熱處理節能與環保技術進展
一 引言
對金屬材料，特別是鋼鐵材料，材料冶煉、鑄造、鍛軋成型等賦予材料以形體，而熱處理則賦予材料以靈魂。熱處理是材料性能的保證。
熱處理工藝技術有相當長的歷史，可以追溯的遠古時期。但真正促使熱處理理論和應用快速發展是近代機械工業的發展。隨著現代機械工業的發展，對各類零部件性能要求的提高，如何挖掘材料的性能潛力、提高材料的性能水平和使用壽命，給熱處理提出更高的要求，促使熱處理理論、技術、裝備的發展。
我國的經濟多年保持快速增長，機械工業也呈現快速增長趨勢。我國已成為鋼鐵生產的大國，預計今年鋼產量達到5億噸以上，機械裝備制造也已成為世界大國。但由于機械工業主要集中近年來的快速發展，仍處于粗獷式經營發展階段，在基礎研究、技術等方面上，與國際先進水平仍有一定的差距。特別是在冶金、鑄造、成型、熱處理等方面能耗大、污染嚴重等問題仍十分突出，節能、減排壓力十分巨大。
熱處理行業的發展依賴于機械工業的發展，機械工業的快速發展給熱處理行業的發展帶來了機遇和挑戰。
二 機械工業發展與熱處理所面臨的機遇和挑戰
1、機械工業的發展狀況
（1） 機械工業在我國國民經濟的支柱產業的地位進一步鞏固
機械工業對我國國民經濟的發展和國防力量的增長起著重要作用，占有重要地位。2006年，機械工業總產值突破5萬億元大關，達到54717.77億元，同比增長30.06％；工業增加值達14370.83億元，同比增長32.12％。全行業連續4年以20％以上的增幅快速平穩發展。2006年，中國機械工業實現利潤總額達2966億元，創歷史新高，比上年增長36％。2006年我國機械工業比上年凈增利潤785億元，對全國工業同期新增利潤的貢獻率達17.69％，居工業各行業第一位。機械工業在我國國民經濟的支柱產業的地位進一步鞏固。
（2）機械產品的技術水平和國際競爭力顯著提高
機械工業技術水平顯著提高，新產品比例升高。2006年中國機械工業新產品產值為10427.36億元，比上年增長35.85％。新產品對同期新增工業總值的貢獻率達到了25.14％。主要新產品有發電設備、大型冶金設備、機械加工設備、汽車等先進產品。
出口比例顯著提高，到2006年，出口總額首次超過進口。標志著機械產品的國際競爭了顯著提高。
（3） 機械工業污染防治面臨的形勢十分嚴峻
在整個機械工業穩步、快速發展與增長的同時，我們也必須認識到：機械制造過程，特別是熱加工過程，總體來說是資源消費密集型行業，從整體上看，粗放型的經濟增長方式尚未根本轉變，能耗高、資源消費大、污染環境嚴重、勞動保護薄弱和環境治理差，我國環境污染的70%是由工業生產造成的，而工業污染物中的大部分是由各種工藝裝備或各類機電產品在生產運行中產生的。我國機械工業“高消耗、高排放、低效率”的問題仍十分突出。
2、熱處理行業的機遇和挑戰
機遇：
（1）機械工業的發展給熱處理的發展帶來了可能。
隨鋼鐵產量的提高以及各類金屬材料應用量的不斷增加，熱處理產業的總生產量和總產值顯著提高。每年鋼材熱處理的總重量（包括同一種材料施行多種熱處理工藝的熱處理重量的疊加）約為全國鋼材總產量的30%，年實際熱處理生產量超過1.5億噸。給熱處理行業的擴大再生產提供了良好的平臺。
（2）大型、高技術產品比例的提高，對材料的性能水平要求顯著提高，對熱處理技術要求顯著提高，促進了熱處理行業的技術進步。
