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機(jī)械制造熱處理節(jié)能面臨問(wèn)題及改善措施論文
熱處理是機(jī)械制造必不可缺的一道工藝,尤其是對(duì)鋼鐵等金屬材料的熱處理是現(xiàn)代制造技術(shù)的關(guān)鍵所在,主要作用是通過(guò)加熱、保溫和冷卻三個(gè)過(guò)程使材料的強(qiáng)塑性得以提高。由于在這三個(gè)過(guò)程中要使材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,因而熱處理三道工序能耗較大。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示,我國(guó)目前熱處理電阻爐的總?cè)萘枯^歐盟相比要高出50萬(wàn)kw,但產(chǎn)值卻遠(yuǎn)不及歐盟。由此可見(jiàn),優(yōu)化制造工業(yè)中熱處理節(jié)能業(yè)已成為當(dāng)前熱處理工藝不可忽視的重要工作。
一、我國(guó)熱處理生產(chǎn)現(xiàn)狀
。ㄒ唬崽幚砟芎囊(guī)模
熱處理作為機(jī)械制造必不可少的重要工藝,是機(jī)械制造行業(yè)中生產(chǎn)規(guī)模較大的產(chǎn)業(yè)。截至“十一五”期末調(diào)查結(jié)果顯示,我國(guó)共有各類熱處理相關(guān)生產(chǎn)廠、車間約18000家,實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量1500萬(wàn)kW,年生產(chǎn)能力突破4500萬(wàn)噸,同時(shí)年耗總量也高達(dá)230億度,約占我國(guó)機(jī)械制造業(yè)年消耗總電量的三分之一,由此可見(jiàn),熱處理能耗高是我國(guó)機(jī)械制造業(yè)較為突出的特點(diǎn),而且具有極大的節(jié)能降耗空間和潛力。
(二)熱處理主要污染物類型及來(lái)源
熱處理不僅是我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中的耗能大戶,還是環(huán)境污染大戶。同樣根據(jù)“十一五”期末的有關(guān)調(diào)查顯示,目前我國(guó)是世界第二耗能大戶,年能耗約為14.2億噸標(biāo)煤,尤其是單位產(chǎn)品能耗較發(fā)達(dá)國(guó)家高出20%~60%,這說(shuō)明我國(guó)熱處理效率水平不高,熱處理過(guò)程中能耗損失較大,因而產(chǎn)生的環(huán)境污染物業(yè)相對(duì)更高一些,而這些污染物主要來(lái)源于加熱、淬火冷卻、表面處理三大工序,已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類健康和社會(huì)環(huán)境。
二、我國(guó)熱處理節(jié)能面臨的最主要問(wèn)題
從我國(guó)熱處理生產(chǎn)現(xiàn)狀中可以得知,高能耗和重污染已經(jīng)成為我國(guó)熱處理的突出特點(diǎn),而且也是我國(guó)熱處理節(jié)能需要解決的兩大難題。其歸根結(jié)底是由于我國(guó)熱處理技術(shù)水平不高所造成的,突出表現(xiàn)為如下兩點(diǎn):
。ㄒ唬崽幚碓O(shè)備能耗大,能源利用率低
目前我國(guó)熱處理設(shè)備升級(jí)換代速度較慢,30年間我國(guó)熱處理單位能耗僅下降了600 kW·h/t,降至1000 kW·h/t的平均水平,其中大中型企業(yè)節(jié)能效果稍好一些,基本控制在500~800 kW·h/t,但較發(fā)達(dá)國(guó)家300~450 kW·h/t的平均單位能耗相比仍有不小差距,約為發(fā)達(dá)國(guó)家的2~3倍。
。ǘ┥贌o(wú)氧化熱處理設(shè)備應(yīng)用率低,污染和資源浪費(fèi)嚴(yán)重
