáng)的穿透力，因此，在高能激光的作用下，能夠快速改善金屬材料的表面性能，對(duì)提高金屬零件的硬度、耐磨性、抗疲勞性、耐腐蝕性起到積極的促進(jìn)作用。如果采用激光淬火生產(chǎn)工藝，激光對(duì)金屬熱影響區(qū)域較小，并且加熱速度快，硬化效果好，相比于常規(guī)淬火，金屬零件硬度能夠提高20%以上，同時(shí)，不需要任何冷卻介質(zhì)，便可實(shí)現(xiàn)自冷硬化。其中，在金屬材料熱處理過程中，較為常用的激光熱處理技術(shù)包括激光相變硬化、激光表面合金化、激光涂履以及激光晶粒細(xì)化等技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，激光可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，一臺(tái)激光器可以頂替多組工作臺(tái)，技術(shù)人員只需在操作終端進(jìn)行電腦程序編程即可，節(jié)省了大量人力資源。更為重要的是，激光熱處理技術(shù)加熱速度較快，這就降低了金屬材料的加熱時(shí)間，大幅降低了電力能源消耗量，屬于一種新型的綠色節(jié)能技術(shù)。

2.5 真空熱處理技術(shù)的應(yīng)用

真空熱處理技術(shù)屬于清潔生產(chǎn)技術(shù)的重要組成部分，主要利用真空技術(shù)降低氧分壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低壓滲碳等金屬材料表面處理工藝，當(dāng)金屬表面處理工藝完成后，能夠快速過渡到高壓氣淬的工序，節(jié)省了大量加熱時(shí)間，降低了能源消耗。目前，由于真空熱處理技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間較晚，在生產(chǎn)過程中，也無法創(chuàng)設(shè)一個(gè)絕對(duì)真空的環(huán)境，所以，通常情況下，只需要低于10Pa的環(huán)境就能夠收到理想的熱處理效果。在這種環(huán)境之下，金屬材料的變形值幾乎為零，同時(shí)，也有效避免了金屬表面產(chǎn)生氣孔。但是相比于其它節(jié)能新技術(shù)，真空處理技術(shù)的設(shè)備使用率相對(duì)較低，在我國(guó)，應(yīng)用真空技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理的比率只有5%左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家之間還存在較大差距，由此可見，真空熱處理技術(shù)的全面推廣與應(yīng)用還需要一段漫長(zhǎng)的時(shí)間，這也使廣大技術(shù)人員面臨著巨大挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)將成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域未來發(fā)展進(jìn)程中的主要應(yīng)用趨勢(shì)，多種類型的節(jié)能新技術(shù)不僅降低了能量損耗，減少了環(huán)境污染，而且提高了生產(chǎn)作業(yè)效率與金屬產(chǎn)品質(zhì)量，為諸多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的美好愿景。