我國熱處理裝備技術(shù)發(fā)展若干問題

　　——學(xué)習(xí)《美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖》后的啟示 摘 要：

　　作者學(xué)習(xí)了《美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖》以后，得到了許多重要的啟示，針對我國熱處理裝備技術(shù)創(chuàng)新若干問題作了認(rèn)真的思考和探討。 主要包括熱處理的節(jié)能和環(huán)保、滴注式氣氛密封箱式多用爐的技術(shù)創(chuàng)新等。

　　關(guān)鍵詞：技術(shù)發(fā)展;路線圖;熱處理裝備;節(jié)能;密封箱式多用爐

　　學(xué)習(xí)了美國《熱處理技術(shù)路線發(fā)展圖》和樊東黎先生在《金屬熱處理》(北京)和《熱處理》(上海)發(fā)表的“美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖概況”和“美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖在行動(dòng)”及“我國熱處理行業(yè)‘十一五’發(fā)展規(guī)劃綱要和2020年設(shè)想”等文章之后，得到了許多重要的啟示，感觸很深，引發(fā)了關(guān)于熱處理節(jié)能和環(huán)保和密封箱式多用爐的技術(shù)發(fā)展的思考和探討。世界工業(yè)發(fā)展表明，制造技術(shù)的**性是產(chǎn)品競爭能力的保證，而熱處理技術(shù)的**程度，則是保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。美國是世界上頭號工業(yè)化大國，其政府和業(yè)界對熱處理行業(yè)都非常重視，歷經(jīng)數(shù)年才形成并制訂了“美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖”，它確是國際熱處理界的一個(gè)重大事件。美國熱處理2020年設(shè)想目標(biāo)是能源消耗減少80%，工藝周期縮短50%，生產(chǎn)成本降低75%，熱處理實(shí)現(xiàn)零畸變和*低的質(zhì)量分散度，加熱爐使用提高到原先的10倍(增加9倍)，加熱爐價(jià)格降低50%，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)零污染。該路線圖的目標(biāo)明確、眼光遠(yuǎn)大、技術(shù)**、內(nèi)容全面、措施落實(shí)、難能可貴，值得學(xué)習(xí)和借鑒。

　　隨著機(jī)械產(chǎn)品市場的激烈競爭，熱處理技術(shù)發(fā)展十分迅速，美國2020年熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖的制定和實(shí)施更加速其發(fā)展進(jìn)程。 經(jīng)濟(jì)的全球化，世界制造業(yè)正在向中國轉(zhuǎn)移，各地紛紛打造承接世界制造業(yè)的基地。我國的熱處理行業(yè)將贏得更大的發(fā)展。然而，如今我國機(jī)械產(chǎn)品和世界**水平之間存在的差距達(dá)20年，熱處理裝備與技術(shù)還十分落后，和美國的水平存在著很大的差距，顯然，我國熱處理技術(shù)趕超世界**水平任重而道遠(yuǎn)。因此，應(yīng)當(dāng)努力促進(jìn)我國熱處理行業(yè)“十一五”規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，加速我國熱處理裝備的技術(shù)進(jìn)步。本文擬對以下兩個(gè)問題作思考性探討。

