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我國熱處理裝備技術發展若干問題

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  ——學習《美國熱處理技術發展路線圖》后的啟示 摘 要:

  作者學習了《美國熱處理技術發展路線圖》以后,得到了許多重要的啟示,針對我國熱處理裝備技術創新若干問題作了認真的思考和探討。 主要包括熱處理的節能和環保、滴注式氣氛密封箱式多用爐的技術創新等。

  關鍵詞:技術發展;路線圖;熱處理裝備;節能;密封箱式多用爐

  學習了美國《熱處理技術路線發展圖》和樊東黎先生在《金屬熱處理》(北京)和《熱處理》(上海)發表的“美國熱處理技術發展路線圖概況”和“美國熱處理技術發展路線圖在行動”及“我國熱處理行業‘十一五’發展規劃綱要和2020年設想”等文章之后,得到了許多重要的啟示,感觸很深,引發了關于熱處理節能和環保和密封箱式多用爐的技術發展的思考和探討。世界工業發展表明,制造技術的先進性是產品競爭能力的保證,而熱處理技術的先進程度,則是保證機械產品質量的關鍵性因素。美國是世界上頭號工業化大國,其政府和業界對熱處理行業都非常重視,歷經數年才形成并制訂了“美國熱處理技術發展路線圖”,它確是國際熱處理界的一個重大事件。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%,生產成本降低75%,熱處理實現零畸變和最低的質量分散度,加熱爐使用提高到原先的10倍(增加9倍),加熱爐價格降低50%,實現生產零污染。該路線圖的目標明確、眼光遠大、技術先進、內容全面、措施落實、難能可貴,值得學習和借鑒。

  隨著機械產品市場的激烈競爭,熱處理技術發展十分迅速,美國2020年熱處理技術發展路線圖的制定和實施更加速其發展進程。 經濟的全球化,世界制造業正在向中國轉移,各地紛紛打造承接世界制造業的基地。我國的熱處理行業將贏得更大的發展。然而,如今我國機械產品和世界先進水平之間存在的差距達20年,熱處理裝備與技術還十分落后,和美國的水平存在著很大的差距,顯然,我國熱處理技術趕超世界先進水平任重而道遠。因此,應當努力促進我國熱處理行業“十一五”規劃的實現,加速我國熱處理裝備的技術進步。本文擬對以下兩個問題作思考性探討。

  1 熱處理節能和環保

  我國是世界上第二能源消費大國及資源消耗第一大國。目前我國創造的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)過程通常在900~1100℃之間進行(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,所以熱處理過程中的耗能是非常巨大的。 我國熱處理企業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(俗稱老三爐)。設備老化,能耗很高。而高效、優質、低污染、環保型的氣氛爐和真空爐等占不到熱處理設備總數的5%.美國等發達國家對熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化發展,而我國不少企業仍憑借經驗,人工操作。由于歷史的原因,許多企業大而全、小而全,熱處理的社會化、產業化及規模生產尚未形成。因而,生產效率低下,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。 熱處理是制造業的耗能大戶。通常,熱處理用電占企業用電總量的25%~30%,工具、軸承廠等約占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、歐盟等工業發達國家都在400kW.h/t以下,兩者相差十分懸殊。 美國熱處理技術路線發展圖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的頭等大事,而且是今后熱處理發展一貫堅持的重要方向。 熱處理又是制造業的環境污染大戶之一,熱處理對環境的污染十分嚴重。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,全行業每年大約有5000t淬火油由于蒸發或局部燃燒,產生對人體有害的CmHn(碳氫化合物)、CO及煙塵等;大約有近萬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t的有害的廢渣;燃煤加熱爐要排放SO21.5萬t,灰分8.5萬t;噴丸(砂)機要產生SiO2和有害粉塵1萬多t.近年來,由于熱處理廠點的改制,市政動遷,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,污染環境嚴重,所以加強熱處理的節能和環保已是行業中的當務之急,解決問題的途徑主要有:

  (1) 采用高效節能先進的熱處理設備 先進的熱處理設備如多用爐、真空爐、網帶爐、離子氮化爐等,這些設備在保證零件熱處理質量的同時,也取得了節能環保的效果。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、絕熱性好的輕質耐火材料爐襯,如用耐火纖維對爐襯進行節能設計,采用密封爐體結構,防止漏氣和吸入空氣;燃燒過程的優化,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) 采用高效節能的熱處理工藝 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、鍛工序后的余熱進行處理;采用表面或局部熱處理取代整體熱處理;加速化學熱處理過程:提高滲碳溫度、直生式氣氛、金屬表面活化催滲技術、離子轟擊(離子滲C、N)、化學催滲技術(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,用鐵素體狀態下的化學熱處理代替奧氏體狀態下的化學熱處理;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,改善熱傳遞過程,提高生產率;縮短結構鋼的加熱保溫時間;軸承鋼、工具鋼、高速鋼采用高溫短時快速退火;應用計算機模擬技術和計算機動態控制技術,優化熱處理工藝過程,以實現優質、高效、清潔和精確熱處理。 隨著經濟的發展,我們要依靠科技進步、自主創新,不斷研究熱處理的新工藝、新設備,研究開發各種節能、高效、環保型的熱處理設備。如利用高頻和超高頻脈沖及激光熱處理設備,電子束處理,離子轟擊化學熱處理及計算機的應用等都為提高我國熱處理水平開拓了廣闊的技術創新空間。

  現代制造業中,熱處理必須走社會化、專業化之路。要運用材料科學工程,更換傳統材料,采用新鋼種材料。要采用高新工藝技術,不斷研發新型設備。特別要轉變觀念,不斷增強環保與節能意識,通過節能降耗減排,實現零污染,取得與環境友好的效果和低成本的良性循環,實現和諧發展。 2 滴注式氣氛密封箱式多用爐及其機組的技術創新 隨著科學技術的進步,使我國的熱處理生產技術發生了深刻的變化,當前,可控氣氛熱處理是熱處理生產技術發展的重點之一。 在少無氧化熱處理技術的發展趨勢中,首推可控氣氛熱處理,它仍然是先進熱處理技術的主要組成部分。 熱處理現代化的關鍵是少無氧化。采用可控氣氛熱處理,可以實現少、無氧化和無增、脫碳加熱,使工件表面光潔,沒有化學成分變化,同時,可以控制各種化學熱處理工件的表面成分和產品質量。實際上,在少品種、大批量生產中,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的需求量在不斷增加,它的旺熱乃緣于汽車、摩托車、采掘和工程機械、機車車輛以及戰車制造業已經興起的熱處理技術改造高潮。 先進的工藝裝備既是先進的熱處理生產技術的載體,又是優質、高效、節能、低成本和清潔生產的基本條件。依靠科技創新,不斷研發制造高性能、高壽命、優質可靠的高端熱處理設備,不斷滿足市場的需求,使企業本身獲得了可持續發展,這永遠是我們的目標追求。 南京攝山電爐總廠生產密封箱式多用爐已有20多年歷史,通過分析對比、消化吸收國內外新技術新工藝,結合我國國情,自主創新,研發成功了NS88-900系列的滴注式氣氛密封箱式多用爐(簡稱多用爐)和微機控制密封箱式多用爐機組(簡稱多用爐機組),產品榮獲國家優秀新產品獎和優秀機械電子產品稱號,已經進入國際市場。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隔開。 多用爐機組由多用爐、清洗機、回火爐、裝卸料車、移動小車及計算機控制系統所組成。多用爐可以一爐多用,有著廣泛的適應性,可以進行鋼件的滲碳、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的零部件、薄壁工件、實心工件以及表面碳濃度及滲層深度要求精確控制的各類工件。多用爐機組的生產柔性大,可以單列或雙列組合布置,以適應不同工藝和生產能力的需要。 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劣的重要標志。美國2020年的熱處理就有熱處理質量分散度達到零(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、生產節拍的穩定性、加熱和冷卻介質、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、氣氛控制及動作執行等功能。三大系統通過通訊線路及協議軟件構成一個完整的系統,從而實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過程中的許多問題,在本多用爐機組中,全中文界面的計算機控制系統,可以進行工藝程序和工藝參數的優化、工藝的制定、編輯及存儲調用以及過程的模擬和控制;可以對爐子進行監控,實現多用爐的群控,實現人機對話,確保爐子的正常運行;可對各種數據記錄和分析,保證熱處理質量;可以實現多用爐機組的無人自動化操作,并設有故障報警、記錄和故障點指示等。 多用爐機組的溫度控制含有“專家”PID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、清洗液溫度等進行精確的實時控制,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量,如果滲碳溫度±10℃波動,將導致氣氛碳勢±0.07%C波動。溫度波動愈小,碳勢的波動愈小,所以提高溫度控制的精度,可以減小氣氛碳勢的波動,從而保證零件的滲碳質量。氣氛控制,可用紅外儀和氧探頭作為傳感器進行多元控制,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創新,作如下的技術思考和探討:

  (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,成分波動小;⑶爐溫控制精確,爐溫均勻性好;⑷監控系統反映及時而準確。無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氣氛的均勻性,最終決定著工件的熱處理質量。為了保證氣氛的均勻性,爐內必須強制循環。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。圓形爐膛無貯氣死角,提高了爐內氣氛的均勻性,同時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達到相當普遍的程度,尤其是氧探頭碳勢控制儀的問世,使用密封箱式多用爐和密封井式爐進行滲碳已經成為一種趨勢,并取得了明顯的效果。 滲碳時需要精確控制的工藝參數是氣氛碳勢。在滲碳過程中氣氛碳勢過高,滲碳工件表面容易形成網狀碳化物;氣氛碳勢過高,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,滲碳時間延長,也影響工件的滲碳質量;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、露點儀及電阻探頭等,使用較好的是氧探頭和紅外儀,而露點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,單獨使用氧探頭控制,容易產生碳勢失控,此時應采用聯合控制的方法進行氣氛碳勢控制,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行運算,最終得出的碳勢值才真實反映氣氛碳勢,這樣才不會產生氣氛碳勢的失控。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行聯合控制,從單參數控制,發展為氧勢-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,經熱分解產生的載體氣,并可用富化氣(劑)調節氣氛的碳濃度,可以進行中小零件的滲碳、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,工藝操作簡便,在滲碳、碳氮共滲以及奧氏體和鐵素體氮碳共滲等化學熱處理中獲得了較為廣泛的應用。 近年來,在汽車、航空、兵器、模具和基礎件行業技改的拉動之下,其他行業熱處理技術改造和設備更新高潮也會接踵而至。而設備更新是企業技術改造的有效途徑,設備更新的主要出發點應當是節能環保、高效可靠、少無氧化、少無質量分散以及性價比合理。目前,企業技術改造的高度和深度已經開始出現明顯的變化,大多數企業已經不滿足于常規技術和設備的新舊交替,而是傾向于一步一個臺階,邁向更高的境界,優先選購技術水平高、優質可靠及節能環保熱處理設備,以達到高水平的生產目標。 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,因此,它是各類可控氣氛爐中應用最廣、產量最高的爐種。 密封箱式多用爐采用滴注式氣氛熱處理,與帶有氣體發生爐的吸熱式氣氛熱處理相比,由于不需要發生爐,具有節能環保,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點,它是實現優質、高效、節能、低成本和清潔生產的先進熱處理設備,所以是中小型熱處理企業的技術改造與設備更新以及提高產品質量最為適用的爐型和品種。 密封多用爐改進方向之一是進一步促使多用。為了能處理模具和不銹鋼件,許多用戶要求將多用爐工作溫度提高到1050~1100℃。其次,為提高生產效率,也有用戶要求將一次裝爐量提高到1500~2000kg.為了降低熱處理件質量分散度,最好能使爐內有效加熱區的溫度被動保持在±5℃以內。為了降低生產成本,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,把氧探頭的最高工作溫度提高到1100℃,以滿足高溫滲碳、提高滲速的要求


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