熱處理節能

1.1 能源利用率與能耗

1.1.1 能源利用率 

熱能在加熱工件的過程中，有多少熱能是施加到工件上並被吸收，有多少熱能是在加熱過程中損失掉了。通常稱前者為有效熱，後者為熱損失。有效熱與投入的總能量之比稱熱效率。有效的與投入的總量之比稱能源利用率。節能的本質就是提高能源利用率。

1.1.2 能耗 

能耗是一個綜合能量消耗指標，也是衡量所用工藝及設備先進程度的指標，在工藝設計中也常作為估算能量需要量的依據，它是節能最直接、最重要的指標。例如：表1 ~表5 為我國各種爐型能耗分等標準。表6 列出了日本各種熱處理工藝實測的平均熱效率及單位電能消耗，可供對比。

▼表1 箱式爐、臺車爐能耗分等標準（JB/T50162-1999)

▼表2 井式爐能耗分等標準（JB/T50163-1999）

▼表3 電熱浴爐能耗分等標準（JB/T50164-1999）

爐可比單耗分等標準（IB/T50183-1999）

1.2 熱效率與加熱次數

1.2.1 熱效率 

熱效率是指加熱設備在一定溫度下滿負荷工作時，加熱工件所需的有效熱量與

總消耗熱量的百分比。通常按熱平衡法計算熱效率。熱效率主要用于衡量設備有效利用能源的狀況，反映設備的先進程度。表7 為幾種熱處理電阻爐的熱效率。

▼表7 幾種類型熱處理電阻爐的熱效率

1.2.2 加熱次數 

加熱次數是指一個產品從原料到成品的加工過程中，需經幾次加熱才能完成。減少產品加熱次數是製造產品過程中節能的重要方向。由於鍛造、鑄造等成形技術的發展，以及熱處理與前後工序銜接技術的進步，可使產品的加熱次數顯著地減少。例如鍛造餘熱調質，形變熱處理等。

1.3 設備負荷率與設備利用率

1.3.1 設備負荷率 

設備負荷率為設備裝爐量佔設備額定生產量的比例，通常以實際裝爐量和

額定裝爐量的百分比來表示。

1.2.2 設備利用率 

設備利用率是指加熱設備年實際開工日數與規定的年工作日數的百分比。熱處理的能耗隨設備利用率的下降而增大，如圖1 所示。

▲圖1 熱處理能耗與設備利用率的關係

1.4 生產率與產品質量

1.4.1生產率 

生產率是指設備在單位時間內可完成的生產量。生產率高會帶來好的節能效果。能夠最大限度地綜合利用能源，減少能源消耗。

1.4.2 產品質量 

產品質量通常指產品的合格程度，有成品率（廢品率）、返修率以及產品使用壽命等指標。若產品的使用壽命提高一倍，不但可減少生產一個產品的能量消耗，還會獲得相關的巨大效益。

2 熱處理節能技術導則

國家頒布《節能法》後，有了行業標準GB/Z18718-2002《熱處理節能技術導則》。該導則規定了熱處理生產中應採取的主要節能途徑和措施；指導企業在生產和改造中節能。

2.1 加熱設備節能技術指標

 加熱設備節能技術指標主要包括熱效率、利用率與負荷率這「三率」。加熱設備節能技術指標見表8。表8中，「規定值」 指熱處理加熱設備現階段應具備的技術指標；「目標值」 則指進一步採取節能措施或進行技術改造後，應達到的技術指標。對超期服役、熱效率低於 35% 的電阻爐，必須進行節能技術改造。

2.2 熱處理設備節能技術措施

表9列舉了提高熱處理加熱設備熱效率的技術改造措施。

2.3 熱處理節能的工藝措施

（1) 通過實際測定，最大限度地縮短加熱時間和保溫時間。

2.4 熱處理節能的主要環節

（1) 工藝。能達到熱處理目的，又消耗最小有效熱的工藝。

（2) 設備。加熱設備有較高的熱效率。

（3) 操作。設備操作沒有浪費環節。

（4) 管理。制度措施，管理方法

2.5 熱處理節能的基本策略

2.5.1 處理時間最小化

2.5.2 能源轉化過程最短化

直接加熱替代間接加熱，如感應加熱、直接通電加、燃氣加熱等。

2.5.3 能源利用效率最佳化

其主要措施有：採用高熱效率的熱處理爐；採用優良的燃料燃燒裝置；採用先進的控制裝置和控制方法；減輕爐內耐熱金屬構件及工夾具的重量；採用優質保溫材料減少爐子散熱和蓄熱損失。

2.5.4 餘熱利用最大化

提高換熱器效率，回收廢氣餘熱預熱助燃空氣及工件等；利用鍛造、鑄造餘熱；熱處理生產線中各設備間熱能綜合利用。

3 加熱方式節能

3.1 熱處理加熱方式與能耗

3.1.1 燃料燃燒加熱 

煤、油和煤氣燃燒加熱效率低。氣體燃料乙炔，丙、丁烷等高熱值的氣體，可以通過燃燒器形成火焰，直接噴燒工件，有很高的傳熱係數和加熱速度，其熱效率較高。

3.2.2 電阻法間接加熱 

電阻爐的加熱方式屬間接加熱，熱效率偏低。一般是通過強化輻射或強化對流，或擴大輻射面積，減少爐襯蓄熱和爐壁散熱量來提高其熱效率。

3.2.3 直接通電加熱 

工件直接通電，以其自身電阻發熱，這就是直接加熱，其能量轉換率和利用率很高。這種加熱方式常用於等截面鋼絲、鋼棒加熱。試驗表明，這種通電加熱用於加熱直徑小於Φ70mm, 長度同直徑的平方之比大於1時，加熱每噸金屬的電能耗量為300～350kW·h, 約為感應加熱的60%; 但直徑＞Φ70mm, 其耗能就會大於感應加熱。表11列出三種加熱方法的使用範圍及經濟指標。