　　1 熱處理節(jié)能和環(huán)保

　　我國是世界上第二能源消費(fèi)大國及資源消耗**大國。目前我國創(chuàng)造的GDP(1美元)所消耗的能源是日本的11.5倍、德國和法國的7.7倍、美國的4.3倍，遠(yuǎn)高于印度、巴西等發(fā)展中國家。我國的能源利用率低下，已造成每年1200多億美元的損失。眾所周知，鋼件熱處理的奧氏體化(或固溶處理)過程通常在900～1100℃之間進(jìn)行(高速鋼淬火加熱需1250～1280℃)，鋁合金的固溶化處理在500℃以上的溫度，所以熱處理過程中的耗能是非常巨大的。 我國熱處理企業(yè)的工藝裝備陳舊落后，眾多的加熱爐系爐齡達(dá)三、四十年的箱式、井式、鹽浴爐(俗稱老三爐)。設(shè)備老化，能耗很高。而**、**、低污染、環(huán)保型的氣氛爐和真空爐等占不到熱處理設(shè)備總數(shù)的5%.美國等發(fā)達(dá)國家對熱處理工藝過程的控制已向著自動(dòng)化、智能化和柔性化發(fā)展，而我國不少企業(yè)仍憑借經(jīng)驗(yàn)，人工操作。由于歷史的原因，許多企業(yè)大而全、小而全，熱處理的社會(huì)化、產(chǎn)業(yè)化及規(guī)模生產(chǎn)尚未形成。因而，生產(chǎn)效率低下，比美國差26倍，設(shè)備利用率和負(fù)荷率不到30%，而能耗卻比美國高出40%以上。 熱處理是制造業(yè)的耗能大戶。通常，熱處理用電占企業(yè)用電總量的25%～30%，工具、軸承廠等約占60%左右。

　　我國熱處理的單位能耗一般在800kW.h/t以上，而美國、日本、歐盟等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在400kW.h/t以下，兩者相差十分懸殊。 美國熱處理技術(shù)路線發(fā)展圖2020年目標(biāo)之一是能耗要降低80%.我國的能源資源有限，節(jié)能降耗應(yīng)當(dāng)成為熱處理行業(yè)的頭等大事，而且是今后熱處理發(fā)展一貫堅(jiān)持的重要方向。 熱處理又是制造業(yè)的環(huán)境污染大戶之一，熱處理對環(huán)境的污染十分嚴(yán)重。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。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全行業(yè)每年大約有5000t淬火油由于蒸發(fā)或局部燃燒，產(chǎn)生對人體有害的CmHn(碳?xì)浠衔?、CO及煙塵等;大約有近萬t的廢淬火油因排放不當(dāng)而污染江湖河海;每年鹽浴爐要生成鹽蒸氣7000多t和近萬t的有害的廢渣;燃煤加熱爐要排放SO21.5萬t，灰分8.5萬t;噴丸(砂)機(jī)要產(chǎn)生SiO2和有害粉塵1萬多t.近年來，由于熱處理廠點(diǎn)的改制，市政動(dòng)遷，污染正逐步從中心城區(qū)向郊區(qū)農(nóng)村蔓延。

　　我國熱處理的能耗很高，污染環(huán)境嚴(yán)重，所以加強(qiáng)熱處理的節(jié)能和環(huán)保已是行業(yè)中的當(dāng)務(wù)之急，解決問題的途徑主要有：

　　(1) 采用**節(jié)能**的熱處理設(shè)備 **的熱處理設(shè)備如多用爐、真空爐、網(wǎng)帶爐、離子氮化爐等，這些設(shè)備在保證零件熱處理質(zhì)量的同時(shí)，也取得了節(jié)能環(huán)保的效果。對熱處理爐，可以采取的措施主要有：合理選擇能源，合理選擇爐型，連續(xù)式爐比周期式爐好，圓型爐膛比方型爐膛好;充分利用余熱(如鐘罩式爐的一爐罩多爐臺就是一種充分利用爐罩余熱的節(jié)能爐型);優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少熱損失，提高熱效率;盡可能采用蓄熱少、絕熱性好的輕質(zhì)耐火材料爐襯，如用耐火纖維對爐襯進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，采用密封爐體結(jié)構(gòu)，防止漏氣和吸入空氣;燃燒過程的優(yōu)化，合理選擇和控制燃燒系數(shù);采用紅外輻射涂料涂層，用于輕質(zhì)磚和纖維的復(fù)合爐襯可節(jié)能50%左右，用于燃料爐可節(jié)能10%～30%，升溫時(shí)間減少20%～40%;減少熱處理工卡具所造成的熱量損失等。

