熱處理設備的現狀與展望

時間：2010-06-08 09:56:43 來源：作者：金虎

    說起我國熱處理生產技術現狀，大家不約而同地會用這樣的話來概括：改革開放以來，熱處理生產技術有了明顯進步，但總的說來和先進工業國家比較尚有大的差距。這便成為我國經濟融入國際社會后，機械產品在國內外市場處于競爭的弱勢，這種狀況必須迅速扭轉。“九五”計劃以來，大家都認識到熱處理生產技術改造的必要性，而技術改造的主要內涵式設備更新，因為設備是先進生產技術的載體。這一點已明確刻畫在行業“十五”規劃的主體思想中。
    根據粗略估計，我國機械制造企業中平均役齡在40年以上的熱處理設備占80%。這些設備能耗大，工藝老，勞動強度重，溫度波動大，產品質量分散度高，使用這樣的設備，不可想象能生產出與國際名牌企業相匹敵的產品。因此，新建企業必須有高的技術起點，老企業必須開展以更新設備為主要內容的技術改造。
    本文旨在為推動企業的熱處理生產技術改造，提出更新設備的一些出發點和思路，供大家參考。
1.對熱處理設備的基本要求
各種熱處理設備，尤其是加熱和冷卻設備，除必須滿足熱處理工藝要求，生產出合格產品外，還應達到以下各項條件：
(1)節約燃料和電能。
(2)高的生產效率。
(3)保證產品質量指標。
(4)至來年個分散度小，再現性好。
(5)可靠性高，故障率低、安全。
(6)自動化程度高，勞動強度低。
(7)性能/價格比高。

2.熱處理設備的發展方向
    近幾年，我國熱處理行業對企業技術改造開展了多次討論，在熱處理生產技術發展方向上取得了一致看法，可以簡單地概括為：清潔、精密、節能和質量控制四個方面。熱處理設備的趨向除了更好地滿足上列基本條件外，在技術發展前景上也應該概括成這四個方向。
   （1）理設備工業生產隊環境的污染已達十分嚴重的程度，已對人類和生物的生存構成嚴重威脅，國際環保組織多次強烈呼吁發達國家和發展中國家把環境問題列入重要議事日程，并采取有效措施避免清空的進一步惡化。我國是國際環保條約的締約國，全國人大和國務院對此十分重視，已批準頒布的《環境保護法》，對各行各業的生產、生活、商業、交通運輸和文化娛樂活動對環境的影響都提出了非常嚴格的規定。
    熱處理生產形成的廢氣、廢水、廢鹽、劇毒物、粉塵、噪聲、電磁波都會對環境造成污染。熱處理生產設備和輔助設備都必須首先保證不采用產生這些物質的工藝；其次不得已非采取產生污染物的工藝時，也必須事后施行嚴格的無害化處理，達到規定排放標準才可排放。
    屬于清潔熱處理范疇的熱處理設備有真空爐、可控氣氛爐以及感應、激光、電子束、等離子、離子束等加熱裝置。在加熱爐中，一般來說，電爐比燃燒爐干凈。用天然氣作燃料時，使用預先除硫的氣體和合理構造的燃燒器，燃燒產物中的SOX和NOX都會在規定值以下。施行氣體碳氮共滲和氮碳共滲的井式爐和密封箱式爐在把排除的廢氣點燃后，可以使工藝過程中形成的HCN完全分解，不會造成危害。中性鹽浴爐中的BaCl2屬毒物范疇，廢鹽、廢渣和廢水須經無害化處理后才可排放。鹽浴爐是高耗能的設備，從以上兩個原因出發，鹽浴爐應屬限制使用設備。工具行業大量使用的鹽浴爐應該被非常清潔的真空中加熱和高壓惰性氣體冷卻淬火的設備代替。使用氰鹽的液體滲碳、碳氮滲和氮碳共滲，以及通過反應會產生大量CN—的鹽浴爐應該原則上禁止使用（無論城市還是鄉鎮）。在銼刀和手工鋸條生產非用氰鹽不能保證質量的企業應經縣級以上政府和環保部門特批，所形成的三廢應使用強氧化反應和電解無害化處理后達標才能排放，    不提倡使用硫酸亞鐵中和法。