▼表11 三種加熱方法的使用範圍及經濟指標

3.2.4 感應加熱 

感應加熱也屬直接加熱。它可用於表面加熱或透燒加熱，與電阻爐加熱相比，有很高的熱效率和生產率，熱效率達55% ～90%。利用感應加熱表面淬火比整體加熱淬能量節約達70%~80%。

3.2.5 等離子加熱 

等離子加熱也屬於直接加熱，有較高的熱效率，且加快工藝過程。表12 所示為各種加熱方式滲氮的特性比較。

3.2.6 高能束加熱 

雷射、電子束、離子束等屬於高能束，有很高能量密度。它們加熱工件也有很高的效率。表13 所示為各種高能束處理的功率密度和處理能力比較。表14 為電子束與雷射熱處理的成本和能耗比較。

▼表14 電子束與雷射熱處理的成本及能耗比較

3 熱處理工藝與節能

一個產品應具有什麼性能要求，需要怎樣的工藝過程和熱處理，採用哪種鋼材，在什麼設備中處理，這些是熱處理工藝設計的內容。它在很大程度上決定了熱處理過程中的能耗。

3.1 工藝設計節能

3.1.2 熱處理技術要求 

產品的技術要求通常由產品設計師確定，但熱處理工師應從分析產品服役條件著手，審查該技術要求的合理性，按照能滿足服役條件又能節能的技術要求選擇相適應的、節能的熱處理工藝。例如：若將滲碳層厚度降低40%, 滲碳處理就可節能20%~30%。若把滲碳層深度從1.1~1.4mm降至1.0mm, 可使滲碳工藝從925℃×11h縮短為925℃×7.5h。有時候改變材料，也可相應地更改技術要求。當然，這種改變應滿足該零件強度、韌性、耐磨性和疲勞強度等的綜合性能要求。例如，改滲碳鋼為中碳鋼製造齒輪，就可以改滲碳淬火為感應淬火，節能達到90%以上。

3.2.3 熱處理工藝路線及工藝的確定 

對同一產品的技術要求，常可以選用不同的熱處理工藝方案來完成，正確的選擇常可帶來很大的節能效果。在確定熱處理工藝時應考慮如下問題： （1) 材料的選用是否建立在實際要求的基礎上，是否有新的加快工藝過程的材料可供選用（如快速滲碳鋼、滲氮鋼等）和是否可用預先處理過的材料（如預先處理過的冷拔鋼絲等）。（2) 詳細比較可滿足技術要求的各種熱處理工藝，然後優選。例如，選用調質還是正火，選用滲碳還是滲氮，選用化學熱處理還是感應熱處理，以及選用滲碳後二次淬火還是直接淬火等。（3) 產品熱處理工藝路線是否最短？加熱倍數是否最少？工序間作何配合可否達到熱能的綜合利用？鍛造餘熱是否可利用及形變熱處理是否可實施？等等。表15 列出了鍛件熱處理可能的方案及加熱次數。

▼表15 鍛件熱處理可能的方案及加熱次數

3.2.3 熱處理設備的選用 

選用熱處理設備應在滿足熱處理工藝要求的基礎上，有較高的生產率、熱效率和低能耗。對於爐型的選擇，不僅要考慮熱處理工件的特點、生產量、熱處理的工藝要求等；還要從節能角度出發，考慮爐子的熱效率、熱量損失、電能（或燃料）的消耗指標等。一方面，作業方式不同，熱效率不同。周期作業爐比連續作業爐效率低。另一方面，同樣為周期作業，井式爐比箱式爐的熱效率高；連續作業的振底爐、輥底爐比網帶爐、推盤爐的熱效率高，因為前者沒有夾具、料盤等輔助工具的加熱損失。

3.2 常規熱處理工藝節能

3.2.1 降低或提高加熱溫度

熱處理加熱溫度是由材料特性決定的，但常允許在一個溫度範圍內變動。適當降低熱處理溫度有顯著的節能效果。原始組織較好的亞共析鋼在略低於Ac3 的α+γ兩相區內加熱淬火（即亞溫淬火）可提高鋼的強韌性，降低脆性轉變溫度，並可消除回火脆性，而加熱溫度可降低約40℃。對高碳鋼採用低溫快速短時加熱淬火，可減少奧氏體碳含量，有利於獲得良好強韌配合的板條馬氏體；不僅可提高其韌性，而且還縮短加熱時間。對於某些傳動齒輪，以碳氮共滲代替滲碳，耐磨性提高40%~60%, 疲勞強度提高50%~80%; 共滲時間相當，但共滲溫度（850℃) 較滲碳溫度（920℃) 低70℃, 同時還可減小熱處理變形。對滲碳深度在0.5~0.6mm以下的滲碳件，當用碳氮共滲替代滲碳時，加熱溫度可從920~930℃降至830~850℃。為了節能也有把加熱溫度提高的情況。提高滲碳溫度，加快碳在鋼中的擴散速度，可顯著縮短滲碳時間。當滲碳溫度從900~930℃提高到980~1010℃時，可使滲碳時間縮短40%~50%。由縮短滲碳處理時間帶來的節能遠大於因溫度升高帶來的熱損失。

3.2.2 縮短加熱時間 

生產實踐表明，依工件的有效厚度而確定的加熱時間偏於保守，因此要對加熱保溫時間公式τ=αKD中的加熱係數α進行修正。按傳統處理工藝參數，在空氣爐中加熱到800~900℃時，α 值推薦為1.0~1.8min/mm, 這顯然是保守的。對中、小尺寸的一般熱處理件可施行零保溫工藝。因此對許多小零件的加熱，不必額外增加保溫時間。

