防治热处理污染的措施

嘉勋

对现有热处理生产中的污染源进行治理，使其对环境的污染降到最低限度

(1)完善热处理环保法规，吸取发达国家环保立法的经验，结合我国的实际情况，对已有的法规进行修改和充实，使其逐步完善。

由于我国的环保工作起步较晚，已经制定的部分法规偏重于操作环境的劳动保护。而现代的环境保护应立足于全球，因此法规条款有待进一步修改和完善。例如标准《热处理车间空气中有害物质的限值》中，有害物质浓度的允许值测量点仅在“观察、操作、管理生产过程中经常或定时停留的地点”，按此标准，实际测量点通常在距离炉子1m附近，这种方法有局限性。气体化学热处理时炉中的有害气体是从排气管释放的，盐浴加热时有害气体从盐浴液面的上方被抽风机排到室外，这些部位都不在标准规定的测量范围内，但有害物质浓度往往超过标准中规定测量部位的浓度的几百倍甚至更高，即使按标准测试合格，对周围环境和大气的严重污染仍客观存在。欧盟、美国等严格规定将废气回收，进行处理，达标后排放，超标时立即自动报警，避免有害废气污染环境。

(2)淘汰和杜绝严重污染环境的热处理工艺、设备和生产方式。如逐步淘汰BaCl2加热盐浴和杜绝采用剧毒氰盐的液体渗碳和碳氮共渗工艺。淘汰直接采用固体煤作燃料的反射加热炉等。(3)限制目前尚不能被淘汰但对环境有污染的热处理工艺和设备的使用，并对之进行改造。

如对目前工具热处理用BaCl2加热盐浴实行封闭生产，使其对环境的影响降到最低限度。对盐浴有害固体进行无害化处理和回收利用；热处理车间有害气体和废水经处理符合标准规定后再排放等。

提倡“循环经济”，资源循环利用是治理工业污染的一项重要措施（美国2020年热处理路线图的研发项目中曾多次提及）。如将燃料炉的烟气热回收（如采用高效的辐射换热器、管式换热器、喷流换热器、板式换热器、热管换热器等），预热助燃空气；化学热处理时从炉中排出的废气的处理和回用；各种设备冷却系统废热的回用；各种淬火介质老化后的处理和回用；废清洗液的处理和回用等。

(4)加强环保体制建设，完善环保管理机制，增强环保管理力度；建立严格的奖惩制度，对在污染治理工作中有突出贡献的单位和个人给以奖励，对违反环保法规，一味追求经济利益，不重视环境保护的企业负责人及时进行教育，对造成环境严重污染的企业和主要经营者给以严惩。

研发和推广应用清洁热处理技术

采用清洁热处理技术替代落后的污染环境的热处理方法是贯彻“预防为主，防治结合”方针的最根本最有效的措施。以下综合当今国内外热处理节能环保高新技术的应用情况和今后的发展趋向作简要论述，供参考。

(1)清洁热处理技术措施

①加热能源如上所述，电是清洁能源，但是二次能源，发电过程中燃料的燃烧生产的废物会污染环境（核电、风电等除外），而且综合热效率不超过30%，因此开发和推广节电新技术，是热处理炉实现节能减排的重要举措。如优化炉衬结构,选用优质耐火保温材料替代耐火粘土砖做炉衬材料；提高热处理炉的密封性；对役龄较长、炉壁升温较高的中、高温热处理炉（包括电加热炉和燃料加热炉），在炉壁外安装“保温盒”等。

冶金、铸造、锻造等行业普遍采用燃料加热,直接燃煤的热处理炉应淘汰。被广泛使用的燃油和燃气热处理炉首先应选用对环境污染少的燃料。与其他燃料相比，天然气热值高（约为发生炉煤气的8倍），综合利用率高,约为60%～65%，CO2的排放量最低，对温室效应的影响最小。随着我国天然气开发规模的不断扩大，它是大有发展前途的热处理能源。

改进燃烧技术，是降低热处理能耗的重要技术措施。如空气燃料混合比的合理选择，并精确控制；采用先进的燃烧技术，如高效低噪声、低NOx、低SOx燃烧器技术；推广高性能烧嘴，如平焰烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、蓄热式烧嘴以及高效燃气辐射管等。

②加热方法电阻加热热处理设备在生产中最为常用，是一种间接加热方式，热损失大，热效率低。电接触加热、感应加热、激光和电子束加热等加热速度快，热效率高，对环境污染少，属清洁热处理加热技术，应扩展其应用范围。

