热处理对环境污染的主要原因

嘉勋

长期以来，广大热处理工作者为保护环境和操作者身心健康，进行了不懈的努力，取得了一定的效果。进入新世纪后，环境保护工作得到国家的高度重视，不少有识之士曾竭力呼吁发展“绿色热处理”技术，并积极开展清洁热处理技术的研发工作。低能耗、少污染的热处理设备和工艺,如控制气氛热处理、真空热处理、表面改性、复合热处理、控制冷却等在大城市和国家重点骨干企业中应用逐步扩大，热处理环保工作在行业内取得了一定的进展。但是与发达国家的先进环保理念和技术相比仍存在着很大差距，尤其是热处理中小企业，包括城郊乡镇的一些民营企业，在经济利益的驱动下，环保意识薄弱，热处理生产污染在继续扩大中。从总体看，热处理生产对环境污染的状况并未得到根本改变，其主要原因分析如下。

(1)“控性”不如“控形”、重“冷”轻“热”的传统观念使热处理污染治理工作进展缓慢我国制造业中始终存在着重“冷”轻“热”的严重倾向，许多企业领导和投资者往往只重视产品的功能、精度和外貌等，忽视产品的内在质量；在产品的生产过程和新产品的开发中始终把冷加工放在主要地位，认为热处理仅仅是零件加工过程中的一般工艺，对热处理的重要性认识不足，导致长期以来对热处理投入不足。设备陈旧，工艺落后，工作条件差，甚至不少企业的热处理车间成为企业中被冷落的一角，热处理生产中的环境污染无人过问。

(2)单纯追求经济利益而忽视环境保护,“污染转移”现象严重有些企业，特别是一些民营企业和边缘地区，以追求眼前经济效益的最大化为目标，采用污染严重理应被淘汰的热处理设备和工艺进行生产，随意排放污染物，不关心操作者的身心健康，更缺乏环保意识。以工具制造业为例，刀刃具的热处理仍采用传统方法，工件的加热、淬火和回火均在盐浴炉中进行，并采用碱水清洗。在生产中,盐浴加热时挥发的盐蒸气和盐渣，热处理后清洗工件的废水均具有强烈的毒性。国家早有明文规定，淘汰这种落后的对环境污染严重的热处理方法，用清洁的热处理方法替代，即使暂时无法替代，必须对有害物进行严格的无害化处理。但恰恰相反，这种被国家强制淘汰的热处理方法在我国沿海一些中小城市和民营企业中还在使用并在扩大中。如我国沿海某地区，有“刀具城”之称，该地区大小工具制造厂不少于20家。以其中一家规模较大的企业为例,年生产刀具数量近1亿支（高速钢钻头为该厂的主要产品），大部分出口，同时为外商进行热处理代加工,年创汇约2亿美元。该厂有10条高速钢钻头盐浴加热生产线，包括盐浴炉共40台设备，加热温度为1250℃左右的盐浴炉10台，用100%BaCl2作介质。据统计，每天两班制生产，全年消耗有毒盐约25吨（其中剧毒的BaCl2年消耗约10多吨），均变成有毒害的盐蒸气和盐渣；另外清洗后的废碱水约6000吨。这些污染物不作任何处理，随意排放，不仅使车间乌烟瘴气，还严重污染周边环境，竟然无人过问。很难想象，该地区20多家企业每天排放的有毒有害物将会对环境造成怎样的危害！有的地区，如位于城郊结合部的民营热处理企业，仍采用氰盐浴渗碳或碳氮共渗处理锉刀和手工锯条，而且随意倾倒剧毒的废盐渣和排放废水，情况非常严重。

随着国内外经济格局的不断调整，如果不及时采取有效的措施，“污染转移”现象也将日趋严重。表现在：①“出口产品,进口污染”。工业发达国家考虑国内的环境保护，将污染环境的行业或加速淘汰，或采用各种形式向发展中国家转移。如近年来我国企业承接发达国家的汽车另配件加工业务剧增，甚至外商在制造高速钢钻头时，将中间热处理委托给中国企业，“转移污染”的动机表现得非常露骨。这样既能回避发达国家对污染生产的限制，又能利用廉价的劳动力获取更丰厚的利润。目前我国污染行业的产值增长速度居高不下，其中“转移污染”是重要原因之一。②热处理生产由大城市向城郊结合部或乡镇转移。以我国沿海地区为例，为改善国际大都市的生态环境，但又要确保工业增长，在产业结构调整过程中对热处理厂点进行整顿或向城郊转移，应该说大城市的热处理总体水平提高了，污染减少了。然而许多乡镇受短期经济利益的驱使，降低门槛，招商引资，仓促上马，采用落后的技术和生产方式承接热处理加工。从整体考虑,环境污染不仅没有好转，甚至有所加剧。

(3)自主创新意识不强，能力不足，清洁热处理新技术发展缺乏后劲不少大中型骨干企业往往把提高热处理生产技术水平、改善操作环境寄托于引进少数国外先进设备或技术上，自主创新意识不强，对现有的技术和设备的改造投入不足，热处理生产的整体水平提高不大，热处理污染没有根本的好转。不少企业尚未建立科学的防治热处理污染的制度和有效措施，习惯于传统的热处理生产方式，对热处理污染防治新技术的开发应用缺乏积极性和主动性。

(4)科研成果及产业化速度不能满足节能减排技术改造发展的需要通过全面引进热处理新技术实现节能减排的目标不符合我国的国情，科研成果的产业化才是最好的途径。但目前科研经费不足，成果不多，产业化进程缓慢,影响防治热处理污染的深入开展。

(5)专业化水平低，不利于热处理污染的防治近十年来，我国制造业迅速发展。热处理加工的市场需求量猛增，加上产业结构的调整和污染行业由大城市向边缘地区迁移，乡镇民营热处理厂如雨后春笋般涌现。但必须看到,设备陈旧、技术落后、管理水平低的中小企业占很大比例，热处理生产能耗大、污染严重，热处理环境并未得到明显的改观。

(6)有法不依，执法不严，管理体制不能适应环保工作的需要不少经营者存在“守法成本高，违法成本低”的错误思想；有些地区的政府官员为了自己的政绩或个人和小团体利益，对生产中的环境污染放任不管，有法不依，执法不严，奖惩不明，国家环保法的贯彻执行力度不足，污染治理困难重重。

我国的环境保护工作起步较晚，环保法规不完善。例如，虽然已有统一的有害固体废物鉴别标准，对危险废物鉴别标准中的腐蚀性、急性毒性、浸出毒性等作了标识，然而机械工业热处理盐浴固体废物控制标准仍是空白[5]。因此,只有建立完善的法律体系，才能确保热处理污染防治工作的顺利开展。

