商殿佐　刘肇熙　尹红霞

关键词：热处理;能耗;污染;環境保护

第一次工业革命以后，工业生产的技术水平大幅提高，环境问题也随之而来。在没有脱硫技术的年代，大量使用未经脱硫的煤炭燃料引发了一系列环境问题，对地球生态造成了损害，环境治理迫在眉睫。随着人工智能的研发以及各领域的机械化、智能化，生产技术飞速发展，对各种材料的需求量日益增长。其中，金属材料的大量需求导致热处理工艺中的工业污染物产生量剧增。虽然国家对工业排放作出了严格的规定，但水污染、土壤污染、大气污染等环境问题依旧层出不穷。为了减少污染物的生成、降低污染物的排放量，要坚持不懈地从热处理工艺与设备方面寻找突破口。

1热处理工艺的能耗与污染

金属热处理是一类重要的机械加工工艺，是指对固态金属材料进行加热、保温、冷却，定向获得具有一定力学性能、物理性能以及其他化学性能的材料的热加工工艺。在热处理中有“四把火”，即正火、退火、淬火和回火，根据不同的加热温度、保温时间以及冷却速度，又演变出不同的热处理工艺，如亚温正火、球化退火、双液淬火、高温回火，但无论是何种工艺，在操作过程中均会伴随大量能耗和污染物的产生。

1.1热处理工艺的能耗

在热处理工艺中，通过加热、保温、冷却，在不改变材料外形以及整体化学成分的前提下，使材料内部的显微组织和表面化学成分发生变化，从而改变材料的各种性能。在此过程中，要将材料加热到临界温度以上，需要消耗大量的热能，而热能的来源首先是通过煤炭、柴油燃烧带动发电机发电或通过其他形式产生电能，然后将电能在炉内转化为热能，消耗的电能以及燃烧产生的二氧化碳等污染物很多。在热处理工艺中，主要的耗能工艺有整体热处理工艺和表面热处理工艺两类。整体热处理工艺是指退火、正火、淬火和回火，因为在上述过程中，通常要先将炉内温度加热到几千摄氏度，所以热处理的整体能耗相当高。日本的热处理工艺能耗统计显示[1]，正火的平均单位能耗为200kWh/t，平均热效率为78.4%;退火的平均单位能耗为356kWh/t，平均热效率为46.9%;淬火的平均单位能耗为255kWh/t，平均热效率为64.2%;回火的平均单位能耗为157kWh/t，平均热效率为61.1%。表面热处理的平均单位能耗更高，其中，渗氮工艺达391kWh/t，平均热效率仅为25.4%;渗碳工艺达936kWh/t，但平均热效率仅为24.7%。固溶处理工艺的平均能耗仅为167kWh/t，平均热效率达到79.4%，由此可见，整体热处理与表面热处理的能源消耗巨大。

1.2我国热处理工艺能耗与美国热处理工艺能耗对比

调查发现，我国许多热处理相关企业所用设备依旧是盐浴炉或普通箱式炉，而一些发达国家的热处理工艺已顺利过渡到智能化工艺阶段，智能化感应淬火闭环控制系统[2]的研发将热处理工艺推到了基本摆脱人工经验和人工操作的水平;真空渗碳技术和单件流动以及机加工同步热处理设备[2]的使用，使能源消耗量大大减少，这或许就是我国热效利用率远不及美国的原因之一。实验对比发现：在热处理工艺上，同样处理1t的工件，我国平均消耗电能约733kWh/t，而美国仅为400kWh/t[3]，由此可见，在我国的热处理工艺中，能源利用率的提升还有相当大的空间。

1.3热处理过程产生的污染物

由于热处理的工艺和环境不同，其所产生的污染物也会有所不同。热处理过程中产生的污染物一般可分为物理污染物和化学污染物两大类。

1.3.1碳钢加热过程的物理污染

在对碳钢进行奥氏体化的过程中，会产生一些物理污染，例如加热炉的燃烧器和压缩机等设备运行时会产生高分贝噪音，工人长期处于严重噪音环境下，会出现耳鸣甚至失聪的症状;各种加热炉运行时会产生巨大的热量和电磁辐射，人体长期处于高温热辐射和高频电磁场的环境下，会出现中枢神经系统失调。

