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        我國熱處理裝備技術(shù)發(fā)展若干問(wèn)題

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          ——學(xué)習《美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖》后的啟示 摘 要:

          作者學(xué)習了《美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖》以后,得到了許多重要的啟示,針對我國熱處理裝備技術(shù)創(chuàng )新若干問(wèn)題作了認真的思考和探討。 主要包括熱處理的節能和環(huán)保、滴注式氣氛密封箱式多用爐的技術(shù)創(chuàng )新等。

          關(guān)鍵詞:技術(shù)發(fā)展;路線(xiàn)圖;熱處理裝備;節能;密封箱式多用爐

          學(xué)習了美國《熱處理技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展圖》和樊東黎先生在《金屬熱處理》(北京)和《熱處理》(上海)發(fā)表的“美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖概況”和“美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖在行動(dòng)”及“我國熱處理行業(yè)‘十一五’發(fā)展規劃綱要和2020年設想”等文章之后,得到了許多重要的啟示,感觸很深,引發(fā)了關(guān)于熱處理節能和環(huán)保和密封箱式多用爐的技術(shù)發(fā)展的思考和探討。世界工業(yè)發(fā)展表明,制造技術(shù)的**性是產(chǎn)品競爭能力的保證,而熱處理技術(shù)的**程度,則是保證機械產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。美國是世界上頭號工業(yè)化大國,其政府和業(yè)界對熱處理行業(yè)都非常重視,歷經(jīng)數年才形成并制訂了“美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖”,它確是國際熱處理界的一個(gè)重大事件。美國熱處理2020年設想目標是能源消耗減少80%,工藝周期縮短50%,生產(chǎn)成本降低75%,熱處理實(shí)現零畸變和*低的質(zhì)量分散度,加熱爐使用提高到原先的10倍(增加9倍),加熱爐價(jià)格降低50%,實(shí)現生產(chǎn)零污染。該路線(xiàn)圖的目標明確、眼光遠大、技術(shù)**、內容全面、措施落實(shí)、難能可貴,值得學(xué)習和借鑒。

          隨著(zhù)機械產(chǎn)品市場(chǎng)的激烈競爭,熱處理技術(shù)發(fā)展十分迅速,美國2020年熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖的制定和實(shí)施更加速其發(fā)展進(jìn)程。 經(jīng)濟的全球化,世界制造業(yè)正在向中國轉移,各地紛紛打造承接世界制造業(yè)的基地。我國的熱處理行業(yè)將贏(yíng)得更大的發(fā)展。然而,如今我國機械產(chǎn)品和世界**水平之間存在的差距達20年,熱處理裝備與技術(shù)還十分落后,和美國的水平存在著(zhù)很大的差距,顯然,我國熱處理技術(shù)趕超世界**水平任重而道遠。因此,應當努力促進(jìn)我國熱處理行業(yè)“十一五”規劃的實(shí)現,加速我國熱處理裝備的技術(shù)進(jìn)步。本文擬對以下兩個(gè)問(wèn)題作思考性探討。

          1 熱處理節能和環(huán)保

          我國是世界上第二能源消費大國及資源消耗**大國。目前我國創(chuàng )造的GDP(1美元)所消耗的能源是日本的11.5倍、德國和法國的7.7倍、美國的4.3倍,遠高于印度、巴西等發(fā)展中國家。我國的能源利用率低下,已造成每年1200多億美元的損失。眾所周知,鋼件熱處理的奧氏體化(或固溶處理)過(guò)程通常在900~1100℃之間進(jìn)行(高速鋼淬火加熱需1250~1280℃),鋁合金的固溶化處理在500℃以上的溫度,所以熱處理過(guò)程中的耗能是非常巨大的。 我國熱處理企業(yè)的工藝裝備陳舊落后,眾多的加熱爐系爐齡達三、四十年的箱式、井式、鹽浴爐(俗稱(chēng)老三爐)。設備老化,能耗很高。而**、**、低污染、環(huán)保型的氣氛爐和真空爐等占不到熱處理設備總數的5%.美國等發(fā)達國家對熱處理工藝過(guò)程的控制已向著(zhù)自動(dòng)化、智能化和柔性化發(fā)展,而我國不少企業(yè)仍憑借經(jīng)驗,人工操作。由于歷史的原因,許多企業(yè)大而全、小而全,熱處理的社會(huì )化、產(chǎn)業(yè)化及規模生產(chǎn)尚未形成。因而,生產(chǎn)效率低下,比美國差26倍,設備利用率和負荷率不到30%,而能耗卻比美國高出40%以上。 熱處理是制造業(yè)的耗能大戶(hù)。通常,熱處理用電占企業(yè)用電總量的25%~30%,工具、軸承廠(chǎng)等約占60%左右。