③加热介质热处理工件可在气体、液体、固体和流态等介质中加热。金属在空气中加热，引起表面氧化和脱碳，这不仅浪费能源，而且清除表面氧化皮会造成污染。在熔盐或油中加热，产生的蒸汽和废渣会污染环境。应限制使用熔盐、熔融金属、油等加热介质或逐步淘汰之。保护气氛加热能防止工件氧化脱碳，但有废气排放问题，只能属于比较清洁的热处理加热介质。在H2和惰性气体Ar、He、N2中加热金属可保持光亮表面，都是清洁的加热介质。真空加热具有避免金属氧化和废气排放等许多优越性，更是清洁的加热介质。流态床加热时粒子飞扬，对操作环境有影响，虽属清洁的加热介质，但推广应用有局限性。

④淬火介质采用硝盐或油等作为淬火介质，工件在冷却过程中会产生有害的蒸气和废渣，清洗产生的废水都容易污染环境。据报道[8]，美国HoughtonDurferrite开发的以植物

油为基加入添加剂的生态天然淬火油，除冷却性能比油优越外，能生物降解80%～100%，使用寿命长，认为是比较清洁的冷却介质。前苏联也曾大量用植物油作淬火剂，但存在与民争粮的问题，需慎重考虑。

聚合物淬火剂（如PVA、PAG、PEO等，其中PAG已被广泛使用）与硝盐或油相比可以明显减少对环境的污染，但在使用中为了保证淬火冷却能力要经常加入添加剂，高分子聚合物降解缓慢，排放不当会污染环境，所以也不宜大规模应用。

金属在密封真空炉中加热，随后在强惰性气体流（He、N2、Ar等）中冷却，可防止工件表面氧化，避免开裂，减少畸变，获得所需要的性能，是典型的清洁的淬火介质。

水是最廉价的淬火介质，以水和空气为介质，按计算机模拟确定的水、空比进行调节，获得理想的冷却曲线，取代油、聚合物水溶液和硝盐等，现已成功地应用于热处理生产中，是极有前途的清洁淬火技术。

⑤清洗方法金属制品热处理后通常采用溶剂和碱清洗，造成氟氯烃逸出，破坏大气臭氧层，而带油的碱液又容易使水污染。美国开发的“燃烧脱脂法”和“超临界液体CO2清洗法[”，欧洲和日本开发的“真空脱脂法”以及先进的超声波清洗都是清洁的清洗方法。另外，用湿法喷砂替代干法喷砂，高频感应加热设备安装屏蔽设施等都是减少热处理污染

的清洁生产技术。

(2)研究开发热处理新工艺替代传统的热处理工艺，降低能耗,减少污染在加强热处理理论研究的基础上，对传统的热处理工艺进行改革。如取消或缩短结构钢的加热保温时间；采用高温快速升温的加热方式；提高渗碳温度以缩短渗碳周期；合理确定渗碳层深度;亚共析钢在两相区加热淬火；用感应加热淬火代替渗碳淬火；碳氮共渗代替渗碳；用低温（铁素状态）化学热处理代替高温（奥体状态）化学热处理;磨削加热淬火；取消和简化热处理工序，推广非调质钢等；采用锻造余热退火、淬火；钢材在塑性变形过程中，控形与控性相结合，既改善性能，又节约能源，减少污染，有很高的推广价值。

如某钢铁公司改变汽车钢板等材料的传统热处理工艺，将退火温度降低到极限温度850℃以下，半年内，按新工艺处理每吨钢材节能144千克标煤，热处理23万吨钢材节约资金200多万元，又减少了对环境的污染。

(3)先进的清洁节能热处理技术和装备

①真空热处理真空热处理技术被公认为理想的清洁热处理技术，是热处理生产技术先进程度的主要标志之一。近十几年来发达国家的真空热处理产量在迅速扩大。美国目前产品热处理中真空热处理约占15%，并将进一步增长。德国2002年的真空热处理量占热处理总量的5%，20年后预计达到50%，发展的后劲很足。20世纪80年代，发达国家真空热处理占热处理总量的10%，目前真空热处理设备和生产能力占热处理生产的20%～25%。但我国真空热处理设备的数量占热处理设备总量不到5%，热处理量所占比例更少。实现清洁热处理技术，发展真空热处理技术已势在必行。

