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摘要：熱處理是提高金屬材料力學性能和保證零部件質量的關鍵工藝方法，也是機械制造行業不可或缺的工藝過程。但熱處理又是高耗能工序，因此在堅持高質量發展的新形勢、新要求下，提高熱處理設備能源的利用率對減小日益嚴峻的能源與環境保護壓力具有十分重要的意義。企業通過自身技術優勢對熱處理裝備節能降耗改造升級，將傳統熱處理設備不斷注入新技術來滿足新產品、新工藝開發的需求。從熱處理裝備節能環保技術改造的應用現狀進行了簡要闡述，并對熱處理裝備未來的發展方向進行了展望。

關鍵詞：熱處理；能耗；熱處理裝備；改造；節能環保

1序言

我國是能源消耗大國，能源浪費和短缺現象日益嚴重，而由此帶來的經濟和環境問題也日益突出[1]。熱處理作為一種可以獲得預期組織和性能的金屬熱加工工藝，是提高和保證產品零件內在性能和質量的不可缺少的工藝手段。熱處理行業是一個能源消耗大戶，提高熱處理設備能源的利用率對我國制造業節能降耗有著十分重大的戰略意義。與發達國家相比，在相同的能耗條件下，其產量是我國產量的5倍以上。因為我國的能源短缺，所以挖掘熱處理設備節能降耗的潛力是節省能耗的必要措施。目前，國外的熱處理設備大部分已采用燃氣輻射管、全自動控制的熱處理生產線，熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化發展。而國內仍處于一種設備陳舊、工藝保守、設備管理落后、裝備笨重、能源利用率低的現狀[2]。由于熱處理生產的特點，其設備和工藝材料在生產過程中會造成環境污染。尤其是老舊的設備和工藝材料所產生的“三廢”排放問題，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]。大量統計數據表明[4]：熱處理能耗極高，環境污染嚴重。因此，熱處理設備節能改造升級顯得尤為必要。熱處理裝備技術改造的核心就是從清潔生產、節約能源、無氧化、質量精確控制和信息化等原則出發，做到提高產品品質的同時，也要達到降低能源消耗、企業成本和環境污染的目的。熱處理裝備的節能環保改造措施主要有以下幾個方面[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，企業用電還是用燃料以及用何種燃料均取決于每個企業的自身條件。（2）減少爐外散熱，降低爐體與工裝吸熱在不影響企業正常生產裝爐量的情況下，可以考慮減少爐膛受熱面積，以達到減少爐外散熱的目的；采用密度小的絕熱耐火材料，以達到減少爐襯蓄熱的目的；在保證產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）充分利用余熱針對不同的熱處理設備進行余熱回收利用的設計，回收余熱可以用來烘干砂型，或預熱產品。本文以熱處理裝備技能環保技術改造為主題，簡要闡述熱處理裝備節能環保改造的現狀，并對未來熱處理裝備的發展方向進行了展望。

2熱處理設備節能環保技術改造的基本原則

目前，國內企業有很多生產效率低、能耗大的老舊熱處理設備，成本高，環境污染嚴重，極大地制約了企業的健康發展。采用技術創新的手段對熱處理設備進行節能改造升級，大幅提高設備功效，為熱處理企業降本增效注入新的活力，不斷提高企業生產力，是目前熱處理行業亟待研究的重要方向。概括起來，主要有以下幾個方向[6]：1）環境友好，消除對操作人員的安全健康隱患，能實現生產過程清潔綠色的設備改造。2）能源利用率高，能充分利用生產物料，并使剩余物料獲得再生、重復使用的設備改造。3）真空度高，能實現金屬材料的無氧化，無脫碳，保持工件的尺寸精度和良好表面狀態的設備改造。4）加熱和冷卻過程均勻，使工件畸變達到最小程度的設備改造或工裝改造。5）批量生產過程高度自動化和質量在線控制的設備改造。6）工藝過程穩定，爐內溫度、氣氛均勻，能夠保證產品質量的低分散度和高重現度的設備改造。7）低故障率，能保證在規定大修周期內無故障的設備改造。8）具有設備故障自診斷和遠程服務功能的設備升級。