热处理生产技术的发展缓慢，热处理装备和工艺水平与先进工业国相比差距30年，已成为我国发展现代先进制造业的“瓶颈”。

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热处理污染防治战略探讨
徐兴宝
（上海市热处理学会，上海 200020）
摘  要：热处理是机械制造中的关键工艺之一，但又是能耗和排污大户，防治热处理污染是确保我国制造业可持续发展的重要条件。当前我国热处理生产中的环境污染状况十分严峻，应遵循“以防为主, 防治结合”的原则，学习国外先进经验，制订出有关防治热处理污染的战略方针和措施。理念创新,科技创新和管理创新是实现我国热处理污染防治目标的关键之一。
关键词：污染；防治；清洁热处理；节能；减排
中图分类号:T-1;TG15      文献标识码:A      文章编号:1008-1690(2008)04--0006-013
Discussion on Strategy concerning Prevention and Disposal of Pollution
From Heat Treatment
XU Xing-bao
( The Shanghai Society for Heat Treatment, shanghai 200020 )
Abstract: Heat treatment is not only one of the key technologies in machine manufacturing, but also major trade in energy consumption and pollutant discharge. The prevention and disposal of pollution in the heat treatment industry are one of the important preconditions for machine manufacturing to develop continuously in China. At present, pollution from heat treatment production has become very severe in China. Following the principle " taking prevention first and combining prevention with disposal " and learning advanced experiences from abroad, the strategy, policy and measures in respect of the prevention and disposal of pollution in heat treatment industry can be established, Innovation in idea, science-technology and management is the key point for achieving the goal.
KeyWords: pollution; prevention and disposal; clean heat treatment;energy saving; reduction in pollutant discharge

1 引言
环境保护问题受到世界各国的高度重视，已成为我国的基本国策，其原因在于随着工业的迅猛发展，环境污染日益加剧，严重威胁经济的可持续发展和人类的生存。我国目前是世界上排污严重的国家之一，根据1995年的统计，世界CO2的排放量约为10000百万吨，而中国达3007百万吨，仅次于美国,居世界第二。近年来我国的化学需氧量（COD）和二氧化硫（SO2）的排放量都居世界第一[1]，受到国际社会的关注。遏制环境恶化趋势，改善环境质量，是我们面临的一项重大而紧迫的艰巨任务。
    近年来，作为我国国民经济支柱产业的机械制造业获得了跨跃式发展，其产值均以每年20%以上的幅度递增，主导产品如发电设备、金属切削机床、汽车拖拉机等的产量已居世界前列。同时，机械产品出口额已占机电产品出口的四分之一，已成为我国机电产品出口的主力军。产品零件的精密型、轻量化、高质量、可靠性以及制造过程中节材、节能和低污染是促进产业升级和重大技术装备（如超超临界发电机组、核电设备、大型船用柴油机、重型冶金机械设备、飞机等）实现跨越式发展的重要保证，也是确保国民经济可持续发展的重要战略措施。
1.1 热处理在制造业中是耗能和排污大户
热处理是提高金属材料力学、物理、化学以及工艺等性能的一种加工技术，是制造业尤其是装备制造业的基础工艺之一，是确保许多重要产品的可靠性和寿命、增强国内外市场竞争能力的重要手段。机械产品中的重要零件一般都要进行一次甚至多次热处理，如机床的大部分零件需要热处理，汽车中70%～80%的零件需要热处理,工模具、轴承等基础件以及精密件几乎都需要进行热处理。根据2003年提供的机械行业中热处理基本状况的数据，结合近年来的发展规模进行综合估算，我国现有热处理厂点接近2万个，各类热处理加热设备总数接近20万台，其中热处理电加热炉的数量占主要部分（约为90%），年实际热处理生产量约为2000～2500万吨，装机容量约为1200～1500万千瓦时，耗电总量约为150～200亿千瓦时，约占我国机械制造业年耗电量的25%～30%。在冶金行业,钢材轧制和锻造过程中需要进行中间热处理，如按需要进行热处理的钢材的质量占钢产量的10%～15%估算，2007年我国钢产量近5亿吨，年实际热处理质量估计接近5000～7500万吨（包括锻造和铸造行业在内）。主要热处理设备是燃料炉，如燃气炉和燃油炉，还有少量燃煤炉，总数超过1万台，年耗能量估计近千万吨标煤。热处理生产在消耗大量能源的同时，对环境产生直接和间接的污染，已受到有关部门的关注和重视。
    最近的《机械工业污染防治战略研究》报告[2]中指出：“我国环境污染的70%是由工业造成的。机械工业是耗能、耗材和排污大户，特别是金属热加工行业，量大面广，耗能量占机械工业耗能总量的70%。机械工业所产生的废物种类多、数量大，比较突出的有铸造产生的废旧型砂，热处理产生的盐渣，电镀和涂装及热处理等产生的废水，各种热加工产生的废气等‘三废’和各种污染”。还指出：“我国是一个机械制造大国，但不是强国。机械工业能耗高、资源消费大、污染环境严重、劳动保护薄弱和环境治理差，这与可持续发展的方针是不相和谐的。机械工业污染防治面临的形势十分严峻”。
1.2 热处理污染源
    热处理对环境的污染与落后的设备、工艺和管理方法有密切关系。20世纪50年代，我国曾从前苏联引进上世纪30～40年代水平的热处理技术和设备，其中有采用有毒盐（如BaCl2、NaNO2、KNO3等）甚至剧毒盐（如KCN、NaCN）等的盐浴炉，至今还有不少地区的企业仍在使用。上世纪60～70年代开始逐步采用气体渗碳、碳氮共渗等工艺代替剧毒的液体氰化工艺，采用离子渗氮、感应加热、真空加热等新工艺，使操作环境得到改善，但清洁的热处理设备和工艺所占的比重极小。80年代以后,我国实行改革开放政策，热处理行业出现两极分化。一方面，少数大中企业引进国外先进技术和装备，如碳势可控的密封箱式炉、冷壁式真空热处理炉、离子渗氮炉等设备开始由少数专业厂制造和供应市场，热处理生产水平和产品质量明显提高，热处理生产场所的环境得到改善。而另一方面,民营、乡办热处理专业厂纷纷上马，这些企业良莠不齐,不少为了追求眼前的经济利益，以最少的投入，采用最简陋的设备，进行作坊式的生产和管理,导致产品质量下降和热处理生产污染日趋严重。
    总体上看，我国热处理的环境保护工作虽有进展，但远不能满足行业发展的需要。以牺牲能源、牺牲环境和依靠廉价的劳动获取经济利益的现象还严重存在，热处理行业的环境保护工作不容乐观。
    在探讨热处理污染防治战略问题前，先就有关对热处理生产环境污染的评价方法作简要说明。其一，由于热处理在机械制造业中分布广，工艺复杂，技术难度高，机械制造业的热处理在各行业中具有代表性，长期以来发表的许多统计数据，包括热处理生产污染的数据，大部分来自机械制造业。在讨论环保问题时，有必要将其他有关行业的热处理污染考虑在内，特别是冶金行业的热处理污染不能忽视，这样可使许多统计数据更为确切，探讨问题更为深刻和全面。其二，热处理污染除考虑生产过程中的直接污染外，还需考虑间接污染。如热处理是用电大户，占机械制造业的25%～30%，电是二次能源，发电需要消耗大量燃料并造成环境污染，必须予以考虑。其三,防治热处理生产污染不仅是操作环境的改善，必须与大环境保护融合在一起，使防治热处理污染环境的重要性更为突出。另外，目前我国有些资料发表的统计数据不规范、不及时，如我国目前采用的单位质量（吨）能耗指标并不合理，应采用产值能耗指标，才能比较合理反映能源的实际消耗水平，但目前缺乏这类数据，又如由于缺乏近期的统计数据，所以本文中采用的某些数据只能是粗略估算,仅供参考。