根据目前真空技术的发展状况，简要介绍几种国内外正在研发和应用的真空热处理新技术和新设备。

a燃气真空炉由HemsathCo.、AbarIpesenCo.、IpesenInternational等公司分别研发的燃气真空炉（卧式或立式），通过改进燃烧器结构，开发富氧燃烧技术，改善热源材料、形状和对流技术等措施，以提高一次燃料热效率和技术水平，与电加热真空炉比较，不仅具有电加热真空炉的全部优点，而且热效率明显提高，如采用天然气作能源,热效率可达65%，比电加热真空炉提高一倍以上。既降低生产成本，又节能减排。燃气真空炉设备和技术已在欧洲和美国获得推广应用。

b热壁式真空渗碳炉在真空炉隔热层内抽真空替代炉壳水冷结构，可减少加热元件的能量消耗60%，并改善炉温的均匀性等。

c低压渗碳及低压渗碳高压气淬多用炉法国ECM公司发明的低压渗碳专利技术和开发的ICBP系列低压渗碳多用炉（连续式或周期式），工件渗碳后在配有(1～20)×105Pa氮的气淬室冷却，全过程由计算机系统自动控制。该渗碳设备不仅自动化程度高、渗碳、淬火质量好，而且操作安全，无污染。

d真空低压乙炔渗碳炉乙炔在高温低压下极易分解，具有很强的渗碳能力，渗层均匀，

渗速快,工件表面光洁，可避免晶界氧化，而且无废气（除少量氢气外），不污染环境。开发应用乙炔真空渗碳是近代低压渗碳技术进步的主要标志之一。

e高压气淬真空炉智能控制系统[14]将CAD、数据库技术及专家系统技术融合于高压气淬真空炉工艺参数控制，针对不同材料不同热处理模式精确控制加热和冷却过程的智能化控制系统，实现了热处理工件可变加热方式和改变冷却模式与冷却速度，使工件获得优良的性能并避免变形或开裂。提高了生产效率，节能、节材（气体），并具有工艺柔性化的特点。

发展真空热处理，还需深入研究和开发的技术有：

工件在真空炉内加热及高压气冷技术，提高真空炉加热和气冷的均匀性；

真空渗碳的碳浓度分布控制技术，提高真空渗碳的碳势控制精度；

真空高温渗碳技术（包括研发能阻止晶粒长大的高温渗碳钢），能缩短渗碳周期约50%，降低能耗，减少环境污染；

真空感应加热技术；

智能化控制，提高自动化程度和控制精度。

这些问题目前在发达国家也尚待解决，需要深入研究，攻克技术难关。另一方面，目前国

内已有的几十家真空设备制造厂与国际先进水平相比差距甚大，不能满足生产的需要，而进口设备价格昂贵，一般企业只能望而却步。因此研发生产需要的、高质量的、价格低廉的多功能真空热处理设备是当务之急。

②控制气氛热处理控制气氛在工业上应用已有50多年历史，上世纪60年代后，国际上

由于碳势控制技术和计算机技术的逐渐普及，控制气氛在热处理行业获得了迅速发展，已基本淘汰了空气加热炉，实现了少无氧化热处理。据有关资料统计，十年前，日本利用吸热式气氛渗碳淬火的企业已占企业总数的66.7%，营业额占29.9%。控制气氛热处理早已成为先进工业国热处理技术的主要组成部分。我国采用可控渗碳和保护气氛光亮热处理比例不超过20%，渗碳90%以上采用井式炉，近年来虽然密封箱式炉和连续炉的使用范围在扩大，但与发达国家相比相差甚远。

由于正在热处理行业广泛使用的控制气氛热处理技术，是替代对环境污染严重的中性和活性盐浴热处理方法的重要措施，在全面推广真空热处理等清洁热处理技术条件尚未成熟的今天，控制气氛热处理技术的继续应用和发展是必要的。但由于采用这种技术进行加热和化学热处理时从炉中排放出大量CO2、CO、CH4等温室气体，从环境保护角度看，并非理想的清洁热处理技术，因此开发减少废气排放量和废气回收、处理或再利用的新技术应作为重要的研究课题。

a直生式气氛渗碳技术和设备直生式气氛是将燃料气直接注入炉内，反应后生成所需要的气氛。其最大的优点是燃料消耗少，与平衡气氛相比节约75%～94%，降低成本，减少污染。应用前景广阔。

如在RTQ-8型炉进行各种尺寸齿轮渗碳淬火，与吸热式气氛相比，采用天然气/空气气氛系统耗气量大幅度降低，节约成本86%。