（3） 機械新產品，對零部件性能有新的技術要求，促進了熱處理行業新技術的發展和應用。
熱處理污染對熱處理工業的挑戰
挑戰：從簡單的幾個數字的描述就可以看出
在主流技術不斷發展和進步的同時，由熱處理帶來的環境污染問題愈加顯現出來據不完全統計我國熱處理業約有5000噸/年淬火油因蒸發或局部燃燒造成CH化合物、CO及煙塵；有約9000噸/年，廢淬火油因排放不當而污染水質；鹽浴爐生成鹽蒸氣7000噸/年以上；有害廢渣約10000tPa；燃煤爐窯排放SO2約115萬噸/年，灰分約815萬噸/年；噴砂處理中產生SiO2等有害粉塵10000噸/年，嚴重污染了環境。
隨國家對節能、減排的重視，節能與環境污染成為制約熱處理行業發展的關鍵。節能、減排是保證熱處理行業，乃至機械工業可持續發展的關鍵環節。
三、熱處理生產的現狀及其污染類型
1、熱處理生產現狀
目前，全國各類熱處理專業廠、熱處理設備制造廠、熱處理工藝材料生產廠以及主機廠的熱處理分廠、車間約近15000家。
其中全民所有制企業約占80%，約12000家，民營和股份制企業占20%，約3000家。全國員工總數約37萬人。全國熱處理加熱設備（以75kW為一標準臺）約15萬臺，裝機容量1100萬kW。每臺設備平均生產率100kg/h，15萬臺加熱設備的年生產能力近4500萬噸。
以熱處理加熱設備的平均利用率為30%計算，15萬臺設備的每年實際熱處理生產量為1350萬噸，消耗電總量為99億度。在2003年的全國調查中，熱處理加工的平均價格為2.30元/kg。按全年實際產量1.3億噸計，全國熱處理年營業額約310億元。若以平均利潤率10%計，年創利潤總計30億元。熱處理行業增值稅率平均達12.5%，每年向國家納稅約39億元（按物價增長比例，現在的利潤、和稅收應遠大于這個數值）。
2 主要污染物類型及來源
熱處理過程污染主要表現在空氣、水、噪聲和電磁污染。
噪聲污染 主要來自設備的運行，如各類泵、風機、噴砂清洗等。采用一些低噪音設備及隔音防護
電磁污染 主要來自感應加熱設備的運行，可以采用電磁屏蔽降低對人員和環境的污染。
以上兩種污染對環境和人員污染比較小，容易治理。我們重點分析對空氣和水的污染，這也是節能、減排工作控制的重點內容。
對空氣的污染物有：燃料燃燒產生的煙塵、CO2、CO、SO2、NO2及保溫材料揮發所產生的粉塵等，特別是煤、重油等一次能源燃燒過程；淬火介質揮發所產生的CmHn、CO和煙塵等；鹽浴熱處理過程鹽蒸發所產生的NaCl、BaCl2、NaCN、KCN等；氣體表面滲碳、滲氮等過程所產生的CO2、CO、NH3、HCN等；噴砂、清洗過程中清洗液的揮發及噴砂形成的粉塵等。
對水的污染有：淬火廢油中金屬氧化物以及工件淬火時從鹽中帶出的BaCl2、HCN等；水基淬火介質中有機物；清洗液中化學物；鹽渣和廢鹽中NaCl、BaCl2、CN-1等；發黑、發藍或磷化的廢液體等。
綜合上述污染物的來源，包含熱處理加熱、淬火冷卻、表面處理、工件的清洗等各個過程，因此，熱處理節能減排的壓力仍十分巨大。
四、國內外熱處理節能和環保現狀的比較