　　(2) 采用**節(jié)能的熱處理工藝 可以采取的措施主要有：嚴(yán)格控制鑄鍛成形工藝改善顯微組織，減少或取消某些預(yù)備熱處理;充分利用鑄、鍛工序后的余熱進(jìn)行處理;采用表面或局部熱處理取代整體熱處理;加速化學(xué)熱處理過程：提高滲碳溫度、直生式氣氛、金屬表面活化催滲技術(shù)、離子轟擊(離子滲C、N)、化學(xué)催滲技術(shù)(稀土催滲法);合理規(guī)定表面有效硬化層深度;用碳氮共滲代替滲碳，用鐵素體狀態(tài)下的化學(xué)熱處理代替奧氏體狀態(tài)下的化學(xué)熱處理;亞共析鋼的兩相區(qū)加熱淬火;在罩式退火爐中采用H2代替氨分解氣氛，改善熱傳遞過程，提高生產(chǎn)率;縮短結(jié)構(gòu)鋼的加熱保溫時(shí)間;軸承鋼、工具鋼、高速鋼采用高溫短時(shí)快速退火;應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，優(yōu)化熱處理工藝過程，以實(shí)現(xiàn)**、**、清潔和精確熱處理。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們要依靠科技進(jìn)步、自主創(chuàng)新，不斷研究熱處理的新工藝、新設(shè)備，研究開發(fā)各種節(jié)能、**、環(huán)保型的熱處理設(shè)備。如利用高頻和超高頻脈沖及激光熱處理設(shè)備，電子束處理，離子轟擊化學(xué)熱處理及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用等都為提高我國熱處理水平開拓了廣闊的技術(shù)創(chuàng)新空間。

