热处理设备节能环保改造技术现状

游菲，姜影，王玉才，沈子达

株洲中车天力锻业有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

我国是能源消耗大国，能源浪费和短缺现象日益严重，而由此带来的经济和环境问题也日益突出[1]。热处理作为一种可以获得预期组织和性能的金属热加工工艺，是提高和保证产品零件内在性能和质量的不可缺少的工艺手段。

热处理行业是一个能源消耗大户，提高热处理设备能源的利用率对我国制造业节能降耗有着十分重大的战略意义。与发达国家相比，在相同的能耗条件下，其产量是我国产量的5倍以上。因为我国的能源短缺，所以挖掘热处理设备节能降耗的潜力是节省能耗的必要措施。目前，国外的热处理设备大部分已采用燃气辐射管、全自动控制的热处理生产线，热处理工艺过程的控制已向着自动化、智能化和柔性化发展。而国内仍处于一种设备陈旧、工艺保守、设备管理落后、装备笨重、能源利用率低的现状[2]。

由于热处理生产的特点，其设备和工艺材料在生产过程中会造成环境污染。尤其是老旧的设备和工艺材料所产生的“三废”排放问题，目前主要的污染形式有空气污染、水污染、固体废弃物污染、辐射污染和噪声污染等多种污染形式[3]。大量统计数据表明[4]：热处理能耗极高，环境污染严重。因此，热处理设备节能改造升级显得尤为必要。

热处理装备技术改造的核心就是从清洁生产、节约能源、无氧化、质量精确控制和信息化等原则出发，做到提高产品品质的同时，也要达到降低能源消耗、企业成本和环境污染的目的。热处理装备的节能环保改造措施主要有以下几个方面[5]：

（1）合理选择能源 热处理的能源一般分为电能和燃料两大类，企业用电还是用燃料以及用何种燃料均取决于每个企业的自身条件。

（2）减少炉外散热，降低炉体与工装吸热 在不影响企业正常生产装炉量的情况下，可以考虑减少炉膛受热面积，以达到减少炉外散热的目的；采用密度小的绝热耐火材料，以达到减少炉衬蓄热的目的；在保证产品装炉量不变的情况下，降低工装的重量、减少工装吸热也可以间接起到降低能耗的作用。

（3）充分利用余热 针对不同的热处理设备进行余热回收利用的设计，回收余热可以用来烘干砂型，或预热产品。

本文以热处理装备技能环保技术改造为主题，简要阐述热处理装备节能环保改造的现状，并对未来热处理装备的发展方向进行了展望。

2 热处理设备节能环保技术改造的基本原则

目前，国内企业有很多生产效率低、能耗大的老旧热处理设备，成本高，环境污染严重，极大地制约了企业的健康发展。采用技术创新的手段对热处理设备进行节能改造升级，大幅提高设备功效，为热处理企业降本增效注入新的活力，不断提高企业生产力，是目前热处理行业亟待研究的重要方向。概括起来，主要有以下几个方向[6]：

1）环境友好，消除对操作人员的安全健康隐患，能实现生产过程清洁绿色的设备改造。

2）能源利用率高，能充分利用生产物料，并使剩余物料获得再生、重复使用的设备改造。

3）真空度高，能实现金属材料的无氧化，无脱碳，保持工件的尺寸精度和良好表面状态的设备改造。

4）加热和冷却过程均匀，使工件畸变达到最小程度的设备改造或工装改造。

5）批量生产过程高度自动化和质量在线控制的设备改造。

6）工艺过程稳定，炉内温度、气氛均匀，能够保证产品质量的低分散度和高重现度的设备改造。

7）低故障率，能保证在规定大修周期内无故障的设备改造。

8）具有设备故障自诊断和远程服务功能的设备升级。

3 热处理设备节能环保改造技术方法现状

3.1 炉衬改造

热处理一般要经历把工件和炉体由室温状态加热到所需工艺温度的过程，首先要将炉衬加热到内外温度保持到一定的平衡状态，使炉衬的蓄热达到饱和，炉衬的蓄热要耗费大量的热能。周期式炉和连续式炉第一次升温需很长时间，不连续使用的周期炉，每次使用都要从冷态升温，会消耗大量热能。炉衬的蓄热和材料密度成正比，轻质炉衬材料的隔热性能好，传到炉外壳的热量小，故炉壁温度低，由炉壁向外界散失的热也少。一般炉衬和外壳的蓄热能占到炉子所需总热能的20%。