热处理工艺最后的喷砂处理是用磨料对工件的表面进行切削和冲击，使工件表面得到清洁，并且改善机械性能，提高工件的抗疲劳性等。但在喷砂时，大量石英砂喷射到碳钢表面，伴随大量二氧化硅粉尘产生。二氧化硅虽是无毒物质，但当大量二氧化硅粉尘被吸入人体，由于无法被肺脏吸收也无法排出体外，只能在肺中沉积。大量二氧化硅在肺中沉积会随时间推移导致肺脏纤维化，无法正常吸收氧气，最终导致窒息。

1.3.2碳钢淬火加热阶段产生的化学污染物

对碳钢进行普通热处理时，在淬火加热过程中会产生大量油烟废气污染物，主要成分为碳及碳化物、非甲烷总烃、氮氧化物、烷烃、苯、二甲苯、咔唑[4]等化学成分。据测量所得数据，淬火后，车间空气中的总悬浮颗粒物（TotalSuspendedParticulate，TSP）浓度会增长113.6%，车间空气中的氮氧化物浓度会增长12.2%，车间空气中的非甲烷总烃浓度会增长288.9%[5]。油烟废气污染物会使热处理车间内烟雾弥漫，并且附着到设备上，形成积油，对设备造成腐蚀破坏，增加生产成本，还有可能引发生产事故。因为这些油烟废气带有刺激性气味，所以还会对生产线操作工的身心健康造成巨大影响。油烟废气污染物会通过人的呼吸系统和皮肤进入人体，随着人体内的血液循环，对各个肝脏器官造成损伤，其所含苯并芘类多环芳烃甚至会直接导致人体细胞发生癌变[6]。若将其排放到自然界中，在一定条件下会产生光化学烟雾，对大气造成二次污染。

1.3.3碳钢在盐浴炉中加热时产生的化学污染物

有些设备较为落后的热处理企业会采用盐浴炉对碳钢进行热处理，盐浴炉的工作原理主要是将熔融盐溶液当作加热介质，将碳钢浸入盐溶液内进行加热，通常会选用氯化钾、氯化钡、氰化钠、硝酸钾等盐类充当加热介质，因此，会产生大量熔融盐废渣，这些废渣中因为含有大量钡元素等重金属元素，所以会对水体和土壤造成严重污染，若长期积存于土壤中，被雨雪溶解时，一些重金属元素会随着地表水流入河流或地下水，从而对海洋造成污染，甚至会影响整个地球的水循环系统。还应注意的是，氯化钡作介质时，最高温度可以达到1300℃，在此高温下，氯化钡会大量蒸发到空气中;熔融硝盐在加热状态下与工件的油污会发生反应，产生大量棕色有毒气体。此外，还有许多产生有毒物质的反应会随着热处理发生。

1.3.4碳钢热处理冷却阶段产生的化学污染物

碳钢的奥氏体化加热阶段结束后的淬火等冷却工艺会产生含重金属且有腐蚀性的废水等。在淬火冷却过程中，若采取油冷的方式，因为体积较大的钢浸入淬火所用油的过程较为缓慢或者钢的质量和面积与冷却池容积的比例不协调等原因，与淬火所用油接触的瞬间，淬火所用油的表面温度过高，会产生剧烈燃烧。此时，在材料表面附着的残留碳会发生不充分燃烧，将大量一氧化碳排放至车间空气中。一氧化碳对环境的影响主要体现在对人体的影响上，一氧化碳进入人体后会迅速与血红蛋白结合，占用运输氧气的红细胞，使红细胞无法正常运输氧气，降低人体内血液与氧气的结合浓度，导致人体组织缺氧，严重时会导致人窒息。