　　現(xiàn)代制造業(yè)中，熱處理必須走社會(huì)化、**化之路。要運(yùn)用材料科學(xué)工程，更換傳統(tǒng)材料，采用新鋼種材料。要采用**工藝技術(shù)，不斷研發(fā)新型設(shè)備。特別要轉(zhuǎn)變觀念，不斷增強(qiáng)環(huán)保與節(jié)能意識，通過節(jié)能降耗減排，實(shí)現(xiàn)零污染，取得與環(huán)境友好的效果和低成本的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)和諧發(fā)展。 2 滴注式氣氛密封箱式多用爐及其機(jī)組的技術(shù)創(chuàng)新 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使我國的熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化，當(dāng)前，可控氣氛熱處理是熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的**之一。 在少無氧化熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢中，**可控氣氛熱處理，它仍然是**熱處理技術(shù)的主要組成部分。 熱處理現(xiàn)代化的關(guān)鍵是少無氧化。采用可控氣氛熱處理，可以實(shí)現(xiàn)少、無氧化和無增、脫碳加熱，使工件表面光潔，沒有化學(xué)成分變化，同時(shí)，可以控制各種化學(xué)熱處理工件的表面成分和產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)際上，在少品種、大批量生產(chǎn)中，尤其是碳素鋼和一般合金結(jié)構(gòu)鋼件的光亮淬火、退火、滲碳、碳氮共滲及氮碳共滲等仍然以應(yīng)用可控氣氛為主要手段。 在各種熱處理爐中，密封箱式多用爐的市場的需求量在不斷增加，它的旺熱乃緣于汽車、摩托車、采掘和工程機(jī)械、機(jī)車車輛以及戰(zhàn)車制造業(yè)已經(jīng)興起的熱處理技術(shù)改造高潮。 **的工藝裝備既是**的熱處理生產(chǎn)技術(shù)的載體，又是**、**、節(jié)能、低成本和清潔生產(chǎn)的基本條件。依靠科技創(chuàng)新，不斷研發(fā)制造高性能、高壽命、**可靠的高端熱處理設(shè)備，不斷滿足市場的需求，使企業(yè)本身獲得了可持續(xù)發(fā)展，這永遠(yuǎn)是我們的目標(biāo)追求。 南京攝山電爐總廠生產(chǎn)密封箱式多用爐已有20多年歷史，通過分析對比、消化吸收國內(nèi)外新技術(shù)新工藝，結(jié)合我國國情，自主創(chuàng)新，研發(fā)成功了NS88-900系列的滴注式氣氛密封箱式多用爐(簡稱多用爐)和微機(jī)控制密封箱式多用爐機(jī)組(簡稱多用爐機(jī)組)，產(chǎn)品榮獲國家**新產(chǎn)品獎(jiǎng)和**機(jī)械電子產(chǎn)品稱號，已經(jīng)進(jìn)入國際市場。多用爐是本機(jī)組的主要設(shè)備，可以單獨(dú)使用。它由加熱室、前室、淬火槽及推拉料機(jī)構(gòu)等所組成。前室既是裝料的過道，又是工件的淬火室，其下方是淬火槽。前室和加熱室之間由密封良好的閘門隔開。 多用爐機(jī)組由多用爐、清洗機(jī)、回火爐、裝卸料車、移動(dòng)小車及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所組成。多用爐可以一爐多用，有著廣泛的適應(yīng)性，可以進(jìn)行鋼件的滲碳、碳氮共滲及光亮淬火等熱處理，多用爐機(jī)組尤其適用于大批量生產(chǎn)的零部件、薄壁工件、實(shí)心工件以及表面碳濃度及滲層深度要求精確控制的各類工件。多用爐機(jī)組的生產(chǎn)柔性大，可以單列或雙列組合布置，以適應(yīng)不同工藝和生產(chǎn)能力的需要。 對于同一爐次、爐膛內(nèi)不同位置放置的工件及不同爐次處理的工件的質(zhì)量(包括硬度、畸變、滲層、淬硬層等)的分散度也是一臺熱處理設(shè)備優(yōu)劣的重要標(biāo)志。美國2020年的熱處理就有熱處理質(zhì)量分散度達(dá)到零(非常小)的目標(biāo)。為此，就要求對熱處理爐的測量控制精確度，有效加熱區(qū)溫度均勻度、生產(chǎn)節(jié)拍的穩(wěn)定性、加熱和冷卻介質(zhì)、爐氣碳勢、鋼件碳濃度梯度等施行嚴(yán)格的限定、精確的計(jì)算機(jī)模擬和適時(shí)的自適應(yīng)控制。 多用爐機(jī)組的微機(jī)控制系統(tǒng)由管理微機(jī)、控制微機(jī)及程控執(zhí)行系統(tǒng)所組成，分別完成參數(shù)管理、氣氛控制及動(dòng)作執(zhí)行等功能。三大系統(tǒng)通過通訊線路及協(xié)議軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)多用爐機(jī)組的智能化控制。 眾所周知，計(jì)算機(jī)能夠解決熱處理生產(chǎn)過程中的許多問題，在本多用爐機(jī)組中，全中文界面的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行工藝程序和工藝參數(shù)的優(yōu)化、工藝的制定、編輯及存儲(chǔ)調(diào)用以及過程的模擬和控制;可以對爐子進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多用爐的群控，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，確保爐子的正常運(yùn)行;可對各種數(shù)據(jù)記錄和分析，保證熱處理質(zhì)量;可以實(shí)現(xiàn)多用爐機(jī)組的無人自動(dòng)化操作，并設(shè)有故障報(bào)警、記錄和故障點(diǎn)指示等。 多用爐機(jī)組的溫度控制含有“**”PID調(diào)節(jié)，采用調(diào)功控制模式，可對加熱爐溫度、淬火油溫度、回火爐溫度、清洗液溫度等進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)控制，其中以加熱爐溫度控制尤為重要。加熱爐溫度的控制要求精確，控制點(diǎn)能夠代表工件加熱的溫度。溫度控制的準(zhǔn)確性直接影響到工件滲碳的質(zhì)量，如果滲碳溫度±10℃波動(dòng)，將導(dǎo)致氣氛碳勢±0.07%C波動(dòng)。溫度波動(dòng)愈小，碳勢的波動(dòng)愈小，所以提高溫度控制的精度，可以減小氣氛碳勢的波動(dòng)，從而保證零件的滲碳質(zhì)量。氣氛控制，可用紅外儀和氧探頭作為傳感器進(jìn)行多元控制，對氣氛碳勢、滲碳層深度做到精確控制。 對多用爐及其機(jī)組的技術(shù)創(chuàng)新，作如下的技術(shù)思考和探討：