2 热处理对环境的污染
2.1 常见的热处理污染物种类及对环境的影响
    热处理生产过程中排出的废气、废水、废渣、粉尘、噪声和电磁辐射使作业场所和周围环境、大气、水质等产生污染。关于热处理生产中的主要污染源和对环境的影响列于表1。
2.2 热处理对环境污染的状况
    参考有关文献[3]，结合我国热处理近期发展规模加以适当修正，将我国当前热处理生产对环境污染的状况简述于下。
    (1) 燃料燃烧  在冶金、铸造、锻造和重型机械行业，铸件、锻件以及钢材轧制过程中的热处理，多数采用以煤气、液化气和油作燃料的加热炉，目前拥有量约为25000台（其中发生炉煤气炉约15000台，液化气和天然气炉8000台，其余为油炉）。如按年热处理量接近7000～8000万吨粗略估计，加热炉每年向大气排放的废气（如NOx、SO2、和CO等）近千亿标立方米，还有大量的SOx、烟尘等。

表1 热处理污染物种类和对环境的影响
Table 1  Heat treatment pollutants and their influence on environment
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序
号 污染源 作业及用途 主要污染物 对环境的影响
1 煤的燃烧 退火、正火等燃料炉的热源 CO、CO2、SO2、NOX和烟尘等 污染大气，室温效应
2 煤气、液化气和油的燃烧 退火、正火、淬火、化学
热处理等为燃料炉的热源 CO、CO2、SO2、NOX和烟尘等 污染大气，室温效应
3 甲醇、丙烷、丁烷、煤气、天然气、氨等燃烧或热分解 保护加热和气体化学
热处理的控制气氛 CO2、CO、NH3、HCN、NOx等 污染大气，NH3、HCN、NOx等有毒有害气体污染操作环境
4 淬火或回火用油 淬火或回火介质 CO、CmHn、烟尘、
油蒸汽、废油废水等 污染空气和水
5 BaCl2、NaCN、KCN
和尿素等加热 加热或气体化学
热处理等盐浴 Ba 2+、NO -、Cl -1、CN - 等 盐蒸气污染空气,盐渣污染水,
进入人体有致毒或致命危险
6 硝酸盐、亚硝酸盐等加热 等温、分级淬火和
回火等低温盐浴 NO2、废水等 污染空气和水
7 碳酸钠、氢氧化钠、氯化钙等水溶性介质 淬火冷却介质 蒸汽、废水 污染空气和水
8 苛性钠、三氯乙稀、盐酸、苯等 清洗、脱脂、发黑等 蒸汽、废水 污染空气和水
9 喷砂、喷丸 工件表面清理和强化 粉尘和噪声 影响人体健康、污染环境
10 感应加热 表面淬火 电磁辐射 影响人体健康


