热处理节能与环保技术进展
一 引言
对金属材料，特别是钢铁材料，材料冶炼、铸造、锻轧成型等赋予材料以形体，而热处理则赋予材料以灵魂。热处理是材料性能的保证。
热处理工艺技术有相当长的历史，可以追溯的远古时期。但真正促使热处理理论和应用快速发展是近代机械工业的发展。随着现代机械工业的发展，对各类零部件性能要求的提高，如何挖掘材料的性能潜力、提高材料的性能水平和使用寿命，给热处理提出更高的要求，促使热处理理论、技术、装备的发展。
我国的经济多年保持快速增长，机械工业也呈现快速增长趋势。我国已成为钢铁生产的大国，预计今年钢产量达到5亿吨以上，机械装备制造也已成为世界大国。但由于机械工业主要集中近年来的快速发展，仍处于粗犷式经营发展阶段，在基础研究、技术等方面上，与国际先进水平仍有一定的差距。特别是在冶金、铸造、成型、热处理等方面能耗大、污染严重等问题仍十分突出，节能、减排压力十分巨大。
热处理行业的发展依赖于机械工业的发展，机械工业的快速发展给热处理行业的发展带来了机遇和挑战。
二 机械工业发展与热处理所面临的机遇和挑战
1、机械工业的发展状况
（1） 机械工业在我国国民经济的支柱产业的地位进一步巩固
机械工业对我国国民经济的发展和国防力量的增长起着重要作用，占有重要地位。2006年，机械工业总产值突破5万亿元大关，达到54717.77亿元，同比增长30.06％；工业增加值达14370.83亿元，同比增长32.12％。全行业连续4年以20％以上的增幅快速平稳发展。2006年，中国机械工业实现利润总额达2966亿元，创历史新高，比上年增长36％。2006年我国机械工业比上年净增利润785亿元，对全国工业同期新增利润的贡献率达17.69％，居工业各行业第一位。机械工业在我国国民经济的支柱产业的地位进一步巩固。
（2）机械产品的技术水平和国际竞争力显着提高
机械工业技术水平显着提高，新产品比例升高。2006年中国机械工业新产品产值为10427.36亿元，比上年增长35.85％。新产品对同期新增工业总值的贡献率达到了25.14％。主要新产品有发电设备、大型冶金设备、机械加工设备、汽车等先进产品。
出口比例显着提高，到2006年，出口总额首次超过进口。标志着机械产品的国际竞争了显着提高。
（3） 机械工业污染防治面临的形势十分严峻
在整个机械工业稳步、快速发展与增长的同时，我们也必须认识到：机械制造过程，特别是热加工过程，总体来说是资源消费密集型行业，从整体上看，粗放型的经济增长方式尚未根本转变，能耗高、资源消费大、污染环境严重、劳动保护薄弱和环境治理差，我国环境污染的70%是由工业生产造成的，而工业污染物中的大部分是由各种工艺装备或各类机电产品在生产运行中产生的。我国机械工业“高消耗、高排放、低效率”的问题仍十分突出。
2、热处理行业的机遇和挑战
机遇：
（1）机械工业的发展给热处理的发展带来了可能。
随钢铁产量的提高以及各类金属材料应用量的不断增加，热处理产业的总生产量和总产值显着提高。每年钢材热处理的总重量（包括同一种材料施行多种热处理工艺的热处理重量的叠加）约为全国钢材总产量的30%，年实际热处理生产量超过1.5亿吨。给热处理行业的扩大再生产提供了良好的平台。
（2）大型、高技术产品比例的提高，对材料的性能水平要求显着提高，对热处理技术要求显着提高，促进了热处理行业的技术进步。
（3） 机械新产品，对零部件性能有新的技术要求，促进了热处理行业新技术的发展和应用。
热处理污染对热处理工业的挑战
挑战：从简单的几个数字的描述就可以看出
在主流技术不断发展和进步的同时，由热处理带来的环境污染问题愈加显现出来据不完全统计我国热处理业约有5000吨/年淬火油因蒸发或局部燃烧造成CH化合物、CO及烟尘；有约9000吨/年，废淬火油因排放不当而污染水质；盐浴炉生成盐蒸气7000吨/年以上；有害废渣约10000tPa；燃煤炉窑排放SO2约115万吨/年，灰分约815万吨/年；喷砂处理中产生SiO2等有害粉尘10000吨/年，严重污染了环境。
随国家对节能、减排的重视，节能与环境污染成为制约热处理行业发展的关键。节能、减排是保证热处理行业，乃至机械工业可持续发展的关键环节。