　　(1) 爐子的密封性和氣氛均勻性 一臺高水平、高質(zhì)量的多用爐應(yīng)當(dāng)具備：⑴密封性能良好;⑵氣氛穩(wěn)定，成分波動(dòng)小;⑶爐溫控制精確，爐溫均勻性好;⑷監(jiān)控系統(tǒng)反映及時(shí)而準(zhǔn)確。無論是滲碳淬火還是光亮淬火，多用爐的密封性和氣氛的均勻性都是非常重要的性能。只有均勻而良好的氣氛才能保證工件表面滲層的均勻性、成分的一致性。爐子的密封性影響著氣氛的均勻性，*終決定著工件的熱處理質(zhì)量。為了保證氣氛的均勻性，爐內(nèi)必須強(qiáng)制循環(huán)。我們將多用爐的爐膛把方形結(jié)構(gòu)改成圓形結(jié)構(gòu)，圓形爐膛的爐壁表面積同比方形爐膛小14%～19%，成形焊縫減少60%，可減少因焊接不良或膨脹不一的漏氣隱患。圓形爐膛無貯氣死角，提高了爐內(nèi)氣氛的均勻性，同時(shí)也提高了熱能的利用率，節(jié)省了電耗。

　　(2) 氣氛碳勢控制 前些年，使用滴注式氣氛滲碳在國內(nèi)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)普遍的程度，尤其是氧探頭碳勢控制儀的問世，使用密封箱式多用爐和密封井式爐進(jìn)行滲碳已經(jīng)成為一種趨勢，并取得了明顯的效果。 滲碳時(shí)需要精確控制的工藝參數(shù)是氣氛碳勢。在滲碳過程中氣氛碳勢過高，滲碳工件表面容易形成網(wǎng)狀碳化物;氣氛碳勢過高，表面碳濃度梯度太陡，滲碳層表面容易疲勞剝落，都將降低零件的使用壽命。氣氛碳勢太低，滲速降低，滲碳時(shí)間延長，也影響工件的滲碳質(zhì)量;在加熱淬火，氣氛碳勢高于工件表面的含碳量，工件表面將增碳，反之工件表面將脫碳，改變了工件表面的性能。要保持工件在加熱過程不增碳、不脫碳，氣氛的控制必須準(zhǔn)確而精確。 多用爐滲碳?xì)夥湛刂疲墒褂醚跆筋^、紅外儀、露點(diǎn)儀及電阻探頭等，使用較好的是氧探頭和紅外儀，而露點(diǎn)儀和電阻探頭則使用較少。 氧探頭系把所測得氣氛的氧勢值送到碳勢控制儀，根據(jù)爐溫和氧勢值計(jì)算出氣氛碳勢值，將工藝設(shè)定碳勢值與所測得碳勢值進(jìn)行比較，輸出信號調(diào)整氣氛碳勢。 在滴注式氣氛或直生式氣氛滲碳，當(dāng)滲碳?xì)夥罩屑淄楹枯^高時(shí)，單獨(dú)使用氧探頭控制，容易產(chǎn)生碳勢失控，此時(shí)應(yīng)采用聯(lián)合控制的方法進(jìn)行氣氛碳勢控制，即使用氧探頭測得氧勢，紅外儀測得CO2%值并和爐膛溫度一起傳送給碳勢控制儀進(jìn)行運(yùn)算，*終得出的碳勢值才真實(shí)反映氣氛碳勢，這樣才不會(huì)產(chǎn)生氣氛碳勢的失控。所以密封箱式多用爐的氣氛碳勢控制，選用氧探頭和紅外儀進(jìn)行聯(lián)合控制，從單參數(shù)控制，發(fā)展為氧勢-CO2-溫度三參數(shù)控制，從而保證控制的準(zhǔn)確性和精確性。

