热处理设备

热处理设备；节能；创新改造

高消耗、高污染、低效率一直是我国热处理设备的致命弱点。伴随着我国节能减排政策的提出，研究新型的热处理设备、对旧有的热处理设备进行创新改造成为热处理设备生产厂家和热处理领域专家的首要任务。本文将结合国外比较盛行的热处理设备以及我国在热处理技术上的弱势和弊端，对我国热处理设备改造和创新的方向和可能运用到的设备进行详细分析。

关键词：热处理设备；节能；创新改造

从苏联在哈尔滨援建我国的第一个电炉厂到建立专门的热处理车间，作为机械工业中涉及的一项重要技术，热处理技术在我国经过了半个多世纪的长足发展。但是，就目前形势来看，我国的热处理技术和生产出来的热处理设备仍然远远落后于国际水平。热处理设备生产工艺落后、产品氧化脱碳严重、高消耗、污染严重、产品质量差的问题普遍存在。俗话说，只有站在巨人的肩膀上才能看得更远，要想又快又好地改造热处理设备，使我国的热处理技术更上一个台阶，最快捷的办法就是借鉴和学习国外的先进技术。

一、国外热处理技术发展现状与我国的弊端

国外尤其是发达国家的热处理技术已经达到了相当高的水平。因为热处理技术涉及到环境污染、产品使用寿命、国家的可持续发展等方方面面，所以像日本、美国等国家早已对热处理未雨绸缪，早在上个世纪90年代就纷纷制定了关于本世纪热处理技术的远程目标和阶段规划。美国更是制定了截止到2020年的发展愿景，其文件中这样描述：“运用最新的CAD程序和热处理数据库，计算机模拟的仿真技术和精确控制技术实现对热处理进行高度柔性化和智能化的全面控制及系统管理。”有人对这种发展愿景进行了简单的实质性概括，污染少，畸变少，浪费少，氧化少，脱碳少，废品少、人工少。笔者认为，这也应该是全世界发展和创新热处理技术的理想。目前，许多国家针对“七少”不同的领域，开发了许多节能、可控制性强、控制精度度相对较高的设备。

例如，以燃烧炉为例，目前，国外普遍运用高效换热器来预热空气，并加设了具有蜂窝式周期蓄热器装置、发明了横向燃烧的烧嘴和辐射管，这些技术的应用都达到较好的节能效果。对于设备的改造，国外研究的重点都在相关参数上，与其说设备改造是头脑风暴的过程不如说是参数实验的过程。例如，研究发现，高温渗碳中如果把渗碳温度从930℃提高至1050℃就会减短40％的工艺周期；采用圆形截面的炉子要比采用矩形截面的炉子减少20％的散热量；用硫氮碳共渗和氧氮共渗替代渗碳和碳氮共渗可以将工艺温度从850℃－930℃降到550℃－580℃，把工艺时间从30小时～70小时减少到1.5小时～3小时。

有报道称，我国生产每吨钢材的耗电量要比欧美日本等国家高2倍到3倍，单位产值的能耗是美国的40倍，可见我国的热处理设备和热处理技术都处于一个相对低端的发展水平。事实也确实如此。如果经常翻看一些工业或者技术杂志中关于热处理之类的文章，你就会发现好多编辑记者都把我国现阶段的热处理水平和上世纪80年代欧美的水平相提并论。损耗高、资源浪费、污染严重、生产出来的产品性能差、使用寿命短等问题在我国的热处理领域广泛存在。

据调查，目前我国90%以上的热处理炉都是电炉为主；70％的热处理设备在空气中进行加热；大多数生产厂家使用的热处理设备都是文革时期生产制造的；热处理加工能力过剩，我国厂家对热处理设备的平均利用率只达到了30％；少无氧化热处理比重在30％左右；对于大多数设备的操作仍停留在手工阶段，劳动强度大；重产品轻单元技术技术研究，重产能轻质量。

目前，注视环节研究，充分利用废热、减少炉子蓄热和散热、燃烧脱脂、减轻料具质量、减少温室气体排放和有害剩余物料的排放已经成为我国改造和创新热处理设备的目标和原则。

笔者认为，要想以最快的速度摆脱我国热处理的落后局面，我们现在要做的就是师夷长技，学习外国的先进技术，借鉴国外的先进经验，进行本土化运用，并在运用过程中进行进一步的改良、改造和创新，生产出适应我国工业发展水平的设备，在这其中，重视理论和实践相结合，针对一个设备努力钻研细节上的改造和突破，充分发挥参与热处理工作人员的能动性和创造性，使我国的热处理水平有条不紊地向前推进。