三、热处理生产的现状及其污染类型
1、热处理生产现状
目前，全国各类热处理专业厂、热处理设备制造厂、热处理工艺材料生产厂以及主机厂的热处理分厂、车间约近15000家。
其中全民所有制企业约占80%，约12000家，民营和股份制企业占20%，约3000家。全国员工总数约37万人。全国热处理加热设备（以75kW为一标准台）约15万台，装机容量1100万kW。每台设备平均生产率100kg/h，15万台加热设备的年生产能力近4500万吨。
以热处理加热设备的平均利用率为30%计算，15万台设备的每年实际热处理生产量为1350万吨，消耗电总量为99亿度。在2003年的全国调查中，热处理加工的平均价格为2.30元/kg。按全年实际产量1.3亿吨计，全国热处理年营业额约310亿元。若以平均利润率10%计，年创利润总计30亿元。热处理行业增值税率平均达12.5%，每年向国家纳税约39亿元（按物价增长比例，现在的利润、和税收应远大于这个数值）。
2 主要污染物类型及来源
热处理过程污染主要表现在空气、水、噪声和电磁污染。
噪声污染 主要来自设备的运行，如各类泵、风机、喷砂清洗等。采用一些低噪音设备及隔音防护
电磁污染 主要来自感应加热设备的运行，可以采用电磁屏蔽降低对人员和环境的污染。
以上两种污染对环境和人员污染比较小，容易治理。我们重点分析对空气和水的污染，这也是节能、减排工作控制的重点内容。
对空气的污染物有：燃料燃烧产生的烟尘、CO2、CO、SO2、NO2及保温材料挥发所产生的粉尘等，特别是煤、重油等一次能源燃烧过程；淬火介质挥发所产生的CmHn、CO和烟尘等；盐浴热处理过程盐蒸发所产生的NaCl、BaCl2、NaCN、KCN等；气体表面渗碳、渗氮等过程所产生的CO2、CO、NH3、HCN等；喷砂、清洗过程中清洗液的挥发及喷砂形成的粉尘等。
对水的污染有：淬火废油中金属氧化物以及工件淬火时从盐中带出的BaCl2、HCN等；水基淬火介质中有机物；清洗液中化学物；盐渣和废盐中NaCl、BaCl2、CN-1等；发黑、发蓝或磷化的废液体等。
综合上述污染物的来源，包含热处理加热、淬火冷却、表面处理、工件的清洗等各个过程，因此，热处理节能减排的压力仍十分巨大。
四、国内外热处理节能和环保现状的比较
热处理作为特殊工序，所赋予产品的质量特性常常是不直观的内在质量（如材料的强度、韧度、耐磨性和疲劳寿命等），质量问题一般在产品使用过程中才能暴露出来。在我国经济快速发展的今天，并没有得到各级政府和企业领导者的重视，在技术改造及基础研究方面投入明显不足，导致目前国内专门从事热处理基础、工艺、技术、装备等方面研究的人员相对较少，致使在热处理整体水平上，尤其是在节能和环保方面，与国外先进水平仍存在相当大的差距。主要表现在政策法律方面；科技政策方面；生产规模及专业化方面；热处理工艺装备方面；人员素质和管理水平方面等。以下将详细分析：
1、政策法律保障方面
表5给出各国在热处理行业环境保护方面的立法情况，可见我国在环境保护方面的立法远落后于发达国家。由立法到执法的规范化尚需要一定的时间，我国在法律保证方面与国际水平尚有相当大的差距，导致了国外一些重污染工艺转到国内生产。近年来，随节能、减排执法力度的增强，该方面的情况有所缓解，这充分说明法律保障在环保方面的重要性。
2、科技政策及科研组织
美国在科技上具有世界最高的水平，但仍十分重视热处理的节能、环保及对工业发展的作用。在1996-1997年由美国美国能源部、热处理学会和金属热处理协会组织了提出了热处理技术发展路线图初稿，其中涉及到设备、筑炉材料，工艺与被处理材料，能源与环境，公益等四个方面的70余项重点研发项目。到2004年公布了“美国2004年热处理技术路线图（Heat Treating Technology Roadmap-2004HTS Revision）修订稿。该技术计划可以说代表了热处理技术的发展方向。该计划的最突出的是：目标明确、组织机构完整、科研经费保障。
目标：能源消耗减少80%，工艺周期缩短50%，生产成本降低75%，热处理畸变超差为0，热处理件质量分散度为0，热处理炉子寿命提高10倍，热处理价格降低50%，热处理生产对环境的影响是0。