　　(3) 關(guān)于滴注式氣氛和密封箱式多用爐 眾所周知，滴注式氣氛是將滴注劑直接滴入爐內(nèi)，經(jīng)熱分解產(chǎn)生的載體氣，并可用富化氣(劑)調(diào)節(jié)氣氛的碳濃度，可以進(jìn)行中小零件的滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、球化退火及復(fù)碳等熱處理工藝。 以甲醇基為主的滴注式氣氛，因氣氛碳勢可控，滲速比較高，工藝操作簡便，在滲碳、碳氮共滲以及奧氏體和鐵素體氮碳共滲等化學(xué)熱處理中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。 近年來，在汽車、航空、兵器、模具和基礎(chǔ)件行業(yè)技改的拉動(dòng)之下，其他行業(yè)熱處理技術(shù)改造和設(shè)備更新高潮也會(huì)接踵而至。而設(shè)備更新是企業(yè)技術(shù)改造的有效途徑，設(shè)備更新的主要出發(fā)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是節(jié)能環(huán)保、**可靠、少無氧化、少無質(zhì)量分散以及性價(jià)比合理。目前，企業(yè)技術(shù)改造的高度和深度已經(jīng)開始出現(xiàn)明顯的變化，大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)不滿足于常規(guī)技術(shù)和設(shè)備的新舊交替，而是傾向于一步一個(gè)臺階，邁向更高的境界，優(yōu)先選購技術(shù)水平高、**可靠及節(jié)能環(huán)保熱處理設(shè)備，以達(dá)到高水平的生產(chǎn)目標(biāo)。 由于密封箱式多用爐有很大的工藝靈活性，其爐溫、程序和氣氛的控制精度高，能適應(yīng)各種零件的批量生產(chǎn)，因此，它是各類可控氣氛爐中應(yīng)用*廣、產(chǎn)量*高的爐種。 密封箱式多用爐采用滴注式氣氛熱處理，與帶有氣體發(fā)生爐的吸熱式氣氛熱處理相比，由于不需要發(fā)生爐，具有節(jié)能環(huán)保，設(shè)備投資及使用費(fèi)用比較低，上馬快，操作、維護(hù)及原料供應(yīng)方便等優(yōu)點(diǎn)，它是實(shí)現(xiàn)**、**、節(jié)能、低成本和清潔生產(chǎn)的**熱處理設(shè)備，所以是中小型熱處理企業(yè)的技術(shù)改造與設(shè)備更新以及提高產(chǎn)品質(zhì)量*為適用的爐型和品種。 密封多用爐改進(jìn)方向之一是進(jìn)一步促使多用。為了能處理模具和不銹鋼件，許多用戶要求將多用爐工作溫度提高到1050～1100℃。其次，為提高生產(chǎn)效率，也有用戶要求將一次裝爐量提高到1500～2000kg.為了降低熱處理件質(zhì)量分散度，*好能使?fàn)t內(nèi)有效加熱區(qū)的溫度被動(dòng)保持在±5℃以內(nèi)。為了降低生產(chǎn)成本，應(yīng)將滲碳用載氣從完全用甲醇裂解氣改為氮基氣氛或甲烷(燃?xì)?制備的吸熱式氣，把氧探頭的*高工作溫度提高到1100℃，以滿足高溫滲碳、提高滲速的要求

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