熱處理作為特殊工序，所賦予產品的質量特性常常是不直觀的內在質量（如材料的強度、韌度、耐磨性和疲勞壽命等），質量問題一般在產品使用過程中才能暴露出來。在我國經濟快速發展的今天，并沒有得到各級政府和企業領導者的重視，在技術改造及基礎研究方面投入明顯不足，導致目前國內專門從事熱處理基礎、工藝、技術、裝備等方面研究的人員相對較少，致使在熱處理整體水平上，尤其是在節能和環保方面，與國外先進水平仍存在相當大的差距。主要表現在政策法律方面；科技政策方面；生產規模及專業化方面；熱處理工藝裝備方面；人員素質和管理水平方面等。以下將詳細分析：
1、政策法律保障方面
表5給出各國在熱處理行業環境保護方面的立法情況，可見我國在環境保護方面的立法遠落后于發達國家。由立法到執法的規范化尚需要一定的時間，我國在法律保證方面與國際水平尚有相當大的差距，導致了國外一些重污染工藝轉到國內生產。近年來，隨節能、減排執法力度的增強，該方面的情況有所緩解，這充分說明法律保障在環保方面的重要性。
2、科技政策及科研組織
美國在科技上具有世界最高的水平，但仍十分重視熱處理的節能、環保及對工業發展的作用。在1996-1997年由美國美國能源部、熱處理學會和金屬熱處理協會組織了提出了熱處理技術發展路線圖初稿，其中涉及到設備、筑爐材料，工藝與被處理材料，能源與環境，公益等四個方面的70余項重點研發項目。到2004年公布了“美國2004年熱處理技術路線圖（Heat Treating Technology Roadmap-2004HTS Revision）修訂稿。該技術計劃可以說代表了熱處理技術的發展方向。該計劃的最突出的是：目標明確、組織機構完整、科研經費保障。
目標：能源消耗減少80%，工藝周期縮短50%，生產成本降低75%，熱處理畸變超差為0，熱處理件質量分散度為0，熱處理爐子壽命提高10倍，熱處理價格降低50%，熱處理生產對環境的影響是0。
組織機構：成立熱處理技術研發中心和鼓勵和組織全行業企業參與研發兩項措施，建立“熱處理高新技術中心”和“熱加工技術中心”。
研究資金：熱處理高新技術中心由國家能源部和其他方面提供研究資金。主要研究如何降低能耗，減少污染，減少廢品和返修品，控制生產成本以及全面促進熱處理行業繁榮。
我國也有類似的熱處理技術發展規劃，如熱處理行業的“九五”、“十五”和“十一五”及其遠景規劃設想。提出了熱處理發展目標和技術發展方向。但與先進國家相比，并沒有建立專門的研究機構來對計劃所提出的目標進行有計劃的研究、組織和具體實施。另外，也沒有提供有效的資金渠道來保證一定的科研機構、企業、研究人員進行長期有些的研究。
如果在科研機構和研究資金方面不能有效地保證，熱處理技術發展規劃將只能成為一種設想，熱處理技術將一直處于落后于發達國家的境地。
3、生產專業化及規模化
由于歷史原因，我國的熱處理廠都屬于大而全、小而全、不協作、封閉型企業。必然導致任務量不足、生產效率低下、設備的利用率極低造成能耗、物耗、污染增大。
與美國相比，我國的專業化熱處理廠只有美國的2.86%，生產效率僅為美國的3.75%，設備利用率僅為30%，電耗卻比美國高40%。上世紀80年代，國內開始注重生產規模化和專業化調整，取得了一定對效果。說明具有戰略性調整、組建專業化的生產廠，可以實現能耗、物耗、污染顯著下降，為節能減排、實現可持續發展作出貢獻，獲得明顯的經濟、環保及社會效益。
4、熱處理工藝裝備
我國熱處理裝備相對落后，熱處理行業是近些年隨機械工業的發展取得了較快速的發展，但熱處理設備更新落后于行業的發展。在熱處理設備制造方面，大量的先進熱處理裝備仍需進口，特別是先進的傳感器方面，其技術水平仍相對落后。先進節能保溫材料應用普及率還相對較低，熱處理輔助材料發展較慢。近些年來，引進了國外一些先進熱處理裝備生產技術，但國內在熱處理設備設計、裝備模塊化方面尚未掌握核心技術。