          我國熱處理的單位能耗一般在800kW.h/t以上,而美國、日本、歐盟等工業(yè)發(fā)達國家都在400kW.h/t以下,兩者相差十分懸殊。 美國熱處理技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展圖2020年目標之一是能耗要降低80%.我國的能源資源有限,節能降耗應當成為熱處理行業(yè)的頭等大事,而且是今后熱處理發(fā)展一貫堅持的重要方向。 熱處理又是制造業(yè)的環(huán)境污染大戶(hù)之一,熱處理對環(huán)境的污染十分嚴重。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。據不完全統計,全行業(yè)每年大約有5000t淬火油由于蒸發(fā)或局部燃燒,產(chǎn)生對人體有害的CmHn(碳氫化合物)、CO及煙塵等;大約有近萬(wàn)t的廢淬火油因排放不當而污染江湖河海;每年鹽浴爐要生成鹽蒸氣7000多t和近萬(wàn)t的有害的廢渣;燃煤加熱爐要排放SO21.5萬(wàn)t,灰分8.5萬(wàn)t;噴丸(砂)機要產(chǎn)生SiO2和有害粉塵1萬(wàn)多t.近年來(lái),由于熱處理廠(chǎng)點(diǎn)的改制,市政動(dòng)遷,污染正逐步從中心城區向郊區農村蔓延。

          我國熱處理的能耗很高,污染環(huán)境嚴重,所以加強熱處理的節能和環(huán)保已是行業(yè)中的當務(wù)之急,解決問(wèn)題的途徑主要有:

          (1) 采用**節能**的熱處理設備 **的熱處理設備如多用爐、真空爐、網(wǎng)帶爐、離子氮化爐等,這些設備在保證零件熱處理質(zhì)量的同時(shí),也取得了節能環(huán)保的效果。對熱處理爐,可以采取的措施主要有:合理選擇能源,合理選擇爐型,連續式爐比周期式爐好,圓型爐膛比方型爐膛好;充分利用余熱(如鐘罩式爐的一爐罩多爐臺就是一種充分利用爐罩余熱的節能爐型);優(yōu)化爐體結構設計,減少熱損失,提高熱效率;盡可能采用蓄熱少、絕熱性好的輕質(zhì)耐火材料爐襯,如用耐火纖維對爐襯進(jìn)行節能設計,采用密封爐體結構,防止漏氣和吸入空氣;燃燒過(guò)程的優(yōu)化,合理選擇和控制燃燒系數;采用紅外輻射涂料涂層,用于輕質(zhì)磚和纖維的復合爐襯可節能50%左右,用于燃料爐可節能10%~30%,升溫時(shí)間減少20%~40%;減少熱處理工卡具所造成的熱量損失等。

          (2) 采用**節能的熱處理工藝 可以采取的措施主要有:嚴格控制鑄鍛成形工藝改善顯微組織,減少或取消某些預備熱處理;充分利用鑄、鍛工序后的余熱進(jìn)行處理;采用表面或局部熱處理取代整體熱處理;加速化學(xué)熱處理過(guò)程:提高滲碳溫度、直生式氣氛、金屬表面活化催滲技術(shù)、離子轟擊(離子滲C、N)、化學(xué)催滲技術(shù)(稀土催滲法);合理規定表面有效硬化層深度;用碳氮共滲代替滲碳,用鐵素體狀態(tài)下的化學(xué)熱處理代替奧氏體狀態(tài)下的化學(xué)熱處理;亞共析鋼的兩相區加熱淬火;在罩式退火爐中采用H2代替氨分解氣氛,改善熱傳遞過(guò)程,提高生產(chǎn)率;縮短結構鋼的加熱保溫時(shí)間;軸承鋼、工具鋼、高速鋼采用高溫短時(shí)快速退火;應用計算機模擬技術(shù)和計算機動(dòng)態(tài)控制技術(shù),優(yōu)化熱處理工藝過(guò)程,以實(shí)現**、**、清潔和精確熱處理。 隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展,我們要依靠科技進(jìn)步、自主創(chuàng )新,不斷研究熱處理的新工藝、新設備,研究開(kāi)發(fā)各種節能、**、環(huán)保型的熱處理設備。如利用高頻和超高頻脈沖及激光熱處理設備,電子束處理,離子轟擊化學(xué)熱處理及計算機的應用等都為提高我國熱處理水平開(kāi)拓了廣闊的技術(shù)創(chuàng )新空間。