不僅如此,由于設(shè)備更新?lián)Q代速度較慢,我國(guó)目前無(wú)氧化熱處理設(shè)備應(yīng)用沒(méi)有普及。截至“十一五”期末,我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)少無(wú)氧化熱處理設(shè)備應(yīng)用率僅為30%,而制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家少無(wú)氧化熱處理應(yīng)用率則高達(dá)80%~90%。由此可見(jiàn),我國(guó)熱處理工藝仍以燃燒加熱為主,致使燃燒所產(chǎn)生的碳黑、煙塵以及大量的CO2、殘氨等廢氣造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。此外,通常熱處理燃燒造成的金屬氧化燒損約為金屬本體重量的3%,加上鋼材表面脫碳處理所浪費(fèi)掉的鋼材,每年超過(guò)百萬(wàn)噸,造成了極大的浪費(fèi)。
三、優(yōu)化熱處理節(jié)能的措施
盡管造成我國(guó)熱處理高能耗、重污染主要是由于技術(shù)水平所引起的,但是筆者認(rèn)為優(yōu)化熱處理節(jié)能并不單單限于提高技術(shù)水平,還需要提高企業(yè)管理能力。
。ㄒ唬﹥(yōu)化熱處理節(jié)能的管理措施
管理是企業(yè)發(fā)展的根本,更是技術(shù)革新的基礎(chǔ)。如果管理不到位,那么即使有再先進(jìn)的技術(shù)和工藝,也會(huì)因人為操作因素導(dǎo)致技術(shù)水平不能得到全部發(fā)揮。而優(yōu)化熱處理節(jié)能的管理首要工作就是要建立完善的節(jié)能體系,制定現(xiàn)代熱處理企業(yè)制度、生產(chǎn)管理制度、橫班效益考核等制度,做到有“法”可依,既能夠通過(guò)嚴(yán)格控制熱平衡參數(shù)等熱處理操作來(lái)控制能源消耗流向,又能夠通過(guò)考核獎(jiǎng)懲措施調(diào)動(dòng)員工節(jié)能降耗的積極性。此外,還要舉辦以節(jié)約電、煤、氣、水和油為主旨的“五小成果”技改活動(dòng),對(duì)做出貢獻(xiàn)的員工給予精神和物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì),鼓勵(lì)員工就進(jìn)行科技革新。
。ǘ⿷(yīng)用新技術(shù)和新能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗
1. 應(yīng)用新能源,使用清潔能源作為燃料
鑒于目前我國(guó)仍以燃燒作為熱處理加熱的主要方式并且短期內(nèi)難以改變的現(xiàn)狀。應(yīng)當(dāng)盡量在燃燒過(guò)程中應(yīng)用清潔能源作為燃料,以新能源代替污染較大的煤燃料;诖,可考慮選用天然氣作為燃料,在通常技術(shù)條件下,其熱效率可達(dá)50.5%,較煤電熱效率高出近1倍。熱處理爐除直接燃燒可獲得至少30%的熱效率外,煙道氣廢熱還可用于預(yù)熱燃燒,空氣、回火爐的加熱、清洗液和淬火油的加熱以及其他生活用途,使絕對(duì)的熱利用率可達(dá)到80%以上,具有節(jié)能環(huán)保雙重優(yōu)勢(shì)。
2.加強(qiáng)科技研發(fā),試驗(yàn)和推廣節(jié)能新設(shè)備和新工藝
開(kāi)發(fā)新工藝加強(qiáng)熱處理節(jié)能理論的研究,試驗(yàn)和推廣節(jié)能新設(shè)備和新工藝,盡量采用節(jié)能新技術(shù)。同時(shí)還必須估量實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的代價(jià).即要綜合考慮以下幾方面的因素:(l)從零件和整機(jī)的實(shí)際工作條件出發(fā),制定合理的熱處理工藝。技術(shù)要求該高的就高,不該高的不要盲目求高,工藝要和零件的功能、重要性密切結(jié)合;(2)根據(jù)具體零件和材料,盡量選用先進(jìn)的熱處理技術(shù),提升少無(wú)氧化加熱設(shè)備的應(yīng)用率,以獲得優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高效率的經(jīng)濟(jì)效果,并充分挖掘材料性能特點(diǎn)。