5、企業的人員素質、管理水平和質量保證仍有待提高
熱處理作為特殊的工藝環節，其作用的表現可能在使用過程中才能得到良好的體現，因此，沒有得到一般企業管理者的重視，在技術改造和更新方面并沒有得到應有的重視，這是影響熱處理技術進步的一個重要原因。
另外，由于國內高等教育模式的調整，采用寬口徑培養方式，熱處理專業在國內幾乎不存在了，而國內企業尚沒有形成大學職業教育的體系，導致熱處理技術人員和技工的急劇減少，使從事熱處理人員素質較低。
另一方面，國內科技政策對傳統產業重視和支持不足，科研人員很難在這些方面爭取的研究資金，而各大學和研究機構對研究人員的考核主要的科研經費、論文等，使從事熱處理研究的人員在資金得不到保證和論文水平發表的刊物（SCI收錄及影響因子）的影響下，不得不轉行，從事大材料學的研究。科研力量明顯不足。目前國內的大學中，只有上海交大潘健生院士所領導的課題組等少數課題組仍完全從事熱處理方面的研究，其它大學中，幾乎沒有多少研究人員專門從事熱處理方面的研究。
這些方面，導致了國內熱處理行業的現實局面，成為制約熱處理行業乃至機械工業發展的瓶頸。
五、對策與建議
1、加速中國熱處理路線圖的制定及組織實施
借鑒美國熱處理路線圖計劃的先進經驗，結合我國熱處理現狀和發展趨勢，制定我國熱處理發展規劃。
規劃的建立不是最終任務，關鍵是如何實現！
1、建立熱處理行業自主創新體系，提出熱處理行業創新實施計劃與工作目標。
2、整合現有的行業研發力量，建立以產、學、研聯合的研發機構，其目的是根據發展規劃，提出具體的基礎研究和應用研究課題，盡快開展工作，能夠將研究成果快速應用。
3、建立國家、企業科研資金的資助渠道，保證研究機構的正常運行，鼓勵更多高級研究人員從事熱處理技術的研究。
2、加速清潔、節能、精密、高效的熱處理新技術推廣應用及裝備的研發
表6給出了主要熱處理過程對環境的污染情況及改善方式。
在熱處理加熱過程：燃料燃燒、鹽的揮發對空氣的污染；廢鹽對水的污染；
在淬火過程：油及淬火介質的揮發對空氣的污染，油及介質對水的污染；
表面處理方面：滲碳、滲氮對空氣的污染，液體及化學表面處理揮發及廢液對空氣和水的污染；
零件清洗方面：工件表面氧化、噴砂、噴丸粉塵對空氣的污染，氧化物、淬火液、清洗液對水的污染。
因此，節能減排應對應不同的工藝狀況，開發處理設備和無（或低）污染的熱處理工藝技術。
在加熱冷卻方面：
（1） 真空熱處理和高壓氣淬技術 真空熱處理是減少氧化、有利于實現高壓氣淬技術的有些手段，有污染少，工件變形小等特點，是實現光亮熱處理的有些手段。
（2） 以天然氣為主要燃料爐代替煤、油的燃料燃料爐。鼓勵一次能源采用少污染的天然氣，或使用二次能源，電、煤氣等，嚴格限制使用煤、油等一次能源。關鍵開發天然氣、煤氣等燃燒控溫技術。
（3） 發展高熱效率的流態粒子爐、開發低污染鹽，代替傳統鹽浴熱處理技術。
（4） 開發和推廣新型保溫材料，提高熱處理的熱效率。
在表面處理技術方面：
（1） 加速催滲等快速氣體滲鍍技術的發展和應用 快速滲碳的工藝，可以顯著提高滲速和滲層的性能，如哈爾濱工業大學閆牧夫等研究的稀土催滲工藝，能在滲速和滲層質量的提高上，均有明顯的提高。本課題組也曾在滾珠滲碳工藝上的研究表明，稀土催滲能降低滲碳時間，滲層的韌性得到明顯改善，對滾珠滲碳效率提供到達20%以上。