组织机构：成立热处理技术研发中心和鼓励和组织全行业企业参与研发两项措施，建立“热处理高新技术中心”和“热加工技术中心”。
研究资金：热处理高新技术中心由国家能源部和其他方面提供研究资金。主要研究如何降低能耗，减少污染，减少废品和返修品，控制生产成本以及全面促进热处理行业繁荣。
我国也有类似的热处理技术发展规划，如热处理行业的“九五”、“十五”和“十一五”及其远景规划设想。提出了热处理发展目标和技术发展方向。但与先进国家相比，并没有建立专门的研究机构来对计划所提出的目标进行有计划的研究、组织和具体实施。另外，也没有提供有效的资金渠道来保证一定的科研机构、企业、研究人员进行长期有些的研究。
如果在科研机构和研究资金方面不能有效地保证，热处理技术发展规划将只能成为一种设想，热处理技术将一直处于落后于发达国家的境地。
3、生产专业化及规模化
由于历史原因，我国的热处理厂都属于大而全、小而全、不协作、封闭型企业。必然导致任务量不足、生产效率低下、设备的利用率极低造成能耗、物耗、污染增大。
与美国相比，我国的专业化热处理厂只有美国的2.86%，生产效率仅为美国的3.75%，设备利用率仅为30%，电耗却比美国高40%。上世纪80年代，国内开始注重生产规模化和专业化调整，取得了一定对效果。说明具有战略性调整、组建专业化的生产厂，可以实现能耗、物耗、污染显着下降，为节能减排、实现可持续发展作出贡献，获得明显的经济、环保及社会效益。
4、热处理工艺装备
我国热处理装备相对落后，热处理行业是近些年随机械工业的发展取得了较快速的发展，但热处理设备更新落后于行业的发展。在热处理设备制造方面，大量的先进热处理装备仍需进口，特别是先进的传感器方面，其技术水平仍相对落后。先进节能保温材料应用普及率还相对较低，热处理辅助材料发展较慢。近些年来，引进了国外一些先进热处理装备生产技术，但国内在热处理设备设计、装备模块化方面尚未掌握核心技术。
5、企业的人员素质、管理水平和质量保证仍有待提高
热处理作为特殊的工艺环节，其作用的表现可能在使用过程中才能得到良好的体现，因此，没有得到一般企业管理者的重视，在技术改造和更新方面并没有得到应有的重视，这是影响热处理技术进步的一个重要原因。
另外，由于国内高等教育模式的调整，采用宽口径培养方式，热处理专业在国内几乎不存在了，而国内企业尚没有形成大学职业教育的体系，导致热处理技术人员和技工的急剧减少，使从事热处理人员素质较低。
另一方面，国内科技政策对传统产业重视和支持不足，科研人员很难在这些方面争取的研究资金，而各大学和研究机构对研究人员的考核主要的科研经费、论文等，使从事热处理研究的人员在资金得不到保证和论文水平发表的刊物（SCI收录及影响因子）的影响下，不得不转行，从事大材料学的研究。科研力量明显不足。目前国内的大学中，只有上海交大潘健生院士所领导的课题组等少数课题组仍完全从事热处理方面的研究，其它大学中，几乎没有多少研究人员专门从事热处理方面的研究。
这些方面，导致了国内热处理行业的现实局面，成为制约热处理行业乃至机械工业发展的瓶颈。
五、对策与建议
1、加速中国热处理路线图的制定及组织实施
借鉴美国热处理路线图计划的先进经验，结合我国热处理现状和发展趋势，制定我国热处理发展规划。
规划的建立不是最终任务，关键是如何实现！
1、建立热处理行业自主创新体系，提出热处理行业创新实施计划与工作目标。
2、整合现有的行业研发力量，建立以产、学、研联合的研发机构，其目的是根据发展规划，提出具体的基础研究和应用研究课题，尽快开展工作，能够将研究成果快速应用。
3、建立国家、企业科研资金的资助渠道，保证研究机构的正常运行，鼓励更多高级研究人员从事热处理技术的研究。
2、加速清洁、节能、精密、高效的热处理新技术推广应用及装备的研发
表6给出了主要热处理过程对环境的污染情况及改善方式。
在热处理加热过程：燃料燃烧、盐的挥发对空气的污染；废盐对水的污染；
在淬火过程：油及淬火介质的挥发对空气的污染，油及介质对水的污染；
表面处理方面：渗碳、渗氮对空气的污染，液体及化学表面处理挥发及废液对空气和水的污染；
零件清洗方面：工件表面氧化、喷砂、喷丸粉尘对空气的污染，氧化物、淬火液、清洗液对水的污染。