    许多中小企业进行铸、锻件正火、退火等热处理时，采用燃煤反射炉，导致SOx、CO和烟尘等对周围环境和大气的污染。文献[3]曾初步估计，全国约5000台1536kJ/h的煤炉，每年耗煤45万吨,在燃烧产物中排放出1.5万吨SOx和近8.5万吨灰分（另有大量废气排放在大气中）。但随着近年来我国热处理规模的迅速扩大，燃料炉的拥有量估计已远远超过这一数量，对大气的污染更为严重。
    电加热热处理炉占热处理炉总数的90%，使用极广。电虽然是一种清洁能源，但它是二次能源，发电过程中燃料燃烧排放的有害气体污染大气。若以年热处理量2500万吨估算，年耗电量约为200亿千瓦时，发电时需消耗标准煤达数百万吨，发电过程中向大气体排放大量有害气体和烟尘等。
    (2) 盐浴蒸气和盐渣  液体渗碳、碳氮共渗的活性盐浴炉已趋淘汰，但用作高温或中温加热、等温或分级淬火以及回火的中性盐浴炉仍在使用中，尤其是民营企业使用较为普遍。目前拥有量约为2万多台，年消耗NaCl、BaCl2等中性盐上万吨，NaCN、KCN和尿素等活性盐约1500吨。这些盐在中、高温下长期加热，部分蒸发为盐蒸气散发于空气中，其余变成有毒盐渣。未经处理的盐渣和废盐,随意放置和埋藏，造成水污染。
    等温淬火槽中使用的硝酸盐和亚酸硝盐，年消耗量不亚于中性盐，加热后同样产生腐蚀性、毒性气体和盐渣，污染空气和水源。
    近年来，随着汽车工业的发展，低温液体氮碳共渗和硫氮碳共渗（如QPQ）工艺发展较快，其盐浴中含剧毒的CN -1约为1%，有毒的盐渣、工件带出的残盐、废水和盐浴的蒸气处理不当都会污染水源。
    (3) 气体化学热处理气氛  随着液体渗碳、碳氮共渗等工艺的逐步淘汰，气体化学热处理在行业中已被普遍使用，但它并非是理想的清洁热处理技术，因为在制备和应用吸（放）热型气氛、氨分解和氨燃烧过程中，有机化合物如甲醇、丙烷、煤油等在炉内分解后排出CO2、CO、NH3、HCN等有毒有害气体。据粗略统计，化学热处理年消耗的甲醇约27万吨，丙烷约1万吨，煤油约1000吨，天然气约2.1×107Nm3。生产过程中大量有毒有害气体从炉内排出，进入大气，污染环境，通常气体氮碳共渗工艺排放的废气中HCN含量超过国家允许排放量的数千倍[4]。渗氮时炉中的残余氨直接排放严重污染操作环境；如将其燃烧，形成NOx；或将其溶解水中，随意排放，污染水源。
    (4) 淬火和回火介质  目前我国热处理广泛采用油作为淬火介质，粗略估计全年用油量2万多吨，其中除转化为CmHn、炭黑和烟尘外，工件在热处理前或油中淬火后未经清洗就装炉加热,使工件表面的油脂蒸发和燃烧形成大量烟气。还有因油老化而排放，这些老化的油中含有来自工件表面脱落的金属氧化物以及工件淬火时带出的BaCl2等有害和剧毒物质，都会污染大气和水源。
    聚合物水溶液（PVA、PAG等）自然降解缓慢，未经处理直接排放，也会对环境生产不利影响。
    (5) 清洗液的蒸发、含油脂和盐的清洗废液及未经处理的发黑（发兰）或磷化的废液直接排放,都会污染环境和水源。另外，喷砂和喷丸的粉尘，炉膛耐火材料特别是低质量的耐火纤维使用后严重粉化等，飘散于空气中，损害人们的健康。由于设备运行过程发出噪声以及感应加热的中、高频电磁辐射都有害操作者的身体健康。
2.3 热处理对环境污染的主要原因
    长期以来，广大热处理工作者为保护环境和操作者身心健康，进行了不懈的努力，取得了一定的效果。进入新世纪后，环境保护工作得到国家的高度重视，不少有识之士曾竭力呼吁发展“绿色热处理”技术[4]，并积极开展清洁热处理技术的研发工作。低能耗、少污染的热处理设备和工艺,如控制气氛热处理、真空热处理、表面改性、复合热处理、控制冷却等在大城市和国家重点骨干企业中应用逐步扩大，热处理环保工作在行业内取得了一定的进展。但是与发达国家的先进环保理念和技术相比仍存在着很大差距，尤其是热处理中小企业，包括城郊乡镇的一些民营企业，在经济利益的驱动下，环保意识薄弱，热处理生产污染在继续扩大中。从总体看，热处理生产对环境污染的状况并未得到根本改变，其主要原因分析如下。
    (1)“控性”不如“控形”、重“冷”轻“热”的传统观念使热处理污染治理工作进展缓慢我国制造业中始终存在着重“冷”轻“热”的严重倾向，许多企业领导和投资者往往只重视产品的功能、精度和外貌等，忽视产品的内在质量；在产品的生产过程和新产品的开发中始终把冷加工放在主要地位，认为热处理仅仅是零件加工过程中的一般工艺，对热处理的重要性认识不足，导致长期以来对热处理投入不足。设备陈旧，工艺落后，工作条件差，甚至不少企业的热处理车间成为企业中被冷落的一角，热处理生产中的环境污染无人过问。
    (2) 单纯追求经济利益而忽视环境保护,“污染转移”现象严重  有些企业，特别是一些民营企业和边缘地区，以追求眼前经济效益的最大化为目标，采用污染严重理应被淘汰的热处理设备和工艺进行生产，随意排放污染物，不关心操作者的身心健康，更缺乏环保意识。以工具制造业为例，刀刃具的热处理仍采用传统方法，工件的加热、淬火和回火均在盐浴炉中进行，并采用碱水清洗。在生产中,盐浴加热时挥发的盐蒸气和盐渣，热处理后清洗工件的废水均具有强烈的毒性。国家早有明文规定，淘汰这种落后的对环境污染严重的热处理方法，用清洁的热处理方法替代，即使暂时无法替代，必须对有害物进行严格的无害化处理。但恰恰相反，这种被国家强制淘汰的热处理方法在我国沿海一些中小城市和民营企业中还在使用并在扩大中。如我国沿海某地区，有“刀具城”之称，该地区大小工具制造厂不少于20家。以其中一家规模较大的企业为例,年生产刀具数量近1亿支（高速钢钻头为该厂的主要产品），大部分出口，同时为外商进行热处理代加工,年创汇约2亿美元。该厂有10条高速钢钻头盐浴加热生产线，包括盐浴炉共40台设备，加热温度为1250℃左右的盐浴炉10台，用100% BaCl2作介质。据统计，每天两班制生产，全年消耗有毒盐约25吨（其中剧毒的BaCl2年消耗约10多吨），均变成有毒害的盐蒸气和盐渣；另外清洗后的废碱水约6000吨。这些污染物不作任何处理，随意排放，不仅使车间乌烟瘴气，还严重污染周边环境，竟然无人过问。很难想象，该地区20多家企业每天排放的有毒有害物将会对环境造成怎样的危害！有的地区，如位于城郊结合部的民营热处理企业，仍采用氰盐浴渗碳或碳氮共渗处理锉刀和手工锯条，而且随意倾倒剧毒的废盐渣和排放废水，情况非常严重。
    随着国内外经济格局的不断调整，如果不及时采取有效的措施，“污染转移”现象也将日趋严重。表现在：①“出口产品,进口污染”。工业发达国家考虑国内的环境保护，将污染环境的行业或加速淘汰，或采用各种形式向发展中国家转移。如近年来我国企业承接发达国家的汽车另配件加工业务剧增，甚至外商在制造高速钢钻头时，将中间热处理委托给中国企业，“转移污染”的动机表现得非常露骨。这样既能回避发达国家对污染生产的限制，又能利用廉价的劳动力获取更丰厚的利润。目前我国污染行业的产值增长速度居高不下，其中“转移污染”是重要原因之一。②热处理生产由大城市向城郊结合部或乡镇转移。以我国沿海地区为例，为改善国际大都市的生态环境，但又要确保工业增长，在产业结构调整过程中对热处理厂点进行整顿或向城郊转移，应该说大城市的热处理总体水平提高了，污染减少了。然而许多乡镇受短期经济利益的驱使，降低门槛，招商引资，仓促上马，采用落后的技术和生产方式承接热处理加工。从整体考虑,环境污染不仅没有好转，甚至有所加剧。
    (3) 自主创新意识不强，能力不足，清洁热处理新技术发展缺乏后劲  不少大中型骨干企业往往把提高热处理生产技术水平、改善操作环境寄托于引进少数国外先进设备或技术上，自主创新意识不强，对现有的技术和设备的改造投入不足，热处理生产的整体水平提高不大，热处理污染没有根本的好转。不少企业尚未建立科学的防治热处理污染的制度和有效措施，习惯于传统的热处理生产方式，对热处理污染防治新技术的开发应用缺乏积极性和主动性。
    (4) 科研成果及产业化速度不能满足节能减排技术改造发展的需要  通过全面引进热处理新技术实现节能减排的目标不符合我国的国情，科研成果的产业化才是最好的途径。但目前科研经费不足，成果不多，产业化进程缓慢,影响防治热处理污染的深入开展。
    (5) 专业化水平低，不利于热处理污染的防治  近十年来，我国制造业迅速发展。热处理加工的市场需求量猛增，加上产业结构的调整和污染行业由大城市向边缘地区迁移，乡镇民营热处理厂如雨后春笋般涌现。但必须看到,设备陈旧、技术落后、管理水平低的中小企业占很大比例，热处理生产能耗大、污染严重，热处理环境并未得到明显的改观。
    (6) 有法不依，执法不严，管理体制不能适应环保工作的需要  不少经营者存在“守法成本高，违法成本低”的错误思想；有些地区的政府官员为了自己的政绩或个人和小团体利益，对生产中的环境污染放任不管，有法不依，执法不严，奖惩不明，国家环保法的贯彻执行力度不足，污染治理困难重重。
    我国的环境保护工作起步较晚，环保法规不完善。例如，虽然已有统一的有害固体废物鉴别标准，对危险废物鉴别标准中的腐蚀性、急性毒性、浸出毒性等作了标识，然而机械工业热处理盐浴固体废物控制标准仍是空白[5]。因此,只有建立完善的法律体系，才能确保热处理污染防治工作的顺利开展。
    热处理生产技术的发展缓慢，热处理装备和工艺水平与先进工业国相比差距30年，已成为我国发展现代先进制造业的“瓶颈”[6]。