3熱處理設備節能環保改造技術方法現狀

3.1爐襯改造

熱處理一般要經歷把工件和爐體由室溫狀態加熱到所需工藝溫度的過程，首先要將爐襯加熱到內外溫度保持到一定的平衡狀態，使爐襯的蓄熱達到飽和，爐襯的蓄熱要耗費大量的熱能。周期式爐和連續式爐第一次升溫需很長時間，不連續使用的周期爐，每次使用都要從冷態升溫，會消耗大量熱能。爐襯的蓄熱和材料密度成正比，輕質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，因此獲得了廣泛應用。把重質耐火磚爐襯改為陶瓷纖維的節能效果因各企業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耐火磚改為陶瓷纖維可節約13%的燃料，使空爐升溫時間縮短1/3，使碳勢恢復時間減少到原先的1/4。輸送帶式淬火加熱爐爐襯由重質耐火磚改陶瓷纖維塊的實際節約燃料率空爐升溫時間減少到原來的1/10，每日可節約50%的燃料[7-8]。生產的加熱爐用陶瓷纖維隔熱材料，可實現節約能源10%以上和產品輕量化，也可替代原有的石棉隔熱材料和耐火磚爐襯。據報道[9]，這種爐襯已經占歐洲加熱爐隔熱材料市場的50%左右。由于價格偏高，在我國還未達到廣泛使用。

3.2高效節能型熱處理工裝改造

傳統的在料筐中通過格盤將工件分層擺放來增加裝爐量的方式。行業中對于氣氛爐、真空爐工裝設計普遍采用分層平料盤加圍板組合的方案。該方案能夠滿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，致使單件產品的熱處理成本偏高，降低了產品競爭力。因此，長期以來如何提高氣氛爐、真空爐的一次裝載量成為熱處理技術人員的一個課題。為徹底解決上述問題，將料盤設計成對稱分布且四周帶有邊框的結構，邊框上下平面與料盤底面上的支撐座可同時起到支撐作用，盤與盤之間直接碼放，或可拆卸結構。選用高Ni、含Ni的優質耐熱材料，配以科學的結構設計與良好的鑄造工藝，可將氣氛爐、真空爐料盤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來增加整體裝載量，同時也減輕工裝的整體重量，降低消耗，進一步達到提效節能的作用[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。利用太陽能是一種節能的先進技術。通過聚焦、集熱器等裝置轉化光能為密度高達3000W/cm2的能量，用于金屬表面淬火、回火、退火等處理，太陽能爐尚在試驗中，有待進一步完善，但相信隨著科技的發展，終會投入生產，成為節能型綠色熱處理用爐[11]。

3.4熱處理余熱回收利用

熱處理實際生產過程中大量可利用熱能直接排空，既浪費能源又污染環境，余熱回收就是將這部分浪費的熱能回收利用。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。燃燒過程需要大量空氣，利用燃料廢氣熱量來預熱空氣是燃燒爐的最大節能措施[7，12]。

4展望

綠色化、智能化、柔性化是熱處理設備技術改造的核心發展方向。在“十三五”期間，熱處理設備技術改造的市場需求與日俱增。企業需要依靠自身的技術優勢，不斷地對設備進行改造優化，在每一個細節上下功夫，適應市場和客戶對產品質量的高標準要求的同時，降低生產能耗和環境污染。

參考文獻：

[1]劉喜霞.2019年中國工業爐及金屬熱處理產業發展高峰論壇[J].工業爐，2019，41（1）：51.

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[3]吳光治，吳越，劉忠國，等.熱處理爐節能環保技術研討[J].金屬加工（熱加工），2014（S2）：29-33.

[4]鄒磊，侯奎，孫清汝，等.綠色熱處理的探討[J].金屬加工（熱加工），2018（6）：7-13.

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[6]樊東黎.熱處理設備展望[J].機械工人（熱加工），2005（6）：6-8.

[7]邢艷，陸小明，常永慧.熱處理爐余熱回收利用[J].中國鑄造裝備與技術，2018，53（5）：46-48.

[8]韓繼成.熱處理設備的節能降耗[J].設備管理與維修，2001（2）：35-38.

[9]崔敬麗.赴歐洲熱處理清潔生產專業技術考察[J].熱處理技術與裝備，2010，31（1）：65-66.

[10]田文華，孫超.創新應用推助熱處理技術發展——2019年第十屆先進節能熱處理技術與裝備研討會報道[J].金屬加工（熱加工），2019（7）：Ⅷ-2.

[11]朱光明.先進節能的熱處理技術與裝備[J].金屬加工（熱加工），2015（13）：2-6.

[12]卞冰，趙劍.機械工業熱處理綠色發展技術探究[J].山東工業技術，2016（5）：23-23.

作者:游菲 姜影 王玉才 沈子達 單位:株洲中車天力鍛業有限公司