鋼鐵熱處理工藝及其污染分析

1、鋼鐵熱處理工藝及其污染分析我國機(jī)械制造業(yè)鋼鐵消耗總量的40%以上要進(jìn)行熱處理。熱處理是高耗電行業(yè)，其用電量約占機(jī)械制造業(yè)總用電量的25%30%。同時(shí)，熱處理又帶來了十分嚴(yán)重的環(huán)境污染問題：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年排放的污染物中，約有5000t淬火油因蒸發(fā)或局部燃燒成為CH化合物、CO及煙塵；鹽浴爐生成鹽蒸氣7000t以上；燃煤爐窯排放SO2約15000t；噴砂處理產(chǎn)生SiO2等粉塵10000t以上；約9000t廢淬火油因排放不當(dāng)而污染水質(zhì)；有害廢渣約10000t；爐窯灰渣約85000t.這些污染物中包括劇毒的氰化物、鉛煙塵、BaCl2及亞硝酸鹽煙塵與渣、廢礦物油等危險(xiǎn)廢物?？梢姛崽幚硇袠I(yè)的節(jié)能減排任

2、重而道遠(yuǎn)。熱處理污染是由其特定的工藝造成的。熱處理工藝不改變零件的外形和幾何尺寸，改變的是零件鋼鐵材料內(nèi)部的晶粒組織及由此帶來的機(jī)械性能的變化。鋼鐵材料經(jīng)軋制、鑄造、鍛造、焊接后，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，表面硬度增大，給金屬切削帶來困難、易產(chǎn)生變形。為消除內(nèi)應(yīng)力、降低表面硬度，需要對其進(jìn)行“退火”處理。而為了使零件具有很高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、抗腐蝕性與很好的彈性、很好的綜合機(jī)械性能，需要對其作“淬火”、“正火”、“回火”處理及“化學(xué)熱處理”。這些鋼鐵熱處理的工藝過程，一般都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成的。但是，由于熱源的不同、熱處理設(shè)備的不同、熱處理介質(zhì)的不同、處理速度與處理時(shí)間的不同，產(chǎn)生的

3、污染物不同，污染物產(chǎn)生的量也不同。還要注意，一些零件熱處理后要做表面清理（噴砂、拋丸等），也要產(chǎn)生相應(yīng)的污染。1  加熱與保溫：1.1  熱源及加熱設(shè)備1.1.1  電加熱.電阻爐：有箱式電爐、臺車式電爐、井式電爐、電極式電爐與埋入式電爐（各類浴爐主要是鹽浴爐），為周期性電阻爐，用于各類熱處理工藝的加熱。推桿爐、振底爐、網(wǎng)帶爐等，為連續(xù)性電阻爐，用于可控氣氛熱處理與化學(xué)熱處理工藝。 箱式爐、臺車爐、井式爐的加熱介質(zhì)為空氣，工件加熱過程表皮會氧化、脫碳，產(chǎn)生氧化皮固廢。鹽浴爐與可控氣氛爐的加熱介質(zhì)為浴鹽與無氧的氣氛，不易產(chǎn)生氧化、脫碳，但有氯化鋇或亞硝酸鹽

4、污染。.電磁感應(yīng)加熱：有高頻（100500kHz）、中頻（晶閘管變頻式0.188kHz、發(fā)電機(jī)式0.510kHz）與工頻（50Hz）三類，用于表面淬火。高頻淬火會產(chǎn)生電磁污染。1.1.2  燃料加熱：包括燃煤、燃油、燃?xì)獾取?燃煤含塊煤、散煤、煤粉、焦炭及型煤等固體燃料。燃燒裝置有固定爐排、往復(fù)爐排等。多用于大型退火爐、固體滲碳爐及一般熱處理。點(diǎn)火時(shí)黑煙滾滾，煙塵黑度超標(biāo)。運(yùn)行時(shí)煙塵、SO2的排放、爐渣的排放與鍋爐類似。工件氧化、脫碳較嚴(yán)重。.燃油含重油、柴油及渣油等液體燃料。很少使用。.燃?xì)夂簹?、?乙炔、天然氣、石油液化氣等氣體燃料。許多熱處理爐為燃?xì)鉅t。也有用于表面淬火的。要