3 国外防治热处理污染的主要措施
    工业发达国家的机械工业在发展过程中同样经历过严重污染的时期，特别在20世60年代之前，工业污染也相当严重。随着工业高度发展，资源匮缺造成能源紧张，环境污染严重造成地球气候变暖加剧，为了尽快解决如此尖锐的矛盾，70年代开始工业发达国家就非常重视环境保护工作。主要措施简述如下。
3.1 制订相关劳动安全卫生法规，从法律上保障环境清洁和劳动者的安全
    早在20世纪70年代,一些发达国家和地区为了改善雇员的劳动条件和工作环境，政府加强了对雇主提供的工作和工作场所的监督，先后立法，把职业卫生工作纳入法律轨道。1970年12月美国在世界上第一个颁布《职业安全卫生法》，日本于1972年以法律57号公布了《日本劳动安全卫生法》，英国于1974年4月～1975年7月分三批公布了《英国劳动安全卫生法》，前苏联也以其《劳动法原则》为依据，形成了较为完善的劳动安全标准体系，其中涉及到大量详实的热加工生产作业卫生安全法规，包括热处理在内。这些法规具有综合性强、适用范围广的特点，注重标准化，操作过程中具有极强的技术性。为了保证这些法规的实施，各国都建立了强有力的制约机制，国家通过行政手段管理职业安全卫生工作，并在实践中修订和不断完善，形成了独立的法律体系。
3.2 制定相关环保标准，严格执行“排污者付费”原则
    美国、日本、德国等已于20世纪70年代相继制定了有害废弃物的法规，其内容包括有害废弃物的定义、鉴别和分类,并对生产、运输、处理、贮存和处置等各个环节实行全面管理。1976年美国制定的资源保护和回收法（RCRA）是目前世界上比较详尽和完整的有关固体废弃物的法规。在大量科学实验和广泛调查研究的基础上，按有害废弃物的成分、工艺过程以及来源方式列表，并在“有害废弃物条例”中予以公布[3]。
    国外十分重视相关标准的制订，其中1996年ISO14001环境管理标准体系的公布，被公认为国际标准化组织的又一重大行动，日本亦于同年10月制定了JIS（Q14001）标准。欧洲的企业在采购物资前，要求供应方达到ISO14001标准。仅一年时间，全世界就有1491家企业通过认证，OHSAS18001职业健康与安全管理标准体系对环境保护产生了十分重要的影响。
    发达国家在如何治理机械工业对环境的污染方面制定了一系列原则。如德国很早施行了“排污者付费”原则，成为防治污染的一种重要手段。基于该原则，谁造成污染，谁就得承担治理污染的成本，由此促进了企业达标的自觉性，调动了人们开发环保新技术的主动性和积极性。
3.3 致力于研究、开发高新技术
    环境保护法律体系健全的发达国家，为了减少环境污染，加快高新技术研发，迅速更新工艺和装备，为热处理技术的发展带来了生机。
    美国能源部认为热处理企业是重要的能源用户，对制造业有实质性影响。为了配合美国“未来生产技术”计划的实现，由美国能源部工业技术局、金属学会热处理学会和热处理协会等提出并于2004年公布了“美国2004年热处理技术路线图HTS修订稿”。该路线图提出2020年设想和目标，具体目标见文献[7]。这些指标的先进程度是令人瞠目的，而且都与环保密切相关。能提出这些目标关键不仅是他们在这个领域里拥有世界领先的核心技术和现代高科技的支撑，而且具有先进的清洁热处理理念，值得我国借鉴。为实现8大目标，美国还提出了包括材料、设备、工艺和行业管理等70多项具体的新技术研发项目。
    在能源和环境方面，发达国家认为，对大量使用能源和形成大量工业废料的行业加强对环境治理的力度是可持续发展和保持国际竞争力的关键。美国70多项新技术研发项目中，与节能和环保直接相关的近20项，包括减少散热的筑炉绝热新材料；改善炉膛设计提高热交换率；开发局部加热和表面淬火的节能新工艺；研发高效燃烧器和清洁的冷却介质、清洗液等。其中关于低级热（废热）、废气（包括燃料炉的燃烧气和化学热处理气氛等）、废液等热处理废弃物的处理、回收和利用的研发项目占了很大的比例，可见“循环经济”已成为当今“节能减排”的重要措施，特别是热处理生产技术尚未高度发达的阶段，热处理废弃物的处理、回收和利用技术的开发很有现实意义。
    美国路线图中关于燃料炉的新技术开发提及多项。欧美国家在热处理炉中燃料炉占20%～30%，而且采用天然气较多，与其他燃料相比，排出的CO2最少，对地球温室效应的影响最小。在加热技术方面的发展，如提高能源利用率35%、减排70%的直焰冲击燃烧技术；能提高炉温均匀性、缩小炉子尺寸50%、形成很少NOx的炉用平面辐射板;能显著降低预热空气时产生的NOx量的低燃气强烈内循环辐射管；耐高温并提高燃烧率10%、减排50%的反向
循环单管封闭式辐射管等。这些都是提高能源利用率，减少废气排放量的新技术。
    20世纪70年代中期，欧美及随后日本开始进行热处理工艺的计算机模拟试验以来，随着信息技术的迅速发展，发达国家计算机技术在热处理中的应用日益广泛，成为实现优质、高效、节能和清洁生产的不可替代的现代化工具。现代信息技术应用于热处理领域，使传统的热处理技术获得超常规的发展，包括开发各种软件、建立各种数据库和模型、进行计算机模拟等，应用于加热和冷却过程中相变理论的研究、新材料的开发、新炉型的设计，促进热处理生产逐步实现计算机智能化。
    美国在制定热处理技术发展路线图后，为实现所提出的各项目标，近年来热处理高新技术的研发取得了引人注目的成就，许多高新技术，已研发并取得实效。根据有关文献摘录如下[8]。
    新设备方面，真空炉采用高压喷嘴的双室气淬炉，与单室气淬炉相比提高冷速40%,冷却均匀，工件畸变小；带柔性淬火系统的低压离子渗碳炉可在真空条件下于500～1300℃进行各种热处理，除低压离子渗碳、气淬、油淬外，还能进行离子碳氮共渗，低、高温等离子渗氮，工具钢、马氏体不锈钢的高浓度渗碳等；低压渗碳高压气淬链接式生产线，能满足大批量真空渗碳的需要。另外，如工件加热或渗碳后在盐浴等温槽短时停留后在空气中等温的贝氏体和马氏体分级淬火生产线（TQA型渗碳或奥氏体化加热淬火生产线）可减少对环境的污染；新型推杆连续式和环型渗碳淬火生产线、底装料立式多用炉等不仅提高生产效率，并能提高碳势控制精度,改善质量，节省气氛,减少污染。
    新工艺方面，如根据淬火过程的非稳态热传导和相变热过程数学模型以及在合理边界条件下弹塑性变形规律，对钢件实施冷速大于30℃/s的强烈淬火，获得极高的表面残余压应力，可用低合金钢代替高合金钢或减轻零件的重量，可用淬火取代渗碳或显著缩短渗碳周期，不仅提高材料的力学性能，而且避免渗碳对环境的污染；采用磨削加热淬火代替感应和激光淬火；Atmoplas微波大气等离子技术可更精确地控制加热温度和达到更高温度，从而缩短工艺周期和减少能耗，也可渗碳；以高速脉动离子束在金属表层几微米厚度内实现快速熔化和凝固，提高其耐磨性和耐蚀性等的离子束表面热处理；集渗碳、化学气相沉积TiN重新奥氏体化气冷淬火复合热处理；具有纳米尺度的多层结构即“超结构”（ABS—Technology）的PVD涂层处理等都是提高零件耐磨性或耐蚀性的清洁热处理工艺。
    模型、模拟及软件等研发项目众多，其中热处理节能与环保的管理软件如Ssi Efficient Fuel System软件可以监控辐射管中的过剩氧，调节空气/燃料混合比，燃烧产物在高温下保持低的氧浓度，从而减少NOx排放。
    另外在新材料、新传感技术等方面还有许多研发项目，详见文献[8]。