轻质耐火砖、陶瓷纤维及其制成品炉衬密度小，隔热性好，故蓄热小，散热少，因此获得了广泛应用。把重质耐火砖炉衬改为陶瓷纤维的节能效果因各企业炉型和使用条件的不同而各异。装炉量为400kg的密封渗碳炉由轻质耐火砖改为陶瓷纤维可节约13%的燃料，使空炉升温时间缩短1/3，使碳势恢复时间减少到原先的1/4。输送带式淬火加热炉炉衬由重质耐火砖改陶瓷纤维块的实际节约燃料率空炉升温时间减少到原来的1/10，每日可节约50%的燃料[7-8]。生产的加热炉用陶瓷纤维隔热材料，可实现节约能源10%以上和产品轻量化，也可替代原有的石棉隔热材料和耐火砖炉衬。据报道[9]，这种炉衬已经占欧洲加热炉隔热材料市场的50%左右。由于价格偏高，在我国还未达到广泛使用。

3.2 高效节能型热处理工装改造

传统的在料筐中通过格盘将工件分层摆放来增加装炉量的方式。行业中对于气氛炉、真空炉工装设计普遍采用分层平料盘加围板组合的方案。该方案能够满足工件不受挤压磕碰的要求，虽具有一定的通用性，但依旧存在装炉量偏少的缺陷，致使单件产品的热处理成本偏高，降低了产品竞争力。因此，长期以来如何提高气氛炉、真空炉的一次装载量成为热处理技术人员的一个课题。为彻底解决上述问题，将料盘设计成对称分布且四周带有边框的结构，边框上下平面与料盘底面上的支撑座可同时起到支撑作用，盘与盘之间直接码放，或可拆卸结构。选用高Ni、含Ni的优质耐热材料，配以科学的结构设计与良好的铸造工艺，可将气氛炉、真空炉料盘筋架厚度最大限度地做薄，以此减少工装自身所占有的空间。即在同等装炉空间下最大限度地提高装载层数来增加整体装载量，同时也减轻工装的整体重量，降低消耗，进一步达到提效节能的作用[10]。

3.3 热源的选取

电加热的热处理炉，有较高的温度均匀度和精度，但是电能属于二次能源，能源利用率较低。煤气、油以及天然气属于直接利用的能源，采用这些能源加热的热处理炉，能源利用率比电加热炉高，但是其二氧化碳排放量较大。利用太阳能是一种节能的先进技术。通过聚焦、集热器等装置转化光能为密度高达3000W/cm2的能量，用于金属表面淬火、回火、退火等处理，太阳能炉尚在试验中，有待进一步完善，但相信随着科技的发展，终会投入生产，成为节能型绿色热处理用炉[11]。

3.4 热处理余热回收利用

热处理实际生产过程中大量可利用热能直接排空，既浪费能源又污染环境，余热回收就是将这部分浪费的热能回收利用。使用各种燃料的燃料炉的废热利用的潜力很大。从炉中排出的废气温度比炉子指示温度至少要高50℃。最后排出的废气温度越高，炉子的热损失越大。燃烧过程需要大量空气，利用燃料废气热量来预热空气是燃烧炉的最大节能措施[7，12]。

4 展望

绿色化、智能化、柔性化是热处理设备技术改造的核心发展方向。在“十三五”期间，热处理设备技术改造的市场需求与日俱增。企业需要依靠自身的技术优势，不断地对设备进行改造优化，在每一个细节上下功夫，适应市场和客户对产品质量的高标准要求的同时，降低生产能耗和环境污染。