5、注意燃?xì)獾暮蛄考癝O2的排放。工件有氧化皮產(chǎn)生。上述加熱過程，隨加熱速度、最高加熱溫度的不同，污染物的排放濃度與排放量不同，與前者成反比，與后者成正比。1.2  保溫：對燃料爐，該階段處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。對固體燃料爐，只要不打開爐門加燃料，一般不冒黑煙。污染物的排放濃度不變，而排放量與保溫時(shí)間成正比。2   冷卻：這是最值得關(guān)注的階段。經(jīng)加熱、保溫后的工件，要得到要求的硬度和力學(xué)性能，必須選擇合理的冷卻方式和冷卻方法冷卻速度及冷卻介質(zhì)。2.1  退火：包括完全退火、不完全退火、低溫退火，這三者主要為消除應(yīng)力、降低硬度；還有球化退火、等溫退火，以細(xì)化晶粒為

6、主。不管哪種退火，區(qū)別在于加熱溫度不同，而冷卻方式均為隨爐冷卻即達(dá)到保溫時(shí)間后，停止加熱，工件在加熱爐中隨爐溫的降低而慢慢冷卻下來。這顯然是一種“緩慢冷卻”。工件出爐溫度約為 150200。2.2  正火：與退火的區(qū)別在于其加熱溫度更高，而冷卻方式是隨爐冷卻到500600時(shí)，工件出爐在空氣中冷卻或進(jìn)行風(fēng)冷、噴霧冷卻。其冷卻速度當(dāng)然比退火要快。退火、正火要脫落大量氧化皮。2.3  淬火：屬于“快速冷卻”，可大大提高鋼材的硬度。其冷卻速度取決于淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)有固體、液體與氣體，常用的是液體淬火劑，如：水（自來水、蒸餾水）、水溶液（鹽水、堿溶液、肥皂水、高錳酸鉀水溶液）、油（

7、礦物油、植物油）及鹽、堿、硝鹽等。不同的淬火介質(zhì)產(chǎn)生的污染物截然不同。2.3.1  水淬：冷卻速度甚快。易造成工件變形、開裂。除氧化皮外沒什么污染。2.3.2  水溶液淬火：.鹽水：515%NaCl水溶液淬火，工件變形、開裂傾向比水淬減少。.堿溶液：515%NaOH水溶液淬火，工件變形小、開裂傾向低。上述水溶液淬火會產(chǎn)生水污染。2.3.3  礦物油：這是碳鋼、合金鋼最常用的淬火劑。包括機(jī)械油（7號、10號、20號機(jī)械油，0號輕柴油）、普通淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等溫分級淬火油等。油淬時(shí)，要產(chǎn)生油煙。淬火油在使用中由于熱分解和氧化會導(dǎo)致老化，達(dá)不到應(yīng)有的淬火

8、要求。老化報(bào)廢的淬火油屬于危險(xiǎn)廢物。2.3.4  鹽?。塞}浴、硝鹽?。?、堿浴與鹽堿混合浴：.鹽?。褐嘎然}(BaCl2、NaCl、KCl）、硝鹽（NaNO3、NaNO2、KNO3、KNO2）熔液淬火（熔液熔點(diǎn)5005600C）。如：（75%BaCl2+25%NaCl）、（30%KCl+20%NaCl+50%BaCl2）、（37%NaCl+41%KCl+22%BaCl2）熔液及單一硝鹽或各種配比多種硝鹽熔液淬火（熔液熔點(diǎn)100337）。用于合金工具鋼和模具鋼淬火。工件變形小、硬度高、不開裂。.堿?。喝纾?5%KOH+35%NaOH，熔點(diǎn)155）、（80%KOH+20%NaOH，另加3

