熱處理生產(chǎn)的節(jié)能與環(huán)保技術(shù)研究

王 瑾

（陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

0 引 言

我國(guó)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確提出：要落實(shí)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，建設(shè)低投入、高產(chǎn)出，低消耗、少排放，能循環(huán)、可持續(xù)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。節(jié)能減排及環(huán)保是熱處理生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的重要保障，也是熱處理行業(yè)及熱處理工作者追求的奮斗目標(biāo)之一[1]。熱處理生產(chǎn)工藝是通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行加熱、保溫、冷卻、清洗、表面處理后獲得相應(yīng)的組織和性能，以滿足相應(yīng)的工況要求。眾所周知，熱處理生產(chǎn)車間既容易產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣及粉塵等污染物，又是耗電、耗水最多的車間之一，因此，提高熱處理生產(chǎn)中資源及能源的利用效率，節(jié)約能源和資源，降低熱處理生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，減小污染、凈化環(huán)境是熱處理生產(chǎn)中節(jié)能與環(huán)境保護(hù)發(fā)展的方向[2]。當(dāng)前，在科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)下，加強(qiáng)熱處理生產(chǎn)的節(jié)能與環(huán)保措施，對(duì)于實(shí)施熱處理清潔生產(chǎn)，建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 熱處理過(guò)程的耗能與污染問(wèn)題

我國(guó)機(jī)械工業(yè)能耗高、資源消費(fèi)大、污染嚴(yán)重、勞動(dòng)保護(hù)薄弱和環(huán)境治理較差，環(huán)境污染的70%是由工業(yè)生產(chǎn)造成的[4]。機(jī)械工業(yè)不僅是耗能耗材的大戶,而且也是排污的主要行業(yè)之一。機(jī)械工業(yè)中，特別是熱處理生產(chǎn)行業(yè)，粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式尚未根本轉(zhuǎn)變，“高消耗、高排放、低效率”的問(wèn)題仍十分突出[5]。據(jù)估算，熱處理工藝生產(chǎn)中，加熱設(shè)備的平均利用率僅為30%,15萬(wàn)臺(tái)設(shè)備的每年實(shí)際熱處理生產(chǎn)量為1 350萬(wàn)t，消耗電總量約為99億kW·h[6]。尤為嚴(yán)重的是，熱處理生產(chǎn)的污染問(wèn)題仍十分嚴(yán)峻。主要表現(xiàn)在以下方面：

1）廢氣污染。熱處理生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體主要來(lái)自不同的熱處理加熱設(shè)備和清洗設(shè)備[7]。（1）熱處理燃料爐中產(chǎn)生二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等氣體；二氧化硫使人的呼吸器官受損，一氧化碳使人眩暈、昏迷窒息，高濃度的二氧化碳會(huì)使人缺氧窒息；熱處理滲氮爐溢出的氨氣對(duì)人的眼膜、鼻粘膜、口腔、上呼吸道刺激強(qiáng)烈。（2）熱處理鹽浴爐中蒸發(fā)出來(lái)的含氯、含氮的腐蝕性氣體，熱處理鉛浴爐中揮發(fā)出來(lái)的鉛浴蒸汽，以及工件在表面化學(xué)熱處理過(guò)程中溢出的有害氣體。含氯、含氮的腐蝕性氣體不僅給人體帶來(lái)危害，還會(huì)腐蝕熱處理設(shè)備；鉛浴蒸汽使人中毒，危害健康。（3）工件表面除銹、除油、除鹽等過(guò)程中排出的酸、油、鹽等蒸汽，酸、油、鹽等蒸汽不但腐蝕儀器設(shè)備，而且危害人的健康。（4）是化學(xué)熱處理及表面處理中產(chǎn)生的甲醇蒸汽、苯蒸汽等。甲醇蒸汽使人眩暈、惡心、失明，苯蒸汽使人產(chǎn)生眩暈、昏迷、死亡等；熱處理鹽浴爐產(chǎn)生的高溫蒸汽既傷害人體健康，又腐蝕各種電器設(shè)備儀表。（5）熱處理零件在加熱、噴砂、噴丸、清理中產(chǎn)生的粉塵、煙塵污染，粉塵、煙塵對(duì)人體肺臟產(chǎn)生嚴(yán)重傷害，甚至導(dǎo)致肺病，嚴(yán)重影響人的身體健康。