 3.2.3 提高加熱速度 

加熱速度影響加熱時間和節能。除大型零件和高合金鋼外，絕大多數的鋼材允許快速加熱。快速加熱的基本途徑是強化爐內熱交換。具體措施如下：（2) 提高爐溫進行快速加熱。因為在高溫下，即使很小的溫差也能產生很大的傳熱速度。例如，1℃的溫差所引起的傳熱量在1200℃時約為在540℃時的5倍。表16 列出了在火焰爐中不同溫度下加熱Φ100mm 鋼件（單件）時的加熱係數。

▼表16 不同溫度下加熱Φ100mm 鋼件時的加熱係數

（3) 加大連續式爐加熱段的功率，提高加熱段的爐溫。（4) 在爐內壁上噴塗高紅外輻射率的塗料，以強化爐內壁的輻射性能，可縮短爐子和工件的升溫時間，一般可節能5%~10%。

3.3 熱處理新工藝和特殊工藝節能

3.3.1 回火節能

通常，制定回火工藝是根據鋼件所要求的硬度，按回火曲線選擇相應的回火溫度，把回火時間作為相對固定參數，如工件截面尺寸為25mm的回火時間定為1h。鋼的回火是一個擴散和析出的過程，因而回火溫度和回火時間都是影響回火效果的工藝因素。回火溫度和回火時間對回火效果的綜合作用，可用回火參數來表示：

由式（1) 可見，為了達到所要求的回火硬度，只需取相應的回火參數P, 而具體的回火溫度和回火時間可以根據式（1) 進行組合或調節。表17 是對 65SiMn 鋼工件進行回火試驗的力學性能數據。各組的回火溫度和回火時間相差很大，但它的回火參數P是相同的。表中的數據表明，根據式（1) 採取不同的回火溫度與回火時間的組合，得到的力學性能基本相同。由此可見，在制定回火工藝時，如能應用回火參數公式，提高回火溫度可以顯著縮短回火時間，可以取得明顯的節能效果。大多數工件都值得在實踐中探討。

▼表17 65SiMn鋼不同回火工藝下力學性能對比

（2) 利用淬火餘熱，降低回火能耗。鋼件淬火冷卻時，為了減少變形和防止開裂，工藝上都不允許將工件在較低溫度的淬火介質中冷透。如果在工藝操作中能充分利用並穩定控制這部分工件內部的淬火餘熱，對工件進行自回火或帶溫回火，就可以省去或明顯降低回火所需的能耗。表18 是直徑為Φ30mm的45 鋼件，感應

加熱7s達到880℃, 噴水冷卻不同時間，工件中的淬火餘熱能達到的自回火溫度及回火後的硬度。對比試驗還表明，當回火硬度相同時，採用自回火和爐內回火所測量的疲勞強度，衝擊韌度值和殘留應力等基本相符。

▼表18 感應加熱淬火水冷時間與自回火的關係

感應加熱淬火自回火是絕大多數感應加熱+浸入式淬火件可以採用的工藝，完全可省去爐回火。掃描感應加熱淬火的件可以使用感應回火，回火部位只是淬火部位，省去了爐中回火的整體加熱。自回火和感應回火的時間很短，所以自回火溫度一般要比常規回火溫度高80~140℃或者更高。例如40Cr 鋼花鍵軸，要求硬度為48～53HRC。原工藝為感應加熱淬火後在爐內180℃回火90min。試驗表明，花鍵軸感應加熱時有60%~80%的熱量傳至心部，可以充分利用這部分熱量對表面淬火層進行自回火。淬火時停止噴水冷卻後，經過40s表面淬火層溫度回升到245℃, 自回火55s 以上，硬度為51~54HRC。該工件自回火後，質量穩定，完全省去了另行爐回火的能耗。對低碳馬氏體鋼自回火的研究表明，自回火狀態可保持高的強度水平，但塑性並不降低。對於某些整體加熱調質處理的鋼件，通過工藝試驗也可進行自回火。例如，尺寸為Φ40mm×500mm 的45鋼軸，要求硬度為260~300HBW。通過試驗，採用840~860℃鹽浴爐加熱40min後，在鹽水中冷卻8s左右後空冷，利用工件心部餘熱外傳對工件表層進行回火，實測硬度為270~310HBW, 實現了軸的快速調質處理，同時取得了節能效果。利用淬火餘熱，使工件帶溫入爐回火，縮短爐內回火時間，也能達到節能的效果。例如，Φ360mm×120mm的齒輪，高頻感應加熱淬火表面冷到180~200℃時，立即入200℃的回火爐中回火10min, 工件具有良好的抗彎強度和疲勞強度，回火爐每月可節電4200kW·h。（3) 應用淬火爐進行快速加熱回火。隨著對回火機理研究的不斷深化，人們認識到回火參數的概念也適用於變溫條件下發生的回火過程。淬火後的工件直接在淬火爐中進行快速加熱回火，其實質就是在加熱的變溫條件下完成了回火組織轉變。這種方法不需專用的回火設備，利用淬火爐的工作間隙即可進行回火，節能的效果明顯。相關試驗已表明，對於截面尺寸較小的鋼件，在淬火爐中快速加熱回火與常規回火可獲得相同的力學性能。表19是Φ55mm×300mm的40Cr鋼試樣，鹽浴爐870℃加熱淬油後，經不同方法回火的性能對比。

▼表19 常規回火與快速回火的性能對比

在淬火爐中進行快速加熱回火的時間參數與零件的鋼號、形狀尺寸、硬度要求、淬火爐溫度等有關。當這些條件相應固定時，即可通過工藝試驗確定所需的回火時間。表20 是直徑為Φ12~Φ15mm的45鋼工件，經810~820℃先水淬後油淬，然後在800℃的淬火鹽浴爐和電阻爐中加熱回火，回火時間與回火後硬度的關係。