2热处理工艺与环境保护

既然在热处理过程中有大量污染物产生，就会有相应的政策和措施来控制和减少污染物的产生与排放。许多个人和企业在如何降能降污的道路上进行探索，不仅研发出先进的设备，还对传统的热处理工艺进行了改良。

2.1解决热处理工艺能耗问题

在热处理过程中，能耗主要是燃料消耗和能动消耗，可以使用先进的加热炉型、合理控制热源、采用热料装炉工艺和余热回收技术来减少热处理工艺中的能耗问题。

2.1.1使用先进的加热炉型

停止使用已被淘汰的高耗電热处理设备，选用耗电量较小的先进设备，例如将燃气加热炉替换为使用数字化蓄热式高速脉冲燃烧器以及控制技术或是连续供给燃料的蓄热式脉冲燃烧以及控制技术，两者相比，高速脉冲燃烧器在高温热处理中的节能率比燃气加热炉高50.0%，在中温或低温热处理中的节能率比燃气加热炉高45.0%以上。

2.1.2合理控制热源

通常热处理工艺使用的燃料类型可分为固体、液体、气体以及粉末。其中，固体和粉末燃料通常以碳作为热源;液体燃料则使用柴油或者重油;气体燃料种类较多，包括天然气、石油气和煤气等。目前，大部分热处理厂采用天然气、重油或柴油，选用合适的加热燃料可以提升热效利用率。

2.1.3热料装炉工艺

加热体积较大的锻件工件时，采用热料装炉工艺是一种有效的节能措施。相比于冷料装炉工艺，热料装炉工艺的能耗可降低40.0%～45.0%，还可以大幅度缩短加热时间，提高生产效率。

2.1.4余热回收技术

余热回收技术是对热料炉中排出烟气的热量进行回收再利用，主要手段是通过预热器利用烟气余热加热助燃空气和气体燃料，以此减少热量散失，达到降低能耗的目标。

对高能耗的治理还可以从优化热处理工艺、改进生产设备、避免损耗或者降低清洁工艺的能源损耗等方面入手。例如在优化热处理工艺方面，可以从调整工艺参数、加速化学热处理、改变加热方式等方面展开思考;对于如何避免氧化损耗，可以考虑如何对热处理过程进行防腐蚀处理或减少腐蚀现象，尤其是针对孔蚀现象和电化学腐蚀现象的防治。

2.2化学污染物的处理

热处理过程产生的废气、废水以及废渣等，对环境造成的污染极大，不仅会影响地球的大气环境，还会影响地球的土壤环境，最终发展到影响人类的健康。根据习近平2005年8月在浙江湖州安吉考察时提出的科学论断，人们不仅要提高生产力、促进工业生产，还要保护绿水青山、蓝天白云，贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念。因此，人们要对工业废弃物进行严格处理。处理办法可以从提高设备的技术水平、改变加热方式、提高热效利用率以及杜绝使用高污染的盐浴炉等方面入手，合理净化热处理过程中产生的废气、废渣和废水等，还可以寻找更环保的淬火介质、燃烧燃料[4]以及清洗剂等，降低废气、废渣和废水的生成量。

2.2.1对设备进行改进创新

（1）从机器方面考虑，可以尝试将加热设备与冷却设备一体化，两种设备间用耐高温传送装置连接，实现加热到冷却阶段的送料过程自动化，并将冷却设备与废气收集装置相连，集中收集冷却阶段产生的废气。然后将碳完全燃烧产生的二氧化碳与其他废气分离并收集，依据碳中和理念，可将其作为助燃剂参与金属镁的热处理，并收集一氧化碳与镁燃烧产生的碳，其余废气可以借鉴哈一工具厂的处理方法进行吸收净化[7]。哈一工具厂采用一套通风系统收集废气，再采用CJT型号的盐雾吸收塔，使氢氧化钠溶液与盐雾中的有害污染物发生化学反应，生成难溶于水且无害的盐沉淀。哈一工具厂的设备使原本污染较重的车间环境彻头彻尾地改变，在各项环境指标中，有的甚至远低于国家标准。治理前，空气中的氯气质量浓度为28.69mg/m、氯化钡质量浓度为12.70mg/m、粉尘质量浓度为242.90mg/m;治理后，氯气质量浓度低至0.04mg/m、氯化钡质量浓度低至0.21mg/m、粉尘质量浓度低至59.50mg/m。由此可见，这套设备的净化效果极好。