2）廢水污染。熱處理產(chǎn)生的廢水主要來(lái)自熱處理零件的清洗液、工件的表面處理液、加熱零件的淬火冷卻液。熱處理零件的清洗后排放的廢水中含有酸、堿、鹽、油劑等，這些廢水排放不僅會(huì)傷害熱處理生產(chǎn)人員，排入地下后也會(huì)直接或間接地污染居民的飲用水，危害居民生活安全及生命健康。工件的表面處理廢液中含有氰鹽、鉻等重金屬離子，氰鹽毒性大，重金屬離子對(duì)老、幼、病人群傷害嚴(yán)重。加熱零件的廢淬火冷卻液有從鹽浴中帶入BaCl2、工件上脫落的鐵氧化皮、鉻氧化皮、鉻的化合物等有害物質(zhì)。飲用被污染的水后,會(huì)使人發(fā)生全身中毒、產(chǎn)生皮炎等癥狀。

3）電磁輻射污染。熱處理產(chǎn)生電磁輻射污染主要來(lái)自感應(yīng)加熱表面熱處理設(shè)備、高溫加熱工件、高溫?zé)崽幚頎t膛、強(qiáng)大電流饋線的鹽浴爐變壓器等輻射出來(lái)的電磁波。當(dāng)熱處理生產(chǎn)中產(chǎn)生電磁輻射達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，不僅會(huì)影響電子儀表的正常工作，還會(huì)傷害工作人員的身體健康。人體在輻射空間受到高強(qiáng)度的電磁輻射時(shí)，組成細(xì)胞的水分會(huì)升溫、使細(xì)胞病死、壞死；人腦組織中的部分激素產(chǎn)生的速度減慢，損害了人體的生物鐘，影響傳遞神經(jīng)信息激素的正常功能，使人體出現(xiàn)神經(jīng)功能混亂；當(dāng)人體受到超過(guò)一定量的電磁輻射時(shí)，因受損細(xì)胞得不到恢復(fù)，使人體的基因遺傳發(fā)生突變，導(dǎo)致發(fā)生惡性腫瘤、白內(nèi)障及白血病等疾病。在熱處理生產(chǎn)中產(chǎn)生電磁輻射污染，輻射波的強(qiáng)度越大，頻率越短，與輻射源的距離愈近，輻射場(chǎng)所的溫度愈高，對(duì)人體的傷害程度愈大。

4）固體廢物和噪音污染。熱處理生產(chǎn)中的固體廢物和噪音也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。固體廢物主要有從鹽浴爐中撈出來(lái)的廢渣，這些廢渣含有氯化鋇、鋇鹽類亞硝酸鹽、氰化鹽等有害、有毒物質(zhì)，損害人的健康。噪音主要來(lái)自噴砂機(jī)、燃燒器、高速噴嘴、壓縮機(jī)，超聲波清洗設(shè)備。噪音對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心理和精神等方面會(huì)造成一定的損害。

2 預(yù)防為主和樹(shù)立熱處理生產(chǎn)節(jié)能與環(huán)保意識(shí)

1）對(duì)于熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體污染，預(yù)防污染的措施是要合理布局熱處理車間，在進(jìn)行車間設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于可能引起污染的熱處理設(shè)備采取集中布置方法，以便進(jìn)行統(tǒng)一防治污染；車間的位置應(yīng)盡量建筑在下風(fēng)位置；在購(gòu)置和安裝熱處理車間設(shè)備時(shí)，要同環(huán)保設(shè)施配套使用，防止出現(xiàn)先污染，后治理的現(xiàn)象[7]。

2）對(duì)于熱處理生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水污染，應(yīng)以預(yù)防為主。（1）要選用無(wú)毒無(wú)污染的冷卻液或電鍍液，以預(yù)防污染產(chǎn)生，如采用無(wú)氰電鍍、無(wú)氰鈍化等。（2）先凈化，后排放。對(duì)熱處理中產(chǎn)生的有害物質(zhì)應(yīng)在排放前先進(jìn)行凈化處理，加入沉淀劑將可溶性的有毒鋇鹽轉(zhuǎn)變成難溶于水的無(wú)毒硫酸鋇鹽等。（3）加強(qiáng)教育，嚴(yán)格管理，提高環(huán)保意識(shí)，普及預(yù)防熱處理職業(yè)病知識(shí)。讓熱處理工作人員明確污染的來(lái)源及對(duì)人體的危害性，懂得熱處理車間產(chǎn)生的污染是可以預(yù)防的。熱處理生產(chǎn)也要制定安全操作規(guī)程，教育操作人員如何正確使用個(gè)人污染防護(hù)用品，增強(qiáng)自我防范意識(shí)[8]。