快速加熱回火可用於碳素鋼、低合金鋼和形狀簡單的工件，如各種軸類、套類和板形工件，也可用於彈簧和銷軸類。對於彈性夾管的彈性部分和杆形刀具的尾柄部，還可利用淬火鹽浴爐進行局部快速加熱回火。利用淬火爐的餘熱，進行高溫快速回火，也可以取得較好的節能效果。例如，對於Φ36~Φ55mm的45鋼調質件，要求硬度為23~28HRC,原採用的常規回火工藝為：580℃回火2h, 每爐耗電150kW·h。經過工藝試驗，利用淬火爐餘熱在750~800℃入爐回火，保溫時間縮短為15~20min, 出爐後性能檢測完全合格，而每爐回火只需耗電125kW·h, 節電達17%左右。（4) 根據性能要求，有條件地不回火。試驗研究表明，對於表面高頻感應加熱淬火的工件，有條件地取消傳統的回火工序，可以保留表層的殘留壓應力，提高疲勞性能，既可改善性能，又可以簡化工藝，節省能源。例如，20CrMnTi 高強度螺栓取消回火工藝後，疲勞強度比經過回火的提高40%。對於高頻感應加熱淬火後不再磨削加工的電機，取消回火工藝，不僅節能，而且有利於提高疲勞性能。對低碳馬氏體鋼自回火的研究表明，自回火狀態可保持高的強度水平，且塑性並不降低。

（5) 應用成組工藝，分類組合回火。成組工藝是以相似性原理為基礎的。回火過程都是由加熱、保溫和冷卻三部分組合而成，故本身就存在著相似性，可以適放寬成組回火工藝溫度範圍。如將每檔回火溫度範圍定為40℃, 並以前20℃為主體溫度，對於要求後20℃溫度範圍回火的工件，可以待主體回火工件出爐後，再稍升溫回火，這樣只需繼續保溫0.5-1h 即可出爐，由於提高了裝爐量，一般可節能10%~30%。對材料不同而要求相硬度和回火溫度的工件，在一定的範圍內，還可以根據回火參數公式，通過計算出不同回火所需要的相應回火時間，在同一溫度的回火爐中進行組合回火。例如，材料分別為T8A、65SiMn 和45鋼的3種小型工件，根據其硬度要求分別需400℃、420℃和440℃回火，採用組合回火的方法，在440℃的鹽浴回火爐中一次即可完成回火，見表21。使工件要求的硬度規範化，適當減少或合併硬度的檔次，如將調質硬度 170~430HBW 由原來的十幾檔減少為6檔，從而使回火爐的負荷率提高，也有利於節能。

▼表 21 工件的回火要求和組合回火參數

3.3.2 合理減少滲層深度。

化學熱處理周期長，耗電大。有條件地減少滲層深度，以縮短化學熱處理的時間，將是節能的重要手段。用應力測定求出必要的硬化層深度，大多表明目前的硬化層過深，一般只需傳統硬化層深度的70%就足夠了。研究表明，碳氮共滲比滲碳一般可減少層深30%~40%。若在實際生產中將滲層深度控制在其技術要求的下限，也可節能20%; 同時還縮短了時間，減小了變形。

3.2.3 採用高溫和真空化學熱處理 

高溫化學熱處理就是在設備使用溫度允許及所滲鋼種奧氏體晶粒不粗化條件下，提高化學熱處理溫度，從而大大加速滲碳的速度，把滲碳溫度從930℃提高到1000℃, 可使滲碳速度提高兩倍以上。但由於還存在許多問題，有待完善。真空化學熱處理是在負壓的氣相介質中進行的。由於在真空狀態下，工件表面淨化，以及採用較高的溫度，因而大大提高滲速。如真空滲碳可提高生產率1-2倍；在13.33-1.333Pa下滲鋁、鉻，滲速可提高10倍以上。真空滲碳是實現高溫滲碳的最可能的方式；但在高溫下長時間加熱會使大多數鋼的晶粒度長得很大。對於具體鋼材的高溫滲碳、重新加熱淬火對材料和工件性能的影響規律加以研究，以及優化真空滲碳、冷卻、加熱淬火工藝和設備的研究是很有必要的。真空熱處理具有無氧化、無脫碳、可保持零件表面光亮的熱處理效果；同時還有可使零件脫脂、脫氣、變形小、節能、不汙染環境，且便於自動控制以及能大大減少能耗等優點。近年來，國內真空滲碳技術已經成熟。

3.2.4局部加熱代替整體加熱 

對一些局部有技術要求的零件，如耐磨的齒、軸頸、軋輥輥頸等，可採用浴爐加熱、感應加熱、脈衝加熱、火焰加熱等局部加熱方式代替如箱式爐等的整體加熱，可以實現各零件摩擦咬合部位之間的適當配合，提高零件使用壽命；又因為是局部加熱，所以能顯著減小淬火變形，降低能耗。

3.2.5 利用鍛後餘熱進行熱處理 

鍛後餘熱淬火不僅可以降低熱處理能耗，簡化生產過程，而且能使產品性能有所改善。採用鍛後餘熱淬火＋高溫回火作為預備熱處理，可以消除鍛後餘熱淬火作為最終熱處理時晶粒粗大、衝擊韌度差的缺點；比球化退火或一般退火的時間短，生產率高，加之高溫回火的溫度低於退火和正火，所以能大大降低能耗，而且設備簡單，操作容易。鍛後餘熱正火與一般正火相比，不僅可提高鋼的強度，而且可提高塑、韌性，降低冷脆轉變溫度和缺口敏感性，如20CrMnTi鋼鍛後在730-630℃以20℃/h的冷速冷卻，可以取得良好結果。