4 防治热处理污染的战略和措施
4.1 防治热处理污染的思路和目标
4.1.1 防治热处理污染的思路
    热处理污染治理，必须避免走“先污染，后治理”的老路，遵循“预防为主，防治结合”的原则，从源头开始控制，使污染物尽可能不产生或少产生。
    清洁生产不仅强调对整个生产过程的控制，而且要对产品的整个生命周期（即从设计、制造直到销售、使用、报废的全过程）进行控制，也包括热处理与冶炼、铸造、锻造、焊接和冷加工等相关工种之间的协调配合。从“节能减排”出发，选择最佳的零件材料和合理的热处理技术要求，编制正确的热处理工艺，选用优良的热处理设备和辅材，做好热处理生产过程的全面质量管理，既要确保零件热处理后获得所需要的性能，又要降低能耗和减少生产过程中的污染，以达到保护环境的目的。热处理先进技术的研发首先要考虑清洁生产技术，通过技术创新，正确选用和使用生产物料，避免有害剩余物料的形成，达到节能减排的目标。
    对于不得而已产生的有害物质也必须有先进的无害化处理方法，使其达到国家规定的安全标准。
4.1.2 防治热处理污染的目标
    我国热处理行业“十一五”规划中提出的关于2020年节能和环保的目标是[9]：到2020年热处理平均能耗降低到400kW·h/t以下（目前热处理平均能耗约700kW·h/t）；2020年基本上杜绝热处理污染源，实现热处理的清洁生产。
    就上述两项节能和环保目标看，即使到2020年实现目标，但与发达国家相比差距仍然很大。
    美国目前热处理平均能耗估计为350～450kW·h/t,美国热处理路线图提出的目标是到2020年能耗减少80%，热处理能耗指标极低。上述我国到2020年热处理能耗目标相当于美国现在的能耗指标，这样，12年以后两国热处理平均能耗差距将会更大。又如到2020年治理的目标是“基本上杜绝热处理污染源”，这一目标不够确切，在今后执行和考核中会带来许多不确定因素。美国热处理路线图的公布，使广大热处理工作者获益匪浅，进一步认识到我国热处理技术与先进国家的差距以及热处理技术的发展方向，要缩小差距，建议进一步修订和完善我国的热处理发展规划，将发展目标逐步向世界先进水平靠拢。
    为实现上述目标，应开发热处理新技术，更新热处理设备，特别是到2020年连续热处理生产100%实现计算机程序控制，批量生产80%实现计算机精确控制。计算机模拟技术是提高设备的智能化、自动化程度和控制精度，提高产品质量，减少物料消耗，实现降低生产成本50%的同时，达到节能减排目的必备工具。
4.2 防治热处理污染的措施
4.2.1 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。
4.2.2 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”[10]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Houghton Durferrite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[11,12]，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[ 8]”，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[13] 由Hemsath Co.、Abar Ipesen Co.、Ipesen International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[14]  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[ 8, 15]。
    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。
直生式气氛渗碳炉采用天然气/空气系统作气源可明显节约气体的消耗量（见表2）。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%。

表2 不同渗碳炉采用吸热式气氛和天然气/空气直生式气氛渗碳时气体消耗量的比较[14]
Table 2 Gas consumptions during carburizing with endothermic atmosphere and natural
gas-air dire ctly-produced atmosphere in different furnaces[14]

炉  型 产 量 气体消耗
气体消耗 直生式气氛
周期式箱式炉TQF-4 330 kg/h 7m3/h吸热式气体+富化气 1m3/h天然气+空气
旋转式炉QDES-185 170 kg/h 15m3/h吸热式气体+富化气 1.5m3/h天然气+空气
网带式炉FDB-950-4-80-630GRR 淬火最大800 kg/h
渗碳最大560 kg/h 25m3/h吸热式气体+富化气 1.7m3/h天然气+空气
推杆式炉PP-106×35×16-24-G 淬火最大1500 kg/h 48m3/h吸热式气体+富化气 3.5m3/h天然气+空气