3）對(duì)于熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射污染，預(yù)防的方法主要是做好各種電器設(shè)備的靜電屏障，以便將輻射出強(qiáng)大的電磁波導(dǎo)入地下；在熱處理車間的周圍植樹(shù)綠化，將車間輻射出來(lái)的電磁波通過(guò)樹(shù)木導(dǎo)入地下；在條件成熟條件下，讓在電磁輻射環(huán)境下工作的人員穿著防靜電工作服；搞好工作場(chǎng)地、生活場(chǎng)所的環(huán)境衛(wèi)生，保持室內(nèi)的干燥、通風(fēng)。

3 采用先進(jìn)技術(shù)是解決節(jié)能與環(huán)保問(wèn)題的重要途徑

傳統(tǒng)的加熱介質(zhì)多數(shù)是空氣或熔鹽，采用油作冷卻介質(zhì)，這種熱處理方法對(duì)環(huán)境的污染非常嚴(yán)重，必須限制使用并盡早淘汰，取而代之研究推廣清潔節(jié)能精密高效的熱處理技術(shù)，使熱處理生產(chǎn)環(huán)境得到明顯的改善，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的污染防治目標(biāo)。

1）真空熱處理技術(shù)。真空加熱是將工件置于正常大氣壓以下的負(fù)壓空間的加熱方法。真空加熱不僅能防止工件的氧化和脫碳，而且具有脫脂、脫氣、凈化表面和變形小的特點(diǎn)。另外，工件還可以在真空中進(jìn)行低壓滲碳、滲氮等表面處理，且在真空滲碳或碳氮共滲以后進(jìn)行高壓氣淬，不僅能縮短工期，還能獲得優(yōu)良的性能，是理想的清潔熱處理技術(shù)；可以替代可控氣氛熱處理技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于模具、汽車零件等的熱處理[9]。目前國(guó)內(nèi)雖有的幾十家真空熱處理設(shè)備制造廠，但其技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有一定差距，難以滿足生產(chǎn)的需要，而進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴。因此研發(fā)綠色制造生產(chǎn)所需要的高質(zhì)量的熱處理真空設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。

2）離子滲氮和離子滲碳技術(shù)。離子滲氮和離子滲碳是將置于低壓容器內(nèi)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(shí)現(xiàn)所需原子滲入表層的化學(xué)熱處理方法。與常規(guī)的化學(xué)熱處理相比，特點(diǎn)是滲速快、工件變形小、易控制，熱效率高、節(jié)約能源，且無(wú)煙霧、廢氣污染。

3）感應(yīng)加熱熱處理技術(shù)。感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的原理，使工件表面產(chǎn)生渦流而被加熱。其特點(diǎn)是加熱速度快、易控制、工件表面氧化和脫碳少、節(jié)約能源、污染少。

4）激光束、電子束、離子束表面技術(shù)，是利用高能束對(duì)工件的表面快速加熱作用實(shí)現(xiàn)工件表面熱處理，不產(chǎn)生煙塵等污染，屬清潔熱處理技術(shù)。

5）金屬鍍層技術(shù)、刷鍍技術(shù)、熱噴鍍技術(shù)、離子鍍滲技術(shù)是清潔的表面強(qiáng)化技術(shù)。

6）淬火冷卻裝備技術(shù)。以氣淬、水淬、水霧冷卻技術(shù)替代油、聚合物淬火液等淬火。

7）熱處理計(jì)算機(jī)模擬與智能化技術(shù)。采用熱處理計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和虛擬生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)熱處理計(jì)算機(jī)智能化控制加熱及冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變模擬、熱處理工藝整體模型化模擬。熱處理生產(chǎn)中做到有效控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“零”缺陷，保證機(jī)械產(chǎn)品的精密、可靠、節(jié)能、環(huán)保和低成本?？傊?，計(jì)算機(jī)模擬與智能化技術(shù)是我國(guó)發(fā)展清潔節(jié)能精密高效的熱處理不可或缺的技術(shù)。

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