3.2.6 以表面淬火代替滲碳淬火 

對w (C) 為0.6%-0.8%的中高碳鋼經高頻感應加熱淬火後的性能（如靜強度、疲勞強度、多次衝擊抗力、殘留內應力）的系統研究表明，用感應淬火部分代替滲碳淬火是完全可能的。用40Cr鋼高頻感應加熱淬火製造變速器齒輪，代替原20CrMnTi 鋼滲碳淬火齒輪取得了很好的效果，並且減少了能耗。

3.2.7 流態床熱處理 

流態床（爐）是一種重要的熱處理節能技術。將零件浸入不同吹入氣體的流態床中加熱和冷卻，就能實施各種熱處理工藝。流態化熱處理技術與常規熱處理技術相比，最顯著的特點如下：（1) 加熱強度大，流態床的加熱係數比自然氣體對流高15~25倍，比高速對流氣體高5~8倍；加熱速度比普通加熱爐快3倍。由於加熱速度快，熱效率高，節能效果好。（2) 爐溫均勻性好，一般可控制在±2℃以內；使用溫度範圍寬，可從室溫至1200℃, 無三廢問題。（3) 化學熱處理效果優異，滲速快，效率高。如滲氮層為0.10~0.12mm的H13熱作模具鋼，用井式爐氣體滲氮時需要72h, 而用流態床滲氮只需16h。（4) 爐氣易調節，熱處理質量重現性好，可一爐多用。英國Can-Eng公司開發的新型流態爐，8h內可完成滲氮、光亮回火、滲碳等4爐次的熱處理工序，全部實行計算機控制。（5) 可用作淬火冷卻介質。流態床的冷速介於油和空氣之間，可作為高合金鋼的淬火、分級淬火和等溫淬火，可替代鹽浴淬火、鉛浴淬火。（6) 目前吹入特定氣體進行化學熱處理時，氣體耗用量和回收是降低運行成本的關鍵問題。

3.2.8 計算機的應用 

計算機為熱處理工藝的優化設計、工藝過程的自動控制、質量檢測與統計分析等，提供了先進的工具和手段。（1) 生產過程中的控制。例如，碳勢控制技術、大規模集散式爐溫控制系統、真空熱處理系統、PID 自整定、模糊數學與PID混合算法、多因素碳勢精確控制、微機動態可控滲氮和動態碳勢控制技術等，目前已廣泛應用。（2) 模擬熱處理過程。在優化大件加熱規程、預測大鍛件組織與性能、確定合理的淬火預冷時間、指導雷射熱處理生產等方面技術已較成熟。在非線性問題、淬火冷卻過程應力場的計算機模擬、沸騰過程中的換熱特性、流體力學模擬等方面也已取得重大突破，並已初步應用。（3) 熱處理數據與輔助決策系統。諸如熱處理計算機模擬技術、熱處理CAD 或CAPP、人工智慧熱處理技術的開發應用以及計算機集成製造（CIMS) 的發展都需要有強大的熱處理數據的支持。（4) 熱處理生產的計算機管理。熱處理生產軟體用於生產統計、工時定額管理、財務管理、能源管理和工藝資料管理等。

4 材料與節能

4.1 以球墨鑄鐵代鋼 

生產高強度和高韌性的球墨鑄鐵，以代替鍛鋼，應用於發動機曲軸、連杆、凸輪軸等零件。這種替代不僅材料成本降低4~5倍，還可以省略鍛造成形工序，簡化熱處理操作，一般只需進行正火處理。球墨鑄鐵也可如鍛件一樣施行滲氮等熱處理。

4.2 非調質鋼 

一種含有適量的AI、V、Ti、Nb等合金元素的非熱細化鋼，無需依靠熱處理細化晶粒組織而強化。在熱鍛之後，可以取消包括淬火、回火的全部熱處理工序。其他節能鋼材還有能省略正火、退火、火焰淬火和等溫淬火等的多種鋼材。

4.3 快速滲碳鋼 

在一般情況下，比常規滲碳可減少20%~40%的時間。國外開發的一種快速滲碳鋼 ESI 就是參照現行滲碳鋼SC420, 調整其中Cr、Mo和 Ni 等含量得到的，這種鋼的合金元素含量（質量分數）為：0.27%C, 0.6%Mn, 0.6%Cr, 0.12%Ni，0.13%Cu。即在含Cr的滲碳鋼中添加Ni, 因為含Cr 鋼要達到過剩滲碳（碳質量分數大於0.90%) 很困難，而含Ni則不同，它有利於過剩滲碳。

4.4 快速滲氮鋼 

提高滲氮溫度可以縮短滲氮時間，但會顯著降低普通滲氮鋼的表面硬度。在鋼中加Ti , 可以保證在650℃以上滲氮時獲得高的表面硬度，複合加N 時，可產生Ni3Ti 的析出物，以強化心部。減少 AI含量，提高V含量以及多元合金化，也可以縮短滲氮工藝過程。例如，在相同條件下進行滲氮，快速滲氮鋼25CrMoV、30Cr3MoVNbAl、25CrNiMoVZrAI、25CrNiMoVNbAl的有效滲氮層比標準滲氮鋼深30%, 同時還能保證高硬度及耐磨性，僅耐磨性就可提高1.5倍。

4.5 鍛熱淬火鋼 

鍛熱淬火鋼加入微量元素B（硼）後，因B偏析於奧氏體晶界，可以有效地降低晶核的生成，從而有效地提高淬透性。德國研製的鍛熱淬火用調質鋼系列，不含Ni、Cr、Mn等貴重元素，而是在普通碳鋼中加入Nb和V。這些元素可抑制再結晶，並能以NbC 和VN 的形態析出，可以在鍛軋之後直接淬火，節約能源顯著。