屬于清潔冷卻設備范疇的有水槽、鹽水槽、有循環冷卻的油槽、PVA、PAG、ACR、PVP、PEO等聚合物水溶液槽、噴霧冷卻設施、空氣緩冷坑、氣流循環冷卻裝置、流態化冷卻槽、硝鹽浴爐等。等溫、分級淬火油槽的油溫必須至少低于油閃點50℃，淬火形成的油煙應集中處理后才可排放。
清洗是熱處理生產過程中一道不可忽視的中間輔助工序。機加工完送到熱處理車間的工件表面往往帶有切削油、乳化液、拋光劑拔絲顏料和潤滑劑、研磨脂、探傷磁粉油劑，如不清洗處理，直接裝爐加熱，勢必在生產場地造成煙霧彌漫，一則影響工人健康，二則污染環境。清洗工件表面油污的方法很多，一方面可根據油污種類和要求的清潔方法來選擇清洗方法和設備，另一方面的考慮就是必須避免形成環境的二次污染。汽車齒輪類零件滲碳前的燃燒脫脂是值得提倡的一種表面脫脂方法。工件在燃燒爐中加熱到500~550℃，表面油脂完全蒸發，并參與燃燒，所以爐用燃料很少。工件表面的微氧化有利于滲層均勻和減輕內氧化現象，而且工件在脫脂過程中兼獲預熱效果，可以節約能源。脫脂爐燃燒產物的余熱還可用于回火或中間清洗槽液的加熱，做到熱能的充分利用。更為可貴的燃燒脫脂屬于清潔的輔助設備。
    滲碳淬火件，回火前的中間清洗多用加熱到70~80℃的5%~10%濃度的Na2CO3溶液。廢液的排放需要中和。清洗后漂浮在堿液表面的油脂應該回收。密封多用爐的推桿式連續爐滲碳淬火回火生產線上的中間清洗機即屬此類。工件堿液清洗可采取噴淋和浸入雙重方式，然后用熱清水沖凈，用熱風干燥后送到回火爐中。
要求表面高度清潔的飛機零件過去常用含氯烴類物質作為溶劑，把表而油脂清理干凈。早在20世紀80年代就發現這些物質對大氣臭氧層的破壞作用，國際上以約定和氟利昂制冷劑一樣要限期禁用，因此在國際上立即興起一股探求替代氟氯烴溶劑的清洗方法和設備的熱潮。
真空和蒸汽清洗技術是在此熱潮中開發出的完全屬于清洗范疇的技術。
   （2）精密的熱處理設備    影響金屬件質量的因素除熱處理后的綜合力學性能外，尚有制作的形狀和尺寸變化（畸變）。整個制件和整批制品具有趨于一致的力學性能和分散度很小的規律性畸變是實現精密熱處理的理想期盼。通常靠檢查工件硬度來判斷綜合力學性能的優劣。對鋼而言，決定硬度均勻性和重現性的因素是加熱溫度和冷卻的劇烈程度（冷速）。在冷卻條件（介質、攪拌程度、介質溫度）確定之后，影響硬度均勻性的因素就是加熱溫度的精確程度了。對同一批加熱的工件，硬度的均一性取決于爐溫控制的精確度和有效加熱區內的溫度差別。這就要求完成各種熱車里工藝過程的加熱爐都必須滿足控溫精度和爐溫均勻度的規定，或者要求工件必須裝子啊滿足爐溫均勻度規定的有效加熱區內。現在化的熱處理加熱設備通過發熱體的合理布置、耐火材料的優化選擇、爐內氣氛的理想循環把已定有效加熱區內的爐溫均勻度控制到±5℃范圍不是困難的事。一般真空爐和可控氣氛爐都能輕而易舉地把有效加熱區內的爐溫波動約束在±5℃。而鋁合金固溶加熱爐則通過熱氣流的均勻循環可使爐溫均勻度和控溫精度嚴格保安吃在±3℃以內，甚至更精確。在設計加熱爐時，借助計算機模擬，在已定的各種邊界條件下可以顯示出爐內溫度分布狀況，從而不斷修正這些條件，使爐溫逐步趨向于理想的均勻度。