9、%H2O，熔點(diǎn)1300C）、（84% KOH +14% NaOH +23%H2O，熔點(diǎn)140）。冷卻速度高，淬火后碳鋼工件表面呈銀灰色，潔凈。. 硝鹽、堿混合?。焊鞣N配比的NaNO3、NaNO2與KOH、 NaOH及H2O的混合熔液，熔點(diǎn)140270。用作要求變形小、形狀復(fù)雜的工模具鋼的淬火介質(zhì)。上述淬火介質(zhì)會產(chǎn)生相應(yīng)的鹽、堿污染。3  其它熱處理：如“鉛浴”、化學(xué)熱處理等3.1  鉛?。河糜谥懈咛间撲摻z冷拔產(chǎn)生的冷作硬化退火。等溫索氏體化處理介質(zhì)溫度為450600，有大量鉛蒸氣污染。3.2  化學(xué)熱處理：包括滲碳、滲氮、氮碳共滲、硫氮碳共滲、滲鉻、滲鋁、滲硼、滲

10、硅及硼鋁共滲等。3.2.1  滲碳;.固體滲碳：滲碳劑一般采用柞木等木炭（粒度為微粒及320mm），再配以催滲劑。將工件埋入裝有滲碳劑的滲箱中，箱蓋用耐火泥密封，然后置于熱處理爐中加熱，當(dāng)；爐溫升到800850，保溫約23h，再繼續(xù)加熱到900950,保溫一定時(shí)間（滲碳層厚從小于1mm到幾十mm）后淬火。.氣態(tài)滲碳：滲碳劑一般選用煤油、醇或苯。滲碳溫度一般控制在900950。滲碳速度一般為0.20mm/h。滲碳劑滴注入滲碳爐后裂解生成活性碳原子，滲入工件表層形成滲碳層，再去淬火。氣態(tài)滲碳爐排氣含有CO，應(yīng)予點(diǎn)燃處理。在低于一個(gè)大氣壓的條件下進(jìn)行氣體滲碳的工藝稱為真空滲碳。通常以高純度

11、的富化氣（丙烷、甲烷或乙炔等）和稀釋氣（N2、H2等）直接通入真空爐內(nèi)進(jìn)行滲碳。真空滲碳易產(chǎn)生炭黑。.離子滲碳：在低于一個(gè)大氣壓的滲碳?xì)夥罩?，利用工件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的的輝光放電進(jìn)行滲碳的工藝。以CH4、H2作離子滲碳?xì)怏w。無污染。3.2.2  滲氮：一般為最終表面處理，不再作其他熱處理。.氣體滲氮：滲氮?jiǎng)榘?。液氨滴注入滲氮爐，氨氣在滲氮溫度下分解出活性氮原子滲入工件表層。氨分解率與滲氮溫度成正比。通常滲氮溫度在480520為宜。氨分解率在2540%左右時(shí)活性氮原子多。未分解的氨氣及分解出的H2排出滲氮爐。一般滲氮速度在0.01mm/h。滲氮時(shí)間與滲氮溫度、滲氮層厚度及工件化

12、學(xué)成分等有關(guān)。對不銹鋼零件作抗磨氮化，滲氮層厚度在0.080.26mm。對碳鋼、低合金鋼及鑄鐵作抗蝕氮化，滲氮層為0.0150.080mm的致密的化學(xué)穩(wěn)定性高的高氮相。. 離子滲氮：在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?，利用工件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的的輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。以NH3、N2+H2作離子滲碳?xì)怏w。無污染。3.2.3  氮碳共滲：.氣體氮碳共滲（氣體軟氮化）：共滲溫度在500650。保溫時(shí)間24h。常用滲劑為氨與烷（C3H8）或醇（C2H5OH）、CO2等。當(dāng)為氨與吸熱式氣氛或放熱式氣氛時(shí)，所排廢氣中含劇毒HCN，且前者排放濃度會高達(dá)75500mg/m3，遠(yuǎn)高于0.3 mg/m

13、3的排放標(biāo)準(zhǔn)。.浴鹽氮碳共滲：共滲溫度在520590。保溫時(shí)間10min3h。浴鹽有多種，目前應(yīng)用較廣的共滲浴鹽是TF-1基鹽、REGJ-1再生鹽、J-2U基鹽、J-2A基鹽補(bǔ)加鹽、Z-1再生鹽。這些浴鹽使用中CN-低于34%，屬于低氰鹽，工件共滲后經(jīng)氧化鹽浴冷卻，CN-轉(zhuǎn)變?yōu)镃O3-   -從而實(shí)現(xiàn)無污染作業(yè)。NS鹽等浴鹽氮碳共滲則會產(chǎn)生劇毒氰鹽污染。.離子氮碳共滲：以離子滲氮介質(zhì)為基并添加滲碳?xì)夥眨ㄈ缫掖?、甲醇、丙酮、二氧化碳、丙烷等）作氮碳共滲劑。共滲溫度在550590。無污染。3.2.4  滲金屬、非金屬及金屬與非金屬共滲：有滲鋁、滲鋅、滲鉻、滲硼、滲硅及