b 低压渗碳技术和设备  工件在900～1050℃，（0.1～0.3）×103Pa的炉中渗碳后高压气淬，
不仅提高渗碳质量，而且大大降低气体和能源的消耗,减少对环境的污染。
c 气氛回收技术系统[14]  气氛回收技术包括气氛安全输送和重新引入炉内，实时（显示）气体参数和各组分的监控，独立的气体分离和排放技术以及排除相应的气体杂质。由ARI公司
开发的气氛回收技术系统，能再生和重新利用90%以上的气氛气体。因此气氛回收技术的开发
和应用将为控制气氛技术进一步发展开辟广阔的道路。
d 气氛的检测技术和元件  不断改进和提高现有的碳（氮）势检测技术，提高传感器精度
和寿命，开发推广新型检测技术和元件，如控制渗氮和氮碳共渗的HydroNit（氢分压）探头和
二氧化锆固体电介质气体传感器，渗氮氧探头等，提高对气氛的控制精度，节约燃料气，减少
污染，改善环境。
e 根据产品的特点,合理选用新型热处理设备  工艺柔性好、气氛和温度控制精度高、自动
化程度高等先进的热处理设备,往往具有产品热处理质量好、生产效率高和能耗小、污染少的优
点。如密封箱式炉，包括通用型、多室型、高温型、燃气（辐射管）型和密封箱式炉（尤其是
预抽真空的密封箱式炉）生产线，新型推杆转底式气体渗碳淬火生产线等。
③ 等离子体热处理  真空条件下利用等离子体放电对材料表面进行不同处理的过程，称为
等离子体热处理。等离子体热处理主要有:等离子体化学热处理，如离子渗氮、离子氮碳共渗、
离子渗碳、离子碳氮共渗以及离子渗金属等均属高效、优质、节能和无烟雾、无废气污染的清
洁热处理技术。
④ 感应加热热处理  感应加热的特点是速度快，易控制,工件表面氧化、脱碳少，节约能
源，污染少（安装屏蔽设施，可以防止高频电磁辐射对人体的影响）。感应加热技术已在汽车、
机床等零件的热处理中获得广泛应用。感应加热技术是清洁热处理技术。
⑤ 表面纳米化技术[16]  对纯铁表面纳米化处理（喷丸）后，进行于300℃保温9h的常规
气体渗氮，获得高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性。采用纳米化技术升级改造传统热处理技术，达
到节能减排的显著效果。
⑥ 其他  激光束、电子束、离子束表面技术与表面改性技术（表面淬火、重熔、涂层）；金属镀层，如刷镀、热喷镀、离子镀渗等都是清洁的表面强化技术。
(4) 研发推广热处理计算机模拟与智能化技术是发展清洁热处理技术的不可或缺的现代化
工具  热处理全过程需要每一环节都做到有效控制，实现产品“零”缺陷，保证机械产品的精密、可靠、节能、环保和低成本。在传统热处理中，凭经验或孤立地应用某一学科的知识作定
性估计，以至工艺规范的编写和工艺要求的制订都存在不同程度的盲目性，导致产品质量不稳
定、使用寿命低、可靠性差、浪费材料、控制不当引起对环境污染等。热处理计算机模拟是对
热处理过程中工件内部组织性能变化进行工程分析的数字化技术，其优点在于能高效而又直观
地演示热处理时工件温度分布和应力场的变化，以及在不同的温度和应力的作用下材料组织结
构转变的全过程；能够反映热处理参数和实际生产过程中不同因素之间的相互作用及对工件组
织性能的影响规律，成为研发和优化热处理新技术，正确制订工艺方案和选择工艺参数的强有
力的辅助决策工具[ 17~19]。它是摆脱依赖于经验的“技艺型”状态，向知识密集型的工程技术转
化，实现跨越式发展的必由之路。
上世纪90年代和本世纪初，热加工的计算机模拟逐渐引起发达国家的企业界和政府的高度
重视，加大了投入的力度。例如上世纪90年代中期，美国国家制造科学中心组织了包括福特、
通用汽车、特灵屯轴承三家大企业并联合高校和国家实验室共12个单位开始了“渗碳热处理畸
变计算机模拟工具”的研究，课题投入的经费达2500万美元，预计通过减少热处理畸变以减少
随后的磨削加工量，可节约300亿美元的加工成本。本世纪初由美国能源部组织企业界、高校、
研究机构和学会制订了2020年美国热处理发展路线图，将信息技术应用于合金的均匀化—扩散
过程模拟、加热冷却时奥氏转变模拟、热处理工艺整体模型化和模拟、冲压过程的模拟以及焊
接热影响区的模拟等，热处理计算机模拟成为不可替代的现代化工具。欧盟联合日本计划开展热加工计算机模拟技术的研究，据悉经费达8亿欧元，并已形成由政府牵头，企业为主体，高
校和研究单位为技术支撑的局面。通过加大投入，基础研究与工程应用并举，将使热处理计算
机模拟在推动技术创新中发挥越来越大的作用，成为发达国家抢占制造业高端的重要手段。
我国许多大专院校和研究单位自上世纪80年代初以来，进行了热处理计算机模拟研究，在基础研究方面有相当高的水平，取得了不少研究成果[ 20~22 ]。如上海交通大学研制成功并已投产
供应市场的密封箱式炉渗碳计算机智能化技术、大模块淬火计算机智能化技术等为国内领先和
国际先进水平,并在热处理计算机模拟技术的基础研究和应用研究方面都已取得一定成效。
由于重“冷”轻“热”的现象长期存在以及热处理技术的特殊性，热处理信息技术发展缓
慢，生产应用更是举步维艰。当前我们必须更新观念，让更多人重视热处理计算机模拟和智能
化技术的开发，建立由政府推动、企业为主体、高校提供技术支撑的产学研结合机制，促进热
处理计算机模拟工程的迅速发展，提升制造业的创新能力和在热处理节能减排中发挥重要作用。(5) 热处理专业化规模化生产  热处理专业化、规模化生产是提高质量、充分利用能源、
减少环境污染、降低成本的先进的生产组织形式，国外已有成熟经验，通常是专业化程度高，生产规模化，技术先进，管理现代化，则业绩优良。发达国家热处理生产专业化程度已达到80%，而我国仅20%。据1996年中国热处理协会赴美考察报告，美国热处理专业厂有700家，劳动生
产率7.2万美元/人·年。日本热处理专业厂（包括热处理加工和设备制造兼营厂）730家，人
均年销售额约112万元人民币。与我国专业化生产发展较快的上海地区比较，2006年劳动生产
率超过50万人民币/人·年的厂仅占行业的3%，小于10万人民币/人·年的占57%。若同期相
比，差距更为悬殊。目前我国拥有热处理专业厂3000余家,数量为世界之最。其发展之快，有
些地区已处于失控状态。其中规模小，设备差,技术落后，管理水平低，生产效率低的占很大的
比例。不少经营者仅考虑近期经济利益，缺乏长远打算，资金投入不足，企业没有后劲。
我们认为生产专业化必须满足以下条件：①具备有一定水平的专业技术和生产管理人员，设备能适应现代工业发展的需要；②有严密的规章制度,如技术和工艺文件，严格的操作规范，科学的质量保证体系和监督机制，实行全面质量管理；③有必要的工艺研究手段，能进行与本