4.6 空冷下貝氏體鑄鋼 

貝氏體鋼可在奧氏體化加熱後空冷獲得下貝氏體／馬氏體復相組織。空冷貝氏體鋼有 Mo-B系和 Mn-B 系兩類，後者的成本遠低於前者。

5 熱處理設備節能

5.1 熱處理爐型選擇與節能

（1) 當生產批量足夠大時，宜選用連續式爐。表22為幾種連續式爐和周期式爐能耗的比較。

▼表22 幾種連續式爐和周期式爐能耗的比較

（2) 當選用連續式爐時，儘量不用或少用輸送帶，料盤等反覆加熱的工裝。（3) 不論周期式爐或連續式爐，儘可能選用密閉式的爐子。（4) 氣氛滲碳爐，選用有爐罐的或無爐罐的，應進行均衡比較。有罐的爐子可減少耗氣量和縮短開爐的時間，如圖2 所示。無爐罐的爐子，爐內熱交換較好，熱效率較高，還可省略爐罐的消耗。

（5) 對大裝載量的退火爐，宜選用爐膛在生產過程中儘量不發生反覆冷卻、加熱的情況。例如罩式爐與臺車爐，最好設有多個臺座（或臺車）， 爐罩或臺車爐膛可連續使用。
（6) 採用能強制爐內熱交換的爐子，如帶風扇強制對流的爐子。（7) 爐子的大小應與生產量相匹配。當生產量很大時，採用大型爐更節省，如多排爐料的推桿式滲碳爐。

5.2 電阻爐的節能

（1) 根據熱處理工件的特點、生產量、工藝要求等，從節能的角度出發合理選擇爐型。實踐證明，圓形爐比方形爐好，可節省7%的燃料，連續爐比周期爐好，可節省30%的電能。表23 所示為圓形爐膛與箱式爐膛的熱性能比較。

（2) 爐襯材料的選擇。在保證爐子的結構強度和耐熱度的前提下，應儘量提高保溫能力和減少蓄熱損失。（3) 合理的加熱元件布置，避免溫區到溫或降溫步調不一致。

5.3 燃料爐的節能

熱處理燃料爐的主要燃料是天然氣、煤、油等。由於這些燃料是直接利用能源，故有較高的能源利用率。爐內熱氣流的合理分布以及廢氣的餘熱利用，是降低這類爐子能耗的關鍵。

5.3.1 氣體、液體燃料熱處理爐

（1) 空氣過剩係數對節能的影響。氣體燃料在過剩空氣最小的情況下，燃燒時產生的熱效率最高，排放量最清潔；而高效率的燃燒又使燃料利用率達到了最高。適當調節空燃比可降低能耗5%~25%。燃燒時，如果空氣太少，會導致不完全燃燒，浪費燃料，並會排放出燃燒不完全的 CO 以及未燃燒的碳氫化合物；如果空氣太多，會增加煙氣中的廢熱量，並使熱效率降低。當燃料在具有正確空氣比例的氣氛下燃燒，就可達到溫度最大值和最大的熱效率。試驗表明，當燃氣中的氧氣體積分數低於2%時，在大多數情況下會得到最佳的效果。表24 為各種燃燒裝置的過剩空氣係數。表25為某試驗減少爐中過量空氣的節能效果。

▼表24 各種燃燒裝置的過剩空氣係數

▼表25 減少爐中過量空氣的節能效果

（2) 選擇高性能燃燒器的選擇。在熱處理爐中，高速調溫燃燒器被廣泛選用。這種燒嘴具有以下特性：1) 高速熱氣流強化了爐內氣體循環，有效地提高了爐溫的均勻性。2) 高速的熱氣流強化了爐內對流傳熱。3) 可實現自動控制。既保持了高速氣流強制循環效果，又保證了控溫精度。

（4) 爐子工況穩定。爐壓控制靈敏，其調節靈敏度在±0. 98Pa 以內。據測試，正確控制好爐壓，將可節能近10%。（5) 採用性能可靠、結構簡單、壽命長、便於維修的爐體密封方案。（6) 靈敏的爐子自動控制技術，從而提高了爐溫和爐壓的控制精度。自身預熱燃燒器具有良好的節能效果。表26為間壁式與蓄熱式自身預熱燃燒器的節能效果比較。

▼表26 間壁式與蓄熱式自身預熱燃燒器的比較

6 熱處理的餘熱利用

6.1 採用煙氣預熱助燃空氣

煙氣帶走的熱量佔熱處理爐總供熱量的30%~50%。回收從爐內排出的煙氣熱量，並加以充分利用，是降低爐子能耗，提高爐子熱效率的重要措施。在爐子上回收煙氣餘熱最有效和應用最廣的是換熱器。一般情況下，預熱風溫每提高100℃, 可節約燃料5%。合理選擇性價比較高的換熱器就可以能達到應有的節能效果。圖3 所示，為各類燃燒器在不同煙氣溫度下的節能效果。

▲圖3 各類燃燒器在不同煙氣溫度下的熱能利用率

目前用得較多的換熱器有：

（1) 輻射換熱器：以輻射傳熱為主，用於排出的煙氣溫度＞800℃的爐子。（2) 噴流換熱器：以對流傳熱為主，主要用於中溫爐上，是將被預熱介質高速噴吹到換熱器換熱管壁上，因而提高了傳熱係數，換熱效率高，但動力損失大。（3) 板式換熱器：以對流傳熱為主，主要用於中溫爐上。它具有單位體積小、換熱面大、動力損失小等優點。（4) 管式換熱器：其是以對流換熱為主的換熱器，適用於煙氣溫度1000℃以下。管子材質根據不同煙氣溫度可選用耐熱鋼、不鏽鋼、滲鋁鋼管和普通鋼管。（5) 熱管換熱器：這是回收低溫煙氣餘熱的有效裝置。這是新型的工業爐爐尾廢氣利用裝置，可替代空氣換熱器，將傳統的煙氣-空氣改變為水，產生的水蒸氣可供生產使用。圖4所示為空氣預熱溫度與燃料節省率的關係。