    金屬制件的熱處理畸變主要發生在淬火冷卻階段。其主要原因是制件心部的冷卻滯后丁表面，所形成的溫差在材料內部產生熱應力，由此又由于表面和心部組織轉變的不同步和相變產物的比容差而產生組織應力。應力的疊加超過材料的彈性極限就會使工件畸變，超過抗拉強度就導致開裂和破斷。因此減少熱處理畸變的主要途徑應是盡量降低工件冷卻時的表面和心部溫差，沿整個工件長度實現均勻的冷卻。
    用硝鹽浴和熱油施行上件奧氏體化后的等溫分級淬火仍然是減少工件內外溫差，從而減少畸變的有效手段，關鍵的是在工件等溫和分級冷卻過程巾，鹽浴必須不停地攪拌，熱油要連續循環。日本產和豐田汽車公司齒輪滲碳后都施行在鹽浴中的等溫淬火。
Aichelin公司開發的軸承套圈在輥底爐中滲碳，在所謂的泉涌式淬火槽中淬火，可使工件得到均勻的冷卻和最小的畸變。工件在淬火槽的輥道作往復運動，與此同時槽中的油可上下作變向循環。
    淬火液溫度保持穩定和連續的循環攪拌不僅可提高冷述，而且可保證工件的均勻冷卻，從而減少畸變。為此，一般淬火槽內或在槽外部都應配備冷卻淬火液的熱交換系統，槽內還必須配置循環攪拌系統和使液體均勻流動的導向設施。
    在真空爐中施行對流加熱，工件奧氏體化(或滲碳)后在0. 6～2MPa的惰性氣體中強制循環冷卻可以達到油淬的效果。由于冷卻均勻，工件畸變顯著減少。
工件在密封多用爐和連續滲碳爐中，滲碳后在150～180°C熱油中分級淬火，也能明顯減少畸變。
    軸承套圈在電阻爐或感應加熱裝置中加熱奧氏體化，然后在多工位淬火壓床中逐個施壓淬火可使套圈的淬火畸變減至最低程度。
美國國家制造技術中心(National Center for Manufacturing Sciences，NcMs)開展對熱處理畸變預測模擬和減少畸變措施的研究。從工件(齒輪)溫度梯度、相變體積變化、溫度梯度和相變誘發塑性變形、相的塑性流變性能等角度利用有限元分析法得出殘留應力、顯微組織和畸變最終結果，進而在此基礎上擴大和提高初始模擬工具的預見能力，如補充某些材料，增加研究的邊界條件，以擴展到多種工藝和多種幾何形狀的零件。最終為用戶提供可減少畸變的工藝和設備以及可獲得合格產品的研究報告。
    鋼件滲碳時列精確控制爐氣碳勢以達到精確控制表面含碳量、滲層深度、甚至表層碳濃度梯度的方法和設備儀器的開發為實現滲碳件質量的精確控制提供了可能。利用氧探頭作為傳感器和各種類型的碳控儀以及適用于各種鋼材、不同滲碳工藝的數據庫和工藝軟件可以實現在工藝過程瞬間的適時控制、并將工藝參數和瞬間狀態在計算機屏幕上隨時顯示。利用此成熟技術可使鋼件表面含碳量控制在±O 025％～±O 05％范幽內。滲層深度控制在±0．1mm范圍：當前的問題是加強推廣應用。