（2） 開展低壓及離子離子滲碳、滲氮技術及的研究和應用
低壓化學熱處理時借助低真空變壓，滲劑可定向流動的特點，在迅速排除工件周圍的老化氣氛后，新鮮滲劑立即迅速擴散到爐膛各處，工件上的小孔、盲孔、孔壁及壓緊面均可得到滿意的滲層從而實現工件密裝生產。另外，低壓化學熱處理可結合高壓氣淬技術，減少污染。
離子滲氮和離子滲碳是將置于低壓容器內的工件在輝光放電的作用下，帶電粒子轟擊工件表面，使其溫度升高，實現所需原子滲入表層的化學熱處理方法。與常規的化學熱處理相比，特點是滲速快、工件變形小、易控制，熱效率高、節約能源，而且無煙霧、廢氣污染。
（3） 推廣激光束、電子束、離子束表面改性技術 該類技術是利用高能量光或電子、粒子加熱技術，無污染物產生，對環境污染少。
（4） 將最新的研究成果，如離子鍍、氣相沉積、熱噴涂等先進表面技術等，應用于材料的表面熱處理
（5） 開展復合感應加熱技術的應用
（6） 開發無（少）污染的表面化學處理技術
在淬火冷卻技術方面：
開發智能淬火冷卻裝備技術-以氣淬、水淬、水霧冷卻技術替代油、聚合物淬火液等淬火。在該方面研究上，上海交通大學潘健生院士、陳乃錄教授等開發的淬火冷卻系統啟動良好的示范作用。采用水-空冷卻方式，是截面厚度600~900mm的塑料模具鋼鍛件的截面硬度差小于3-5HRC。
在表面清洗方面：
開發新的清洗液和清洗技術 減少清洗液和噴砂粉塵的污染。
3、加速熱處理生產的規模化
規模出效益，要徹底解決材料成形加工企業的污染、耗源問題，就應該轉換廠家各自為戰的觀念和局面，變為區域內集中處理，逐步實現行業的社會化、專業化分工合作。鑄造、熱處理、電鍍行業都有同類性質問題。建議在有條件地區建立鑄造、熱處理、電鍍工業區。通過合理規劃、合理選址，將廠點（特殊產品的配套加工除外）集中在工業區生產，集中管理、集中治污，從根本上解決和實現節能減排的大目標。
4、加速少熱處理鋼種的開發
熱處理過程總是一個耗能、污染的過程。減少熱處理工藝能夠從根本上解決減少能耗和污染，這要求材料本身具有一定的特性。微合金化技術給這方面帶來可能，以微合金化技術基礎上開發的非調質鋼可在熱加工后的控冷保證材料的性能，加快非調質鋼類新型材料的開發，對熱處理過程的節能減排具有重要的意義。關鍵是材料的開發和控制冷卻技術和裝備的開發。
另外，材料的成型是零部件不可缺少的方面。有效合理的利用成型熱加工的余熱進行熱處理，即將熱加工和熱處理工藝結合起來，不僅能夠有些減少熱處理加熱過程的能耗和污染，又可利用熱變形過程對材料相變的影響，有效提高材料的性能。在該方面雷廷權院士早期開展深入的研究工作。目前在低碳微合金鋼的控軋控冷方面，取得巨大的應用。
5、加強法律法規建設及執法力度
加大《環保法》、《清潔生產促進法》等法律、法規的宣傳和執法力度，理順管理體制，加強污染防治工作的全面和全過程的管理；完善法律、法規和行業標準，并加強宣傳和執法力度；將污染防治工作納入地方各級政府部門工作考核的重點；充分發揮協會、學會的橋梁和扭帶作用，調動廣大科技人員的積極性和創造性，組織力量加強進行污染源的治理和環保新技術的科研和推廣。
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