3.采用新技術(shù)改善熱處理生產(chǎn)環(huán)境
從上文分析可知,目前我國(guó)熱處理加熱仍然采取燃燒的方式,并用油冷的方式進(jìn)行換熱冷卻,對(duì)環(huán)境造成了巨大污染,需要采用清潔、節(jié)能的熱處理技術(shù)加以替代。目前可采用的新技術(shù)有如下幾種。
。1)真空加熱處理技術(shù)
真空加熱是一種在低于或者等于10-5負(fù)壓空間內(nèi)對(duì)熱處理件加熱的方法。采取真空加熱技術(shù)既能夠避免燃燒給熱處理件帶來(lái)的氧化和脫碳,又能夠在真空滲碳或碳氮共滲以后進(jìn)行高壓氣淬,進(jìn)而使熱處理加熱效率和性能都得到提升。據(jù)調(diào)查,目前發(fā)達(dá)國(guó)家真空熱處理技術(shù)應(yīng)用率可達(dá)20%左右,而我國(guó)還不足5%,因而提升真空熱處理技術(shù)的使用率是當(dāng)前改善熱處理效率的重要途徑之一。
。2)離子滲氮和離子滲碳技術(shù)
離子滲氮和離子滲碳是將置于低壓容器內(nèi)的工件在輝光放電的作用下,帶電粒子轟擊工件表面,使其溫度升高,實(shí)現(xiàn)所需原子滲人表層的化學(xué)熱處理方法。與常規(guī)的化學(xué)熱處理相比,特點(diǎn)是滲速快、工件變形小、易控制,熱效率高、節(jié)約能源,而且無(wú)煙霧、廢氣污染。
。3)感應(yīng)加熱熱處理技術(shù)
感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的原理,使工件表面產(chǎn)生渦流而被加熱。其特點(diǎn)是加熱速度快、易控制、工件表面氧化和脫碳少、節(jié)約能源、污染少。
。4)激光束、電子束、離子束表面技術(shù)
該技術(shù)主要包括表面淬火、重熔、涂層,主要依靠高能束對(duì)熱處理件表面進(jìn)行快速加熱進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱處理,較燃燒加熱相比該技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生煙塵等污染,是一種十分清潔環(huán)保的技術(shù)。
。5)熱處理的CAD技術(shù)
當(dāng)今時(shí)代已經(jīng)進(jìn)入到信息時(shí)代,隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展,利用現(xiàn)代化信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱處理節(jié)能也原來(lái)越被廣泛應(yīng)用。CAD技術(shù)就是其中一種,它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬熱處理工藝流程來(lái)控制淬火劑和淬火方法的使用,實(shí)現(xiàn)二者最優(yōu)化配置,加快滲碳過(guò)程,減少?gòu)U氣排放量。不僅如此,智能CAD技術(shù)還可以利用不斷開(kāi)發(fā)的先進(jìn)計(jì)算方法例如三維溫度場(chǎng)等來(lái)回收利用熱處理的余熱,減少能量的損耗,是綠色節(jié)能和清潔生產(chǎn)的重要技術(shù)。
總而言之,改善我國(guó)目前熱處理能耗高、污染重的現(xiàn)狀,就必須從優(yōu)化節(jié)能管理和應(yīng)用新技術(shù)、新能源兩大方面入手,在規(guī)范、嚴(yán)格管理的基礎(chǔ)上采取各項(xiàng)技術(shù)措施,才能有效提升熱處理節(jié)能水平。
參考文獻(xiàn)
[1]廖波,肖福仁.熱處理節(jié)能與環(huán)保技術(shù)進(jìn)展[J].金屬熱處理,2009年第01期
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