Ispen公司在上世紀80年代開發出Superearb直生式氣氛滲碳技術。其實質足把天然氣或丙烷和空氣混合直接通人滲碳爐內施行碳勢町控滲碳，利用氧探頭和Carbo--TronikA、B、C三種碳勢控    制系統把工件表面含碳量控制到要求范圍，該方法也適用于氮一甲醇合成氣氛的滲碳。由于不用發生爐，有減少設備投資和節能的效果。
    (3)節能的熱處理沒備我國機械工業的熱處理設備90％以上用電加熱。熱處理用電量占機械工業用電總量的25％～30%。熱處理節能主要是節電。
    目前全國熱處理加熱設備估計有20萬臺，裝機容量1200萬kw，全年總用電量約100億kW·h，節電潛力巨大。
    熱處理節能主要三條途徑，首先是科學管理，其次是采用節能工藝，最后是使用節能設備。研究開發推廣節能設備，以此為主要出發點，進行熱處理生產技術改造和更新設備至關重要。
熱處理設備的節能首先要從加熱設備的能源結構上來分析。用電作能源是不經濟的。電阻加熱爐的熱效率最高可達80％，但電屬二次能源，發電的效率一般為30％～t40％，因此用電加熱的電阻爐的實際最大熱效率也有24%~32%。而用天然氣加熱，再加上空氣預熱等廢熱利用可使實際熱效率達到65%以上，也就是說燃燒爐比電阻爐的熱效率增加一倍，可節約50%的燃料。
    加熱設備的連續運轉可減少輔助時間，提高設備利用率，節能效果明顯。由此出發，若生產批量足夠，盡量采用連續式爐，比周期式爐節能。據日本一個工廠的經驗，當加熱溫度為900~950℃時，推桿式熱處理爐的單位能耗是3770000kJ/t，熱效率是40%，而周期式爐單位能耗則為500000kJ/t，熱效率只有30%，據日本藤澤昭一提供的數據，在生產率相當的箱式、井式、輸送帶式和震底式4種爐型中以井式爐和震底爐的熱效率最高，這是由于井式爐密封性好，散熱面積小，而震底爐沒有夾具、料盤之故。
    日本近代周期式和連續式加熱爐都有由箱形向圓柱形轉變的趨勢。這是由于圓柱形外表積比箱形小近14%，外壁溫度低10℃，通過壁爐的散熱減少約20%，最終可使熱處理的單位能耗降低7%。
    加熱爐采用陶瓷纖維爐襯是提高爐子升溫速度、減少爐壁蓄熱的有效措施。陶瓷纖維爐襯得節能效果最明顯。據日本改造爐襯得經驗數字，一臺輸送帶式爐由重質磚爐襯改為陶瓷纖維后使空爐升溫時就愛你減少到原來的1/10,節約燃料50%；裝爐量為400kg的密封滲碳淬火爐由輕質耐火磚改為陶瓷纖維爐襯節約了13%的燃料，使空爐升溫時間縮短1/3，清爐時間（爐氣恢復）減少到原來的1/4。
    盡量減少爐上開孔，關嚴爐門，減少開啟爐門頻繁程度，鹽浴爐和溜態粒子爐加蓋，減小井式滲碳爐排氣孔，密封多用爐前室爐門封死都有利于防止散熱，減少熱損失。
    從藤澤昭一給出的數據看，用在加熱夾具、料盤、料筐、輸送帶的熱能為總耗量的19%~29%。井式爐上的吊具最終，輸送帶式爐的輸送帶很長，加熱后冷卻又重新加入爐加熱，熱能損失很大。由此可見應盡可能用震底爐、輥底爐和網帶路代替鏈板爐或鑄鏈爐。
    燃燒爐排出的廢氣溫度比爐溫至少要高出50℃。近代先進的換熱器可以錄用廢熱把燃燒用空氣預熱到900~1000℃的高溫，而無須擔心NO2超標，此時可提高燃燒效率30%~50%。