企业产品相关的工艺试验和研究。在国外，许多主机厂与热处理专业厂协作加工时，通常将整
套加工工艺提供给专业厂，甚至规定使用的设备。在加工过程中，主机厂委派专人抽查，专业
厂必须严格执行，才能得到认可。在国内，很少有这样的热处理专业厂，专业化只强调集中生
产，没有专业化生产的技术标准和科学的考核管理体系，忽视了技术的内涵，准入门槛极低，恶性竞争激烈。许多客户不重视产品质量，产品热处理后的验收标准也不能正确反映热处理质
量的优劣等诸多因素，导致热处理生产质量无保证，专业化生产存在不少弊端，必须进行整顿。
为使热处理专业化生产进入良性循环，建议有关部门加强管理，如国家的政策、法规要有利于
专业化生产的发展；对于不能保证热处理质量、单位能耗大、生产中污染物超标的企业应进行
整顿，甚至勒令关闭；对技术设备先进、管理健全的企业在税收、资金信贷等方面给予优惠等。
(6) 提高设备制造水平，为热处理生产提供清洁节能的热处理装备  随着我国改革开放的
深入，国外先进热处理设备的引进和消化，合资企业的建立和发展，热处理工艺装备水平很快
提高，为推广应用清洁热处理设备创造了良好的条件，如采用微机控制的真空热处理炉、密封
箱式炉及感应热处理设备等基本上立足于国内生产，供应市场。但又必须看到：①规模小、设
备简陋、技术力量薄弱、管理落后、制造低挡热处理设备的专业厂占了很大的比例。如被称为“电炉之乡”的浙江某地区，制造电炉的专业厂约60家，全年总销售额仅1亿多。一些作坊式
厂家生产的热处理设备层次低，环境保护考虑少，也没有明文规定的考核验收指标的约束。②
目前尚在使用的大量役龄较长的热处理设备的节能改造及污染治理任务很重，潜力很大，但很
少有人过问。③先进清洁热处理设备的研发和制造远不能满足热处理污染防治工作的需要。
要克服这些弊端，首先要尽快摆脱落后—引进—再落后—再引进，永远落后、永远被动的
局面[23]，提倡走自主创新制造绿色热处理设备的道路。国外（如韩国、日本等）设立“风险基
金”鼓励企业使用国内自主研发设备的积极性，产品一旦出现质量问题，可通过“风险基金”
补偿损失，风险小。同时国家采取一定措施限制重复引进，鼓励企业使用国内自主研发的设备。而我国许多企业购置国内产品一旦质量出现问题，无“风险基金”补偿，给企业造成很大损失，企业决策者缺乏积极性，宁愿以高价从国外引进，以减少风险责任，其结果是使我国的设备自
主研发工作进展缓慢，有时不得不依赖进口。因此，只有通过政策指导、法规约束、行业监督
和市场导向等诸多管理要素的结合，才能促进我国清洁热处理技术装备制造的迅速发展。
(7) 坚持产学研结合,提高新技术的开发能力和加快产业化进程  美国为实现2020年热处
理技术发展路线图的两项重要措施是建立热处理技术发展中心和鼓励、组织全行业参与研发工
作，国外的经验值得我们借鉴。近年来我国也有热处理研究中心相继成立，并已初见成效。如
上海交通大学和北京机电研究所组建的“中国机械联合会先进热处理与表面改性技术研究中心”、“江苏省热处理与表面改性工程技术研究中心”、中国热处理学会与广东顺德世创集团联合
创办的“热处理工程中心“等，在化学热处理智能控制技术、数字化清洁淬火技术、真空渗碳
技术、热处理油烟净化技术等清洁热处理技术开发方面已取得了可喜的成绩。
要开发清洁热处理技术，必须以基础理论研究作支撑。如上所述用真空渗碳和高压气淬技
术替代目前已被广泛应用的控制气氛渗碳技术，以进一步减少环境污染。但真空渗碳时控制渗
层碳浓度分布的技术尚未过关，阻碍了它的推广应用，这涉及到真空渗碳机制、碳的传输、界
面反应等一系列基础理论问题的研究。又如清洁冷却技术—高压气淬的均匀性问题；发展智能
淬火技术将涉及到流场与固体的耦合导热问题；清洁清洗技术涉及化学反应、热力学、动力学
及表面科学问题；废弃物、废气、废水的处理等都需要开展多学科交叉的基础研究，等等。国
家各有关部门应将防治热处理污染的高新技术的研发列为科研专项，给予科研经费。
筹集社会资金，发展民营股份制研究中心是加快清洁热处理技术发展的一项重要措施。实
行产学研结合的科研生产组织形式和提高企业自主创新的能力，调动各种积极因素，为迅速改
变我国热处理污染严重的落后状况而共同努力。
(8) 理顺管理体制，实现污染防治工作的全面和全过程管理  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；充分发挥学
会、协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，组织力量加强污染源的治
理和环保新技术的科研和推广；建立严密的监控制度。对一味追求经济利益，不重视环境保护，并形成对环境严重污染的企业、主要经营者给予严惩，并对失职的政府官员给予严肃处理，对
在环保工作中有突出贡献的单位和个人给予奖励。
5 结束语
热处理的重要性毋庸置疑，但如上所述，我国热处理的污染也是令人触目惊心的。在认真
贯彻“预防为主，防治结合”的热处理污染治理方针中，还必须强调，提高产品热处理质量仍
是实现低能耗和环境零污染的关键。热处理行业曾有句熟语“搞好热处理，零件一顶几”，在我
国热处理技术较落后的情况下，提高热处理产品质量，甚至可达到一顶十，一顶百的效果。如
我国生产的工模具、轴承、汽车等零件的使用寿命与先进工业国相比差距甚远，以高速钢刀具
为例，世界上制造业最发达的美国,高速钢年产量仅2.8万吨,而我国的制造业规模远小于美国，但高速钢年产量达8～9万吨，为美国的三倍，这就是说我国高速钢刀具的平均寿命还不到美国
的50%。热处理低质量必然导致高能耗和严重污染。从总体看，目前我国热处理水平还较落后,
通过提高热处理质量防治热处理污染的潜力巨大。
贯彻“预防为主,防治结合”的热处理污染治理方针必须学习国外的先进经验，结合我国国
情，提倡理念创新、科技创新和管理创新，以人为本，走中国特色的、产学研结合的自主创新
道路，在广大热处理工作者的努力下，防治热处理污染的战略目标定能实现。

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[23] 潘健生.对美国热处理路线图的意见和建议[J].热处理,2007,22(2):1-2.

dhzhou8888

《热处理污染防治战略探讨》发表在《热处理》2008年第4 期。

pdhjajj

分析得很好，保护环境很重要

zmjlxl888

分析的非常到位。