热处理生产的节能与环保技术研究

王 瑾

（陕西理工学院机械工程学院，陕西 汉中 723003）

0 引 言

我国《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中明确提出：要落实节约资源和保护环境的基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。节能减排及环保是热处理生产实现经济可持续发展战略实施的重要保障，也是热处理行业及热处理工作者追求的奋斗目标之一[1]。热处理生产工艺是通过对零件进行加热、保温、冷却、清洗、表面处理后获得相应的组织和性能，以满足相应的工况要求。众所周知，热处理生产车间既容易产生废气、废水、废渣及粉尘等污染物，又是耗电、耗水最多的车间之一，因此，提高热处理生产中资源及能源的利用效率，节约能源和资源，降低热处理生产对环境的负担，减小污染、净化环境是热处理生产中节能与环境保护发展的方向[2]。当前，在科学发展观指导下，加强热处理生产的节能与环保措施，对于实施热处理清洁生产，建立资源节约型和环境友好型社会具有重要的现实意义[3]。

1 热处理过程的耗能与污染问题

我国机械工业能耗高、资源消费大、污染严重、劳动保护薄弱和环境治理较差，环境污染的70%是由工业生产造成的[4]。机械工业不仅是耗能耗材的大户,而且也是排污的主要行业之一。机械工业中，特别是热处理生产行业，粗放型的经济增长方式尚未根本转变，“高消耗、高排放、低效率”的问题仍十分突出[5]。据估算，热处理工艺生产中，加热设备的平均利用率仅为30%,15万台设备的每年实际热处理生产量为1 350万t，消耗电总量约为99亿kW·h[6]。尤为严重的是，热处理生产的污染问题仍十分严峻。主要表现在以下方面：

1）废气污染。热处理生产中产生的有害气体主要来自不同的热处理加热设备和清洗设备[7]。（1）热处理燃料炉中产生二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等气体；二氧化硫使人的呼吸器官受损，一氧化碳使人眩晕、昏迷窒息，高浓度的二氧化碳会使人缺氧窒息；热处理渗氮炉溢出的氨气对人的眼膜、鼻粘膜、口腔、上呼吸道刺激强烈。（2）热处理盐浴炉中蒸发出来的含氯、含氮的腐蚀性气体，热处理铅浴炉中挥发出来的铅浴蒸汽，以及工件在表面化学热处理过程中溢出的有害气体。含氯、含氮的腐蚀性气体不仅给人体带来危害，还会腐蚀热处理设备；铅浴蒸汽使人中毒，危害健康。（3）工件表面除锈、除油、除盐等过程中排出的酸、油、盐等蒸汽，酸、油、盐等蒸汽不但腐蚀仪器设备，而且危害人的健康。（4）是化学热处理及表面处理中产生的甲醇蒸汽、苯蒸汽等。甲醇蒸汽使人眩晕、恶心、失明，苯蒸汽使人产生眩晕、昏迷、死亡等；热处理盐浴炉产生的高温蒸汽既伤害人体健康，又腐蚀各种电器设备仪表。（5）热处理零件在加热、喷砂、喷丸、清理中产生的粉尘、烟尘污染，粉尘、烟尘对人体肺脏产生严重伤害，甚至导致肺病，严重影响人的身体健康。

2）废水污染。热处理产生的废水主要来自热处理零件的清洗液、工件的表面处理液、加热零件的淬火冷却液。热处理零件的清洗后排放的废水中含有酸、碱、盐、油剂等，这些废水排放不仅会伤害热处理生产人员，排入地下后也会直接或间接地污染居民的饮用水，危害居民生活安全及生命健康。工件的表面处理废液中含有氰盐、铬等重金属离子，氰盐毒性大，重金属离子对老、幼、病人群伤害严重。加热零件的废淬火冷却液有从盐浴中带入BaCl2、工件上脱落的铁氧化皮、铬氧化皮、铬的化合物等有害物质。饮用被污染的水后,会使人发生全身中毒、产生皮炎等症状。

3）电磁辐射污染。热处理产生电磁辐射污染主要来自感应加热表面热处理设备、高温加热工件、高温热处理炉膛、强大电流馈线的盐浴炉变压器等辐射出来的电磁波。当热处理生产中产生电磁辐射达到一定强度时，不仅会影响电子仪表的正常工作，还会伤害工作人员的身体健康。人体在辐射空间受到高强度的电磁辐射时，组成细胞的水分会升温、使细胞病死、坏死；人脑组织中的部分激素产生的速度减慢，损害了人体的生物钟，影响传递神经信息激素的正常功能，使人体出现神经功能混乱；当人体受到超过一定量的电磁辐射时，因受损细胞得不到恢复，使人体的基因遗传发生突变，导致发生恶性肿瘤、白内障及白血病等疾病。在热处理生产中产生电磁辐射污染，辐射波的强度越大，频率越短，与辐射源的距离愈近，辐射场所的温度愈高，对人体的伤害程度愈大。

4）固体废物和噪音污染。热处理生产中的固体废物和噪音也会对环境造成污染。固体废物主要有从盐浴炉中捞出来的废渣，这些废渣含有氯化钡、钡盐类亚硝酸盐、氰化盐等有害、有毒物质，损害人的健康。噪音主要来自喷砂机、燃烧器、高速喷嘴、压缩机，超声波清洗设备。噪音对人的听觉、神经系统、消化系统、心血管系统、内分泌系统、心理和精神等方面会造成一定的损害。