同樣是日本的經驗，合理調節和控制燃燒系數（空/燃比）可以節約30%~40%的燃料。開發推廣使用高效燃燒器和輻射管也是提高讓你少效率的有效方法。目前最先進的是使用蜂窩狀熱交換器預熱空氣的雙向交替燃燒和預熱空氣的燃燒器和輻射管。日本工業爐協會幾年前開發的雙向交替使用輻射管作為重大節能項目受到日本政府200億日元的資助。
    日本東京熱處理工業株式會社（現改為同和礦業）在70年代末就開發出一種多次利用廢熱的的連續式滲碳、淬火、清洗、回火生產線。滲碳前次啊用燃燒脫脂和預熱。脫脂爐用滲碳廢氣添加丁烷燃燒加熱。由此排出的廢氣和油煙可滿足回火加熱，回收近50%的熱量。淬火油的熱量可用來加熱清洗機中的堿液和清水，能回收40%~60%的熱量，通過廢熱多次利用可使整條生產線的燃料消耗減少近40%。
    利用低壓滲碳和低壓離子滲碳可明顯縮短滲碳周期。在真空爐中滲碳可以把滲碳溫度輕而易舉地提高1030~1050℃,而不使爐子受到任何損害。由于溫度的升高顯著加速碳在奧式體中的擴散和930℃滲碳比較會縮短一半的滲碳周期，此意味著能耗得明顯降低。
    （4）產品質量的自動控制近代物理冶金學和金屬相變理論已基本洞悉了各種合金隨溫度變化的各種平衡和非平衡的轉變規律，并有充分可能按照預想的組織和性能的物理和數學模擬關系用計算機加以精確控制成為現實。Ipsen公司的Michael Lohmann和Daniel H Hembing在《21世紀的熱處理》一文中明確地提出了他們關于現實生產自適應熱處理，按生產流水線集成的模塊化整體設備結構以代替獨立分散的各種熱處理設備。這些單元可以把包括氣氛、真空、能源、涂層、清洗、清理等不同工藝都綜合到一起，在實際上形成一個自行包絡前處理和后處理工序在內的自適應生產中心。此系統可按非常規工藝運行，并在整個制造過程加以優化選擇。
    這些工藝包括：①非平衡滲碳；②非等溫處理；③高溫熱處理；④工件自適應淬火；⑤表面改性（包括覆蓋層）；⑥按工藝要求改善材料；⑦復合熱處理。
    可以設想利用現場測量的莊稼系統（expert system of in-site measurement）及時得到單個零件和整批爐料的準確傳感信息。
    還可以設想，在不遠的將來，會出現沒有爐壁的爐子，工藝周期以秒計的熱處理過程，工廠在白天和黑夜還可以按實際需要自控電力，熱處理設備將靠學習熱工智能的傳感來指揮操作，而無需人的參與。

3.展望
回顧建國以來的50多年中，我國的熱處理技術和設備的發展可以說經歷了5個醒目的里程碑：
（1）50年代中期固體滲碳被滴煤油的井式爐氣體滲碳代替。
（2）60年代引進和消化吸收了密封滲碳爐生產線技術。
（3）70年代全國星期了離子滲碳熱。
（4）80年代國產真空熱處理大量投入市場。
（5）80年代引進和消化吸收了氧探頭和碳控儀，在密封滲碳爐生產線上初步實現了智能化的熱處理。
    目前低壓滲碳和高壓淬技術的研發如日中天。事實證明，該技術效率高，產品質量好，對環境友好，目前有解決了大批量生產的難題。可以設想，在新世紀10年代必將爆發采用低壓滲碳的高潮。這個高潮也許首先會在汽車工業中出現。低壓滲碳和高壓氣淬技術、周期爐和連續爐生產線的推廣會是熱處理生產技術發展的另一個里程碑嗎？

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