          現代制造業(yè)中,熱處理必須走社會(huì )化、**化之路。要運用材料科學(xué)工程,更換傳統材料,采用新鋼種材料。要采用**工藝技術(shù),不斷研發(fā)新型設備。特別要轉變觀(guān)念,不斷增強環(huán)保與節能意識,通過(guò)節能降耗減排,實(shí)現零污染,取得與環(huán)境友好的效果和低成本的良性循環(huán),實(shí)現和諧發(fā)展。 2 滴注式氣氛密封箱式多用爐及其機組的技術(shù)創(chuàng )新 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,使我國的熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化,當前,可控氣氛熱處理是熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的**之一。 在少無(wú)氧化熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢中,**可控氣氛熱處理,它仍然是**熱處理技術(shù)的主要組成部分。 熱處理現代化的關(guān)鍵是少無(wú)氧化。采用可控氣氛熱處理,可以實(shí)現少、無(wú)氧化和無(wú)增、脫碳加熱,使工件表面光潔,沒(méi)有化學(xué)成分變化,同時(shí),可以控制各種化學(xué)熱處理工件的表面成分和產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)際上,在少品種、大批量生產(chǎn)中,尤其是碳素鋼和一般合金結構鋼件的光亮淬火、退火、滲碳、碳氮共滲及氮碳共滲等仍然以應用可控氣氛為主要手段。 在各種熱處理爐中,密封箱式多用爐的市場(chǎng)的需求量在不斷增加,它的旺熱乃緣于汽車(chē)、摩托車(chē)、采掘和工程機械、機車(chē)車(chē)輛以及戰車(chē)制造業(yè)已經(jīng)興起的熱處理技術(shù)改造高潮。 **的工藝裝備既是**的熱處理生產(chǎn)技術(shù)的載體,又是**、**、節能、低成本和清潔生產(chǎn)的基本條件。依靠科技創(chuàng )新,不斷研發(fā)制造高性能、高壽命、**可靠的高端熱處理設備,不斷滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求,使企業(yè)本身獲得了可持續發(fā)展,這永遠是我們的目標追求。 南京攝山電爐總廠(chǎng)生產(chǎn)密封箱式多用爐已有20多年歷史,通過(guò)分析對比、消化吸收國內外新技術(shù)新工藝,結合我國國情,自主創(chuàng )新,研發(fā)成功了NS88-900系列的滴注式氣氛密封箱式多用爐(簡(jiǎn)稱(chēng)多用爐)和微機控制密封箱式多用爐機組(簡(jiǎn)稱(chēng)多用爐機組),產(chǎn)品榮獲國家**新產(chǎn)品獎和**機械電子產(chǎn)品稱(chēng)號,已經(jīng)進(jìn)入國際市場(chǎng)。多用爐是本機組的主要設備,可以單獨使用。它由加熱室、前室、淬火槽及推拉料機構等所組成。前室既是裝料的過(guò)道,又是工件的淬火室,其下方是淬火槽。前室和加熱室之間由密封良好的閘門(mén)隔開(kāi)。 多用爐機組由多用爐、清洗機、回火爐、裝卸料車(chē)、移動(dòng)小車(chē)及計算機控制系統所組成。多用爐可以一爐多用,有著(zhù)廣泛的適應性,可以進(jìn)行鋼件的滲碳、碳氮共滲及光亮淬火等熱處理,多用爐機組尤其適用于大批量生產(chǎn)的零部件、薄壁工件、實(shí)心工件以及表面碳濃度及滲層深度要求精確控制的各類(lèi)工件。多用爐機組的生產(chǎn)柔性大,可以單列或雙列組合布置,以適應不同工藝和生產(chǎn)能力的需要。 對于同一爐次、爐膛內不同位置放置的工件及不同爐次處理的工件的質(zhì)量(包括硬度、畸變、滲層、淬硬層等)的分散度也是一臺熱處理設備優(yōu)劣的重要標志。美國2020年的熱處理就有熱處理質(zhì)量分散度達到零(非常小)的目標。為此,就要求對熱處理爐的測量控制精確度,有效加熱區溫度均勻度、生產(chǎn)節拍的穩定性、加熱和冷卻介質(zhì)、爐氣碳勢、鋼件碳濃度梯度等施行嚴格的限定、精確的計算機模擬和適時(shí)的自適應控制。 多用爐機組的微機控制系統由管理微機、控制微機及程控執行系統所組成,分別完成參數管理、氣氛控制及動(dòng)作執行等功能。三大系統通過(guò)通訊線(xiàn)路及協(xié)議軟件構成一個(gè)完整的系統,從而實(shí)現多用爐機組的智能化控制。 眾所周知,計算機能夠解決熱處理生產(chǎn)過(guò)程中的許多問(wèn)題,在本多用爐機組中,全中文界面的計算機控制系統,可以進(jìn)行工藝程序和工藝參數的優(yōu)化、工藝的制定、編輯及存儲調用以及過(guò)程的模擬和控制;可以對爐子進(jìn)行監控,實(shí)現多用爐的群控,實(shí)現人機對話(huà),確保爐子的正常運行;可對各種數據記錄和分析,保證熱處理質(zhì)量;可以實(shí)現多用爐機組的無(wú)人自動(dòng)化操作,并設有故障報警、記錄和故障點(diǎn)指示等。 多用爐機組的溫度控制含有“**”P(pán)ID調節,采用調功控制模式,可對加熱爐溫度、淬火油溫度、回火爐溫度、清洗液溫度等進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)控制,其中以加熱爐溫度控制尤為重要。加熱爐溫度的控制要求精確,控制點(diǎn)能夠代表工件加熱的溫度。溫度控制的準確性直接影響到工件滲碳的質(zhì)量,如果滲碳溫度±10℃波動(dòng),將導致氣氛碳勢±0.07%C波動(dòng)。溫度波動(dòng)愈小,碳勢的波動(dòng)愈小,所以提高溫度控制的精度,可以減小氣氛碳勢的波動(dòng),從而保證零件的滲碳質(zhì)量。氣氛控制,可用紅外儀和氧探頭作為傳感器進(jìn)行多元控制,對氣氛碳勢、滲碳層深度做到精確控制。 對多用爐及其機組的技術(shù)創(chuàng )新,作如下的技術(shù)思考和探討:

          (1) 爐子的密封性和氣氛均勻性 一臺高水平、高質(zhì)量的多用爐應當具備:⑴密封性能良好;⑵氣氛穩定,成分波動(dòng)小;⑶爐溫控制精確,爐溫均勻性好;⑷監控系統反映及時(shí)而準確。無(wú)論是滲碳淬火還是光亮淬火,多用爐的密封性和氣氛的均勻性都是非常重要的性能。只有均勻而良好的氣氛才能保證工件表面滲層的均勻性、成分的一致性。爐子的密封性影響著(zhù)氣氛的均勻性,*終決定著(zhù)工件的熱處理質(zhì)量。為了保證氣氛的均勻性,爐內必須強制循環(huán)。我們將多用爐的爐膛把方形結構改成圓形結構,圓形爐膛的爐壁表面積同比方形爐膛小14%~19%,成形焊縫減少60%,可減少因焊接不良或膨脹不一的漏氣隱患。圓形爐膛無(wú)貯氣死角,提高了爐內氣氛的均勻性,同時(shí)也提高了熱能的利用率,節省了電耗。

          (2) 氣氛碳勢控制 前些年,使用滴注式氣氛滲碳在國內已經(jīng)達到相當普遍的程度,尤其是氧探頭碳勢控制儀的問(wèn)世,使用密封箱式多用爐和密封井式爐進(jìn)行滲碳已經(jīng)成為一種趨勢,并取得了明顯的效果。 滲碳時(shí)需要精確控制的工藝參數是氣氛碳勢。在滲碳過(guò)程中氣氛碳勢過(guò)高,滲碳工件表面容易形成網(wǎng)狀碳化物;氣氛碳勢過(guò)高,表面碳濃度梯度太陡,滲碳層表面容易疲勞剝落,都將降低零件的使用壽命。氣氛碳勢太低,滲速降低,滲碳時(shí)間延長(cháng),也影響工件的滲碳質(zhì)量;在加熱淬火,氣氛碳勢高于工件表面的含碳量,工件表面將增碳,反之工件表面將脫碳,改變了工件表面的性能。要保持工件在加熱過(guò)程不增碳、不脫碳,氣氛的控制必須準確而精確。 多用爐滲碳氣氛控制,可使用氧探頭、紅外儀、露點(diǎn)儀及電阻探頭等,使用較好的是氧探頭和紅外儀,而露點(diǎn)儀和電阻探頭則使用較少。 氧探頭系把所測得氣氛的氧勢值送到碳勢控制儀,根據爐溫和氧勢值計算出氣氛碳勢值,將工藝設定碳勢值與所測得碳勢值進(jìn)行比較,輸出信號調整氣氛碳勢。 在滴注式氣氛或直生式氣氛滲碳,當滲碳氣氛中甲烷含量較高時(shí),單獨使用氧探頭控制,容易產(chǎn)生碳勢失控,此時(shí)應采用聯(lián)合控制的方法進(jìn)行氣氛碳勢控制,即使用氧探頭測得氧勢,紅外儀測得CO2%值并和爐膛溫度一起傳送給碳勢控制儀進(jìn)行運算,*終得出的碳勢值才真實(shí)反映氣氛碳勢,這樣才不會(huì )產(chǎn)生氣氛碳勢的失控。所以密封箱式多用爐的氣氛碳勢控制,選用氧探頭和紅外儀進(jìn)行聯(lián)合控制,從單參數控制,發(fā)展為氧勢-CO2-溫度三參數控制,從而保證控制的準確性和精確性。