2 预防为主和树立热处理生产节能与环保意识

1）对于热处理过程中产生的有害气体污染，预防污染的措施是要合理布局热处理车间，在进行车间设计时，对于可能引起污染的热处理设备采取集中布置方法，以便进行统一防治污染；车间的位置应尽量建筑在下风位置；在购置和安装热处理车间设备时，要同环保设施配套使用，防止出现先污染，后治理的现象[7]。

2）对于热处理生产产生的废水污染，应以预防为主。（1）要选用无毒无污染的冷却液或电镀液，以预防污染产生，如采用无氰电镀、无氰钝化等。（2）先净化，后排放。对热处理中产生的有害物质应在排放前先进行净化处理，加入沉淀剂将可溶性的有毒钡盐转变成难溶于水的无毒硫酸钡盐等。（3）加强教育，严格管理，提高环保意识，普及预防热处理职业病知识。让热处理工作人员明确污染的来源及对人体的危害性，懂得热处理车间产生的污染是可以预防的。热处理生产也要制定安全操作规程，教育操作人员如何正确使用个人污染防护用品，增强自我防范意识[8]。

3）对于热处理过程中产生的电磁辐射污染，预防的方法主要是做好各种电器设备的静电屏障，以便将辐射出强大的电磁波导入地下；在热处理车间的周围植树绿化，将车间辐射出来的电磁波通过树木导入地下；在条件成熟条件下，让在电磁辐射环境下工作的人员穿着防静电工作服；搞好工作场地、生活场所的环境卫生，保持室内的干燥、通风。

3 采用先进技术是解决节能与环保问题的重要途径

传统的加热介质多数是空气或熔盐，采用油作冷却介质，这种热处理方法对环境的污染非常严重，必须限制使用并尽早淘汰，取而代之研究推广清洁节能精密高效的热处理技术，使热处理生产环境得到明显的改善，实现预定的污染防治目标。

1）真空热处理技术。真空加热是将工件置于正常大气压以下的负压空间的加热方法。真空加热不仅能防止工件的氧化和脱碳，而且具有脱脂、脱气、净化表面和变形小的特点。另外，工件还可以在真空中进行低压渗碳、渗氮等表面处理，且在真空渗碳或碳氮共渗以后进行高压气淬，不仅能缩短工期，还能获得优良的性能，是理想的清洁热处理技术；可以替代可控气氛热处理技术，现已应用于模具、汽车零件等的热处理[9]。目前国内虽有的几十家真空热处理设备制造厂，但其技术水平与国际先进水平相比仍有一定差距，难以满足生产的需要，而进口设备价格昂贵。因此研发绿色制造生产所需要的高质量的热处理真空设备是当务之急。

2）离子渗氮和离子渗碳技术。离子渗氮和离子渗碳是将置于低压容器内的工件在辉光放电的作用下，带电粒子轰击工件表面，使其温度升高，实现所需原子渗入表层的化学热处理方法。与常规的化学热处理相比，特点是渗速快、工件变形小、易控制，热效率高、节约能源，且无烟雾、废气污染。

3）感应加热热处理技术。感应加热是利用电磁感应的原理，使工件表面产生涡流而被加热。其特点是加热速度快、易控制、工件表面氧化和脱碳少、节约能源、污染少。

4）激光束、电子束、离子束表面技术，是利用高能束对工件的表面快速加热作用实现工件表面热处理，不产生烟尘等污染，属清洁热处理技术。

5）金属镀层技术、刷镀技术、热喷镀技术、离子镀渗技术是清洁的表面强化技术。

6）淬火冷却装备技术。以气淬、水淬、水雾冷却技术替代油、聚合物淬火液等淬火。

7）热处理计算机模拟与智能化技术。采用热处理计算机辅助技术进行计算机模拟和虚拟生产，以实现热处理计算机智能化控制加热及冷却时奥氏体转变模拟、热处理工艺整体模型化模拟。热处理生产中做到有效控制，实现产品“零”缺陷，保证机械产品的精密、可靠、节能、环保和低成本。总之，计算机模拟与智能化技术是我国发展清洁节能精密高效的热处理不可或缺的技术。

[1] 何伟，倪维斗，朱成章，等.中国节能降耗研究报告[M].北京：企业管理出版社，2006.

[2] 刘哗东，冯耀潮，赵伟民，等.热处理中的节能减排与环保技术浅谈[J].金属热处理，2009，34（3）：103-107.

[3] 张威,崔敬丽.关于热处理行业清洁生产标准的几点思考[J].机电产品开发与创新,2011,24(2):59-61.

[4] 王瑾.面向环境的产品设计制造及应用研究[J].机械管理开发,2011,26(1):59-60.

[5] 龙世卫,解念锁.我国钢铁工业可持续发展与环境保护[J].中国西部科技,2011,10(3):51-52.

[6] 赵步青.热处理环境污染及其治理[J].金属加工,2009(19):15-17.

[7] 廖波，肖福仁.热处理节能与环保技术进展[J].金属热处理，2009，34（1）：1-6.

[8] 解念锁.结合材料工程专业特点培养学生环境意识[J].机械管理开发,2007,22(1):144-146.

[9] 魏仕勇,刘克明,胡强.低碳经济与热处理节能环保新技术浅谈[J].热处理技术与装备,2011,32(6):46-50.