二、热处理设备改造创新的几个方面

从我国与国外热处理设备的差距上，我们不难发现在下一步针对热处理设备的改造和创新上的工作重心，

包括节约电能和燃料、提高生产效率和产品质量、广泛运用自动化、提高性价比等。

（一）旧有设备改造

依照我国的国情和现有从事热处理单位的经济实力，在很长时间内，对热处理设备的更新仍然会以对旧有设备的改造为主。

1、盐浴炉的改造

对盐浴炉的改造重点要解决炉膛漏盐、炉温波动大、故障频率高、耗能大等问题。行之有效的方法包括：在盐浴炉的砌筑过程中，对标准砖的接触面进行对磨，用高强度C-8型胶进行粘合；在炉膛口加保温盖；使用导电膏；水平并联双螺旋辅助启动电极；采用微机控制系统等。

2、退火炉的改造

现在国内用到的退火炉普遍具有散热快、蓄热慢、热损失严重等缺点，必须对炉体使用新型耐火材料、进行烟气余热回收才能有效地改善这种劣势。

现在的退火炉炉体大多采用耐火砖，笔者建议替换成高温硅酸铝陶瓷耐火纤维毡，高温硅酸铝陶瓷耐火纤维毡炉体结构轻巧、蓄热损失小、节能效果较好、少污染、使用寿命长、检修起来也方便。

3、箱式电阻炉的改造

对箱式电阻炉的改造包括炉衬采用预制构件，预制构件的材料主要采用热系数小、升温速度快、使用寿命长的轻质硅酸铝纤维；加长加热室，降低其高度等。

4、热处理炉的改造

热处理炉的缺点主要是炉膛升温慢、截面温差大等。针对这些缺陷，必须通过计算热处理炉的功率对炉体进行相对彻底的改造，重新设计炉体轨道，改变原有的链条式轨道为连杆式轨道，并根据结构的变化确定控制参数。

除对旧有设备进行改造以外，热处理技术要想得到真正的发展，必须注入新鲜血液，即不断吸收世界先进技术的精髓，因地制宜加以运用。

（二）新型设备应用

笔者认为，在不久的将来，微波加热设备、离子束表面改性设备、二级管激光器、高磁场加工、复合热处理设备都有可能在热处理领域得到广泛运用。

1、微波加热设备

目前，微波加热设备已经广泛运用于家庭生活，并得到了大多数用户的认可，然而，因为微波会遭到金属反射等原因，微波加热虽然加热速度快但是在工业生产上鲜有运用。值得庆幸的是，新一项的研究为微波加热设备在热处理上的运用提供了可能性。研究发现，只要在金属周围形成等离子体，金属就能够充分吸收微波辐射。

微波加热设备的加热速度高达1300℃/s，可在瞬间开始或者停止加热，并可以依据金属的形状和尺寸进行调节，增加了加热的灵活性，并可以大大缩短加热时间，提高生产率。同时需要指出的是，微波加热设备一旦应用成功就可以取代昂贵的真空系统，大大减少热处理单位的开支。

2、离子束表面改性设备

由于我国大多数的热处理都是在空气中进行，所以器件畸形、尺寸不符、表面氧化脱碳严重等问题一直困扰着热处理单位。笔者认为，运用离子束表面改性设备，可以免除热处理单位的后顾之忧。

离子束表面改性设备是法国Sandia National Laboratories Albuquerque N.M.的专利技术，它采用高速脉动离子束，束斑尺寸达50cm2，设备脉动周期＜1μs，离子能达0.1～1MeV，可以在数微米之内快速熔化和凝固器件表面，改善大小器件的表面性能和外观，并可以提高器件的抗腐蚀能力和耐磨性。

3、二级管激光器

大功率直接二极管激光器（HPDDL）具有大长宽比光束，可在大型器件上大面积地进行快速加热，改变其输入功率或者是改变光斑移动速度都可以有效控制淬硬层的深度。与CO2激光器相比，二级管激光器一不需要水冷聚光器，二不需要对钢件进行冷覆，而且它的电光转换率高达60%。

4、热化学蓄热重整