因此，节能减排应对应不同的工艺状况，开发处理设备和无（或低）污染的热处理工艺技术。
在加热冷却方面：
（1） 真空热处理和高压气淬技术 真空热处理是减少氧化、有利于实现高压气淬技术的有些手段，有污染少，工件变形小等特点，是实现光亮热处理的有些手段。
（2） 以天然气为主要燃料炉代替煤、油的燃料燃料炉。鼓励一次能源采用少污染的天然气，或使用二次能源，电、煤气等，严格限制使用煤、油等一次能源。关键开发天然气、煤气等燃烧控温技术。
（3） 发展高热效率的流态粒子炉、开发低污染盐，代替传统盐浴热处理技术。
（4） 开发和推广新型保温材料，提高热处理的热效率。
在表面处理技术方面：
（1） 加速催渗等快速气体渗镀技术的发展和应用 快速渗碳的工艺，可以显着提高渗速和渗层的性能，如哈尔滨工业大学闫牧夫等研究的稀土催渗工艺，能在渗速和渗层质量的提高上，均有明显的提高。本课题组也曾在滚珠渗碳工艺上的研究表明，稀土催渗能降低渗碳时间，渗层的韧性得到明显改善，对滚珠渗碳效率提供到达20%以上。
（2） 开展低压及离子离子渗碳、渗氮技术及的研究和应用
低压化学热处理时借助低真空变压，渗剂可定向流动的特点，在迅速排除工件周围的老化气氛后，新鲜渗剂立即迅速扩散到炉膛各处，工件上的小孔、盲孔、孔壁及压紧面均可得到满意的渗层从而实现工件密装生产。另外，低压化学热处理可结合高压气淬技术，减少污染。
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，而且无烟雾、废气污染。
（3） 推广激光束、电子束、离子束表面改性技术 该类技术是利用高能量光或电子、粒子加热技术，无污染物产生，对环境污染少。
（4） 将最新的研究成果，如离子镀、气相沉积、热喷涂等先进表面技术等，应用于材料的表面热处理
（5） 开展复合感应加热技术的应用
（6） 开发无（少）污染的表面化学处理技术
在淬火冷却技术方面：
开发智能淬火冷却装备技术-以气淬、水淬、水雾冷却技术替代油、聚合物淬火液等淬火。在该方面研究上，上海交通大学潘健生院士、陈乃录教授等开发的淬火冷却系统启动良好的示范作用。采用水-空冷却方式，是截面厚度600~900mm的塑料模具钢锻件的截面硬度差小于3-5HRC。
在表面清洗方面：
开发新的清洗液和清洗技术 减少清洗液和喷砂粉尘的污染。
3、加速热处理生产的规模化
规模出效益，要彻底解决材料成形加工企业的污染、耗源问题，就应该转换厂家各自为战的观念和局面，变为区域内集中处理，逐步实现行业的社会化、专业化分工合作。铸造、热处理、电镀行业都有同类性质问题。建议在有条件地区建立铸造、热处理、电镀工业区。通过合理规划、合理选址，将厂点（特殊产品的配套加工除外）集中在工业区生产，集中管理、集中治污，从根本上解决和实现节能减排的大目标。
4、加速少热处理钢种的开发
热处理过程总是一个耗能、污染的过程。减少热处理工艺能够从根本上解决减少能耗和污染，这要求材料本身具有一定的特性。微合金化技术给这方面带来可能，以微合金化技术基础上开发的非调质钢可在热加工后的控冷保证材料的性能，加快非调质钢类新型材料的开发，对热处理过程的节能减排具有重要的意义。关键是材料的开发和控制冷却技术和装备的开发。
另外，材料的成型是零部件不可缺少的方面。有效合理的利用成型热加工的余热进行热处理，即将热加工和热处理工艺结合起来，不仅能够有些减少热处理加热过程的能耗和污染，又可利用热变形过程对材料相变的影响，有效提高材料的性能。在该方面雷廷权院士早期开展深入的研究工作。目前在低碳微合金钢的控轧控冷方面，取得巨大的应用。
5、加强法律法规建设及执法力度
加大《环保法》、《清洁生产促进法》等法律、法规的宣传和执法力度，理顺管理体制，加强污染防治工作的全面和全过程的管理；完善法律、法规和行业标准，并加强宣传和执法力度；将污染防治工作纳入地方各级政府部门工作考核的重点；充分发挥协会、学会的桥梁和扭带作用，调动广大科技人员的积极性和创造性，组织力量加强进行污染源的治理和环保新技术的科研和推广。
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