14、硼鋁共滲、硼鋯共滲、碳硼復(fù)合滲等。是將鋼及合金工件在相應(yīng)滲劑中加熱到一定溫度，再保溫一定時(shí)間，使相應(yīng)金屬、非金屬元素?cái)U(kuò)散滲入表層的化學(xué)熱處理工藝。有“粉末法”、“料漿法”、“氣體法”、“噴涂熱擴(kuò)散法”及“熔鹽法”、“ 熔鹽電解法”、“真空法”、“流態(tài)床法”等。近年“輝光離子滲”技術(shù)發(fā)展很快?；緹o污染。4  工件熱處理后表面清理：工件經(jīng)普通熱處理后，其表面大多存在氧化皮、鹽渣、油或污物、銹跡等及其它需要清理的問題。常采用噴砂或拋丸進(jìn)行清理。4.1  噴砂：石英砂粒直徑為12mm。動(dòng)力為0.30.6MPa的壓縮空氣。無泥石英砂高速噴射向工件清理其表面。噴砂時(shí)會產(chǎn)生大量粉塵，經(jīng)

15、布袋除塵器處理后排放。4.2  拋丸：拋丸材料為0.5的玻璃丸（硬度4650HRC）或0.32的鑄鐵丸（其含碳量為0.81.2%、含錳量為0.61.2%,硬度 5862HRC）與0.52的鑄鋼丸(硬度43HRC).長度與直徑相同的鋼絲（0.61.2，含碳量為0.7%，硬度47HRC）也常用到。拋丸產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)布袋除塵器處理后排放。5  先進(jìn)熱處理技術(shù)5.1  我國熱處理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)達(dá)國家的差距目前我國的熱處理生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀為生產(chǎn)設(shè)備與世界先進(jìn)水平有2030年的差距。專業(yè)化熱處理廠數(shù)目與美國相比相差35倍，生產(chǎn)效率比美國低26倍，設(shè)備利用率僅為30%電耗卻高于美國4

16、0%，其電耗平均每噸比日本和歐美要多23倍。由于生產(chǎn)設(shè)備和規(guī)模落后（全國熱處理企業(yè)的設(shè)備80%以上是40年以上役齡，而且大都是箱式、井式、鹽浴爐老三樣），我國熱處理生產(chǎn)耗能巨大、污染嚴(yán)重而利潤僅為美國的 1/30，年?duì)I業(yè)額僅為美國的1/25。事實(shí)上美國又提出了更高的熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)：到2020年，比2004年能耗降低80%，工藝周期縮短 50%，生產(chǎn)成本降低75%，熱處理對環(huán)境的影響為零。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，提出了16項(xiàng)值得重視的研發(fā)項(xiàng)目和70余項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，并成立了“熱處理高新技術(shù)中心”和“熱加工技術(shù)中心”。這樣，已存在的差距還會進(jìn)一步加大。5.2  我國熱處理發(fā)展方向：我國熱處理行業(yè)許多專家針對以上問題，提出了降低物耗、能耗與污染的目標(biāo)和方法。其中重點(diǎn)是降低物耗、能耗。在直接降低污染方面的措施有：.少無氧化技術(shù)：發(fā)展和推廣密封多用熱處理爐、連續(xù)滲碳淬火爐、真空爐、感應(yīng)加熱取代鹽浴爐加熱等。.新型淬火介質(zhì)：采用有機(jī)物和無機(jī)物等配制而成的水溶性聚合物淬火介質(zhì)以及淬火油添加劑。.熱處理清潔生產(chǎn)：從清潔生產(chǎn)的觀點(diǎn)出發(fā)。在熱處理生產(chǎn)中必須選用清潔的能源和設(shè)備、清潔的工藝材料，采用清潔的工藝和