▲圖4 空氣預熱溫度與燃料節省率的關係

6.2 鑄造、熱軋、鍛造等工序與熱處理有機結合

將鍛造、熱軋、鑄造及熱處理工序有機地結合在一起。用其餘熱進行處理，這不但可減免重複加熱、提高設備利用率、縮短生產周期，還可節能、降低成本、提高工件的綜合性能及質量，更為明顯的是減少汙染，有利於環境保護。

6.3 生產線熱能綜合利用

圖5 所示為滲碳生產線能源綜合利用的系統圖。滲碳爐排除的廢氣，輸入燃燒脫脂爐作為其熱源，脫脂爐由加熱室和油煙燃燒室組成，見圖6。帶油脂的工件在加熱室內被加熱至≈500℃, 使油脂蒸發汽化，汽化的油煙被引入油煙燃燒室，在800℃以上溫度完全燃燒。燃燒氣體的潛熱通過散熱板傳入加熱室，排出的廢氣又通過換熱器預熱燃燒用的空氣。脫脂後廢氣還可輸入回火爐，作其部分熱源。脫脂後的工件被加熱到500℃, 此工件上的熱量又被帶入滲碳爐內。

▲圖5 滲碳生產線能源綜合利用的系統圖

▲圖6 燃燒脫脂爐能源中和利用

放熱型可控氣氛發生裝置，通常在熱處理爐外另行設立，在發生裝置內所產生的熱量被爐殼的冷卻水帶走。為利用這部分熱量，有一種設計在金屬管內產生放熱型氣體的裝置，這些金屬管被安裝在連續熱處理爐的加熱區段。當放熱型氣體在金屬管內反應產生熱量時，就通過金屬管壁向爐內輻射，加熱工件。此熱量的利用，使該連續式熱處理爐節能40%~50%。

6.4 廢氣通過預熱帶預熱工件

廢氣預熱工件最簡便和有效的辦法是延長連續式爐預熱帶。預熱帶節能效果與預熱帶長度和燃燒帶長度之比有關，如圖7所示。

▲圖7 沒有餘熱帶的懸掛鏈式退火爐的燃料節約率

7 熱處理工輔具的節能

7.1 工輔具能耗的產生

工裝、夾具、料筐、料盤是必要的，但他們的反覆加熱冷卻也帶來不可忽視的浪費。工輔具的節能從以下幾方面考慮：

7.1.1 根據服役條件選用材料 

2520 可用於在925~1010℃爐內不承受外加拉力、壓縮力和不經受反覆急冷急熱的構件，如馬弗等；Cr19Ni39、Cr12Ni60 耐熱鋼適合做料筐、料盤等反覆加熱冷卻工裝。滲碳爐的構件宜用有較高鎳含量的鋼，可使用 Cr15Ni35 鋼，但在有滑動和滾動接觸的組件，不要選用同樣成分的鋼，以消除擦傷或咬合的可能性。

7.1.2 合理的幾何結構設計

合理的工輔具設計都應進行強度計算、能耗和成本以及壽命的估計。應將料盤的材料、結構尺寸、使用中熱能消耗結合起來設計。把有足夠的壽命和最低的重量一起衡量，使性價比最高。我國常用的料盤和構件的厚度一般約為16～20mm, 而進口的料盤和構件多用較優質的鋼材，厚度一般僅8~12mm。爐用構件還應考慮其熱交換的效果，如馬弗罐，通常應做成帶波紋的，以增加其輻射面積，也有助於消除熱脹冷縮所造成的應力，防止馬弗罐的變形和開裂。馬弗罐的壁厚也應適當，因為熱能是靠馬弗罐傳遞熱量到馬弗罐內壁而加熱工件的，這必然造成馬弗罐內外壁的溫差，這種溫度降與馬弗罐的厚度成正比。因此馬弗罐材料、壁厚和成本，必須結合起來設計。輻射管與馬弗罐相似，應提高其傳熱效率，通過要求較薄的壁厚，經加工後使用。輻射管加工成光滑的表面，有利於避免集中腐蝕點，或加速腐蝕。光潔、光滑的內表面可防止炭黑沉積和應力集中。所有耐熱構件，在設計和安裝時都應留有熱

脹冷縮的餘地。

控制節能的主要要求是，在保證工藝要求的前提下，把電、氣、水等等能源消耗調整到需要的最小量。它要保證的是準確執行工藝，設備運行正常，實現自動化生產，防止發生事故等等。

為準確地把爐溫控制在設定點上，控制應能及時地根據爐況調整熱負荷。若不能做到這一點就會造成工藝的偏差和電能的浪費。例如，圖8 所示為二位式的控制狀態，爐子的溫度和供電總在一個範圍內變動，造成誤差和電能損失，如果爐內構件較多，更會發生控制滯後，引起更大的波動。採用比例控制則可使爐溫與設定點較好的吻合。

▲圖8 不同控制方式的節能效果

燃料爐控制涉及的燃料量、燃料燃燒、空燃比、爐壓、火焰、熱交換器等，對節能有很大影響。燃料爐的控制方法，從單純的燃料量控制向多種控制的方向發展，向節能的方向發展。由於燃料爐爐內充滿煙氣，又有煙囪，爐內壓力控制顯得更加重要，爐內正壓力會造成不必要的溢氣，負壓時會吸入冷空氣，這都會造成能量損失。圖9 所示為爐內壓力對吸氣量造成熱損失的影響。