          (3) 關(guān)于滴注式氣氛和密封箱式多用爐 眾所周知,滴注式氣氛是將滴注劑直接滴入爐內,經(jīng)熱分解產(chǎn)生的載體氣,并可用富化氣(劑)調節氣氛的碳濃度,可以進(jìn)行中小零件的滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、球化退火及復碳等熱處理工藝。 以甲醇基為主的滴注式氣氛,因氣氛碳勢可控,滲速比較高,工藝操作簡(jiǎn)便,在滲碳、碳氮共滲以及奧氏體和鐵素體氮碳共滲等化學(xué)熱處理中獲得了較為廣泛的應用。 近年來(lái),在汽車(chē)、航空、兵器、模具和基礎件行業(yè)技改的拉動(dòng)之下,其他行業(yè)熱處理技術(shù)改造和設備更新高潮也會(huì )接踵而至。而設備更新是企業(yè)技術(shù)改造的有效途徑,設備更新的主要出發(fā)點(diǎn)應當是節能環(huán)保、**可靠、少無(wú)氧化、少無(wú)質(zhì)量分散以及性?xún)r(jià)比合理。目前,企業(yè)技術(shù)改造的高度和深度已經(jīng)開(kāi)始出現明顯的變化,大多數企業(yè)已經(jīng)不滿(mǎn)足于常規技術(shù)和設備的新舊交替,而是傾向于一步一個(gè)臺階,邁向更高的境界,優(yōu)先選購技術(shù)水平高、**可靠及節能環(huán)保熱處理設備,以達到高水平的生產(chǎn)目標。 由于密封箱式多用爐有很大的工藝靈活性,其爐溫、程序和氣氛的控制精度高,能適應各種零件的批量生產(chǎn),因此,它是各類(lèi)可控氣氛爐中應用*廣、產(chǎn)量*高的爐種。 密封箱式多用爐采用滴注式氣氛熱處理,與帶有氣體發(fā)生爐的吸熱式氣氛熱處理相比,由于不需要發(fā)生爐,具有節能環(huán)保,設備投資及使用費用比較低,上馬快,操作、維護及原料供應方便等優(yōu)點(diǎn),它是實(shí)現**、**、節能、低成本和清潔生產(chǎn)的**熱處理設備,所以是中小型熱處理企業(yè)的技術(shù)改造與設備更新以及提高產(chǎn)品質(zhì)量*為適用的爐型和品種。 密封多用爐改進(jìn)方向之一是進(jìn)一步促使多用。為了能處理模具和不銹鋼件,許多用戶(hù)要求將多用爐工作溫度提高到1050~1100℃。其次,為提高生產(chǎn)效率,也有用戶(hù)要求將一次裝爐量提高到1500~2000kg.為了降低熱處理件質(zhì)量分散度,*好能使爐內有效加熱區的溫度被動(dòng)保持在±5℃以?xún)?。為了降低生產(chǎn)成本,應將滲碳用載氣從完全用甲醇裂解氣改為氮基氣氛或甲烷(燃氣)制備的吸熱式氣,把氧探頭的*高工作溫度提高到1100℃,以滿(mǎn)足高溫滲碳、提高滲速的要求


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