（2）可以通过车间整体收集、电炉集气罩收集、油池侧面收集将油烟废气集入净化系统，净化系统主要由管道物化喷淋系统、湿式除尘系统以及油烟净化系统等组成，其中，油烟净化系统由初级除雾过滤、等离子静电吸附装置、催化氧化VOC段和消防灭火装置组成[5]。

（3）可以尝试使用双极静电式油烟净化器[8]或等离子油烟废气净化器[9]对油烟废气污染物进行净化阻隔。

2.2.2废渣的处理

对于热处理工艺中产生的废渣，可以尝试避免其在土壤中渗透扩散等。例如运用固化法对其进行体积压缩、阻止扩散等处理。对废渣的固化可以采用水泥、凝胶、沥青、塑料等具有凝结效果的材料，将凝结剂与废渣一同混合固化，然后填埋，使废渣被凝结剂包裹，达到阻止废渣中有害物质浸出、渗透到土壤中的目标。这样的处理方式具有稳定、无害的优点，但成本相对较高。

从化学反应方面考虑，可以将废渣收集并进行破碎，然后加水浸出，过滤后达标排放，将剩余浸出液进行二次处理，提取出可利用成分进行工业再生产[10]。

2.2.3废水的处理

对于废水的处理方式，推荐采用化学方法，通过加入化学药品，使其与废水中的污染成分发生化学反应，达到中和污染成分的效果。比较常见的化学处理方法有混凝沉淀方法、氧化还原方法以及离子膜交换方法[11]。

对呈酸性或碱性的废水，通常采用中和方法进行处理。酸性废水采用碱性溶液或碱性废水等进行中和处理，例如向酸性废水中添加石灰、石灰石、氢氧化钠、碳酸钠等，在使用时要避免酸与人体皮肤直接接触。对碱性废水同样可以采用酸性溶液或酸性废水进行中和，还可以使用烟道气中产生的二氧化硫等酸性化学物质进行中和处理。在中和过程中，要充分搅拌，使反应正向进行。用氧化还原方法不仅可以去除污染元素，还可以达到除臭、褪色、杀菌消毒等目的。

向废水中加入氯气、臭氧、次氯化钠等具有氧化性的氧化剂，或者加入铁屑、硼氢化钠、亚硫酸氢钠等具有还原性的还原剂，可以将废水通过氧化还原方法进行净化。例如用化学氧化法处理废水是向废水中大量添加过氧化氢、二氧化硫等物质，使水中的氯化钡发生氧化还原反应，生成硫酸钡沉淀与盐酸，达到除去钡元素的目的。

吸附方法处理废水分为物理吸附和化学吸附两类，主要原理是利用活性炭等可作为吸附剂的材料的吸附性，对废水中的吸附质进行吸附，从而将这些吸附质回收处理，达到净化废水的目的。物理吸附与化学吸附的区别在于，物理吸附不具有选择性，是一个放热的过程;化学吸附则与之相反，是一个吸热的过程并且具有选择性，温度越高，吸附效果就越明显。

3结语

随着时代的发展，我国的生产力水平正稳步上升，人们要守护祖国的绿水青山。对热处理过程中产生的能耗和污染物问题，从对环境和对人体的损害两方面进行解释，并从合理排放、污染物处理和二次循环利用的角度对其提出治理办法，希望能为绿色工业的研究提供一定的帮助。