▲圖9 爐內壓力對吸氣量造成的影響

為適應計算機控制，燃料爐採用了脈衝燃燒法，使燃料流量的調節由連續式變為通斷式，可使爐溫穩定和減少能源消耗量。圖10 所示為臺車退火爐脈衝燃燒法調節爐溫的原理圖。

▲圖10 臺車退火爐脈衝燃燒法調節爐溫原理圖

計算機智能控制，不但可以配合各種執行機構實現各種控制方式，而且可以根據工藝要求，最準確及時地控制工藝參數，控制設備運行和進行生產管理，還可實現模擬仿真控制，可對車間生產、節能進行綜合監控。實現計算機控制，總體上可節能10%以上。綜合監控的主要內容如下：

工藝過程控制包括工藝過程的靜態或動態控制，按工藝目標進行仿真控制，預測控制的結果（如可預測滲碳的層深、碳勢和碳濃度分布）。該控制使工藝過程最準確地實現目標，同時，又最省時、節能、省材料。

控制各設備的動作，按工藝要求或爐溫狀態進行起停程序控制。例如，電爐起動時間與工藝操作的配合，在通常控制方法的生產狀態下，周期爐常需較早地開動爐子，爐子到溫後，還要留有一定的富裕時間才裝爐或計時，以防止爐子沒有達到設定溫度，而造成生產損失，如圖11 所示。此富裕時間即是造成能源浪費的時間，而滯留的時間是節能有效控制的時間。採取智能化控制，就很容易實現這種配合，實現對設備、工藝、操作進行聯合控制。

▲圖11 電爐起動時間的滯留時間

設備能耗集中管理就是對車間各設備進行集中管理、負荷預測、負荷分配控制等。用於對計算機控制能耗的數學模型如下：

這一模型適用與熱處理專業工廠，按此模型得出設備利用係數與能耗的關係參見圖1 。計算機智能控制的效果不僅是節能，還有節省人力，減少投資等多重效果。

9 熱處理專業化節能

9.1 熱處理生產的專業化

建立專業熱處理廠和生產協作點，提高設備利用率，是綜合節能的主要措施。據統計某廠未專業化前，熱處理電耗達3000kW·h, 而專業化後下降到800kW·h, 設備利用率提高35%, 生產效率提高45%, 取得了明顯的經濟效益和社會效益。

9.2 熱處理廠家的專業化

專業化生產是現代工業的基本特徵之一，也是促進熱處理行業技術進步的一種重要手段。熱處理專業廠進一步加強管理，積極採用新技術、新工藝、新設備，嚴格按照標準化、規範化組織生產，形成技術、經濟和服務上的優勢，充分發揮專業化生產的優越性。此外，熱處理工藝材料，如各種淬火介質、滲劑、保護塗料、清洗劑、加熱鹽、保護氣氛和可控氣氛的氣源等，也要固定生產單位，進行專業化生產，不斷提高質量和擴大品種，並儘可能實現規格化、標準化、系列化。由此可見，具有戰略性調整組建的專業化生產廠，必將減少大量的熱處理生產點，從而導致能耗、物耗、汙染的大幅度下降。

10 生產管理節能

10.1 生產管理節能的基本任務

從節能的角度講，一個合理的生產活動，應選用能耗最低的工藝和設備，以替代能耗高的設備和勞動量大的操作；組織操作者最有效地利用設備；使能源和原材料得到最充分的利用，獲得性能優良的產品，這是生產管理最基本的原則。

10.2 生產管理節能的基本措施

10.2.1 建立節能的管理體制

（1) 成立管理機構，設立負責人、委員會、節能小組等。（2) 在保證零件熱處理質量的前提下，對所應完成的熱處理任務進行全面的經濟分析，核算生產成本，從產品、工藝操作、設備及各生產崗位等方面，制定合理的熱處理能源利用指標。（3) 組織宣傳，提高人們對節能的認識，發動群眾獻計獻策。

10.2.2 統計能源使用情況

10.2.3 生產調度

（1) 儘量使熱處理爐連續開爐或定期滿載開爐，提高設備利用率，減少停爐時的能源浪費。（2) 合理選擇爐型，合理調劑工廠產品進度，同溫度回火的產品可統一協調進行。
（3) 確定最佳裝爐量。過少的裝載和過多的裝載都會引起設備能耗的增加，通常，最佳裝爐量為最大裝爐量的60%~75%。

10.2.4 設備維護和保養

（1) 定期維修各種熱處理爐，爐襯破損，爐門、爐蓋密封不嚴，都會增大熱損失。（2) 定期清掃燃燒器，保持其良好的霧化狀態和燃燒狀態。（3) 定期維護電路，防止接觸不良、電纜過細等造成能耗甚至發生事故。（4) 定期進行管路維護，防止管路閥門等洩露，造成浪費。（5) 定期進行計量儀表及控制元件維護，定期檢查熱電偶、氧探頭等傳感元件、熱工儀表及電磁閥等各種控制執行元件的動作準確性和誤差，避免檢測失誤，導致返工或報廢造成的能耗。

10.2.5 設置檢測、記錄和控制裝置

（1) 對各種設備的能源進行定量管理，設置電力、燃料、水、蒸汽、氣等計量裝置。（2) 對燃燒過剩空氣量進行監測，配備氧量計或二氧化碳濃度計，自動檢測和調節空氣燃料比值。

10.2.6節能分析

（1) 定期對各設備和生產車間進行熱平衡分析，找出能源浪費的根源。

10.2.7 提出節能決策 

根據節能分析，提出全面的節能治理決策，包括長期和短期計劃、目標和具體措施。提出節能的技術方案，應注意所提的技術方案的技術先進性、實用性和經濟。