熱處理工藝與環境保護關系分析

商殿佐　劉肇熙　尹紅霞

關鍵詞：熱處理;能耗;污染;環境保護

第一次工業革命以后，工業生產的技術水平大幅提高，環境問題也隨之而來。在沒有脫硫技術的年代，大量使用未經脫硫的煤炭燃料引發了一系列環境問題，對地球生態造成了損害，環境治理迫在眉睫。隨著人工智能的研發以及各領域的機械化、智能化，生產技術飛速發展，對各種材料的需求量日益增長。其中，金屬材料的大量需求導致熱處理工藝中的工業污染物產生量劇增。雖然國家對工業排放作出了嚴格的規定，但水污染、土壤污染、大氣污染等環境問題依舊層出不窮。為了減少污染物的生成、降低污染物的排放量，要堅持不懈地從熱處理工藝與設備方面尋找突破口。

1熱處理工藝的能耗與污染

金屬熱處理是一類重要的機械加工工藝，是指對固態金屬材料進行加熱、保溫、冷卻，定向獲得具有一定力學性能、物理性能以及其他化學性能的材料的熱加工工藝。在熱處理中有“四把火”，即正火、退火、淬火和回火，根據不同的加熱溫度、保溫時間以及冷卻速度，又演變出不同的熱處理工藝，如亞溫正火、球化退火、雙液淬火、高溫回火，但無論是何種工藝，在操作過程中均會伴隨大量能耗和污染物的產生。

1.1熱處理工藝的能耗

在熱處理工藝中，通過加熱、保溫、冷卻，在不改變材料外形以及整體化學成分的前提下，使材料內部的顯微組織和表面化學成分發生變化，從而改變材料的各種性能。在此過程中，要將材料加熱到臨界溫度以上，需要消耗大量的熱能，而熱能的來源首先是通過煤炭、柴油燃燒帶動發電機發電或通過其他形式產生電能，然后將電能在爐內轉化為熱能，消耗的電能以及燃燒產生的二氧化碳等污染物很多。在熱處理工藝中，主要的耗能工藝有整體熱處理工藝和表面熱處理工藝兩類。整體熱處理工藝是指退火、正火、淬火和回火，因為在上述過程中，通常要先將爐內溫度加熱到幾千攝氏度，所以熱處理的整體能耗相當高。日本的熱處理工藝能耗統計顯示[1]，正火的平均單位能耗為200kWh/t，平均熱效率為78.4%;退火的平均單位能耗為356kWh/t，平均熱效率為46.9%;淬火的平均單位能耗為255kWh/t，平均熱效率為64.2%;回火的平均單位能耗為157kWh/t，平均熱效率為61.1%。表面熱處理的平均單位能耗更高，其中，滲氮工藝達391kWh/t，平均熱效率僅為25.4%;滲碳工藝達936kWh/t，但平均熱效率僅為24.7%。固溶處理工藝的平均能耗僅為167kWh/t，平均熱效率達到79.4%，由此可見，整體熱處理與表面熱處理的能源消耗巨大。

1.2我國熱處理工藝能耗與美國熱處理工藝能耗對比

調查發現，我國許多熱處理相關企業所用設備依舊是鹽浴爐或普通箱式爐，而一些發達國家的熱處理工藝已順利過渡到智能化工藝階段，智能化感應淬火閉環控制系統[2]的研發將熱處理工藝推到了基本擺脫人工經驗和人工操作的水平;真空滲碳技術和單件流動以及機加工同步熱處理設備[2]的使用，使能源消耗量大大減少，這或許就是我國熱效利用率遠不及美國的原因之一。實驗對比發現：在熱處理工藝上，同樣處理1t的工件，我國平均消耗電能約733kWh/t，而美國僅為400kWh/t[3]，由此可見，在我國的熱處理工藝中，能源利用率的提升還有相當大的空間。

1.3熱處理過程產生的污染物

由于熱處理的工藝和環境不同，其所產生的污染物也會有所不同。熱處理過程中產生的污染物一般可分為物理污染物和化學污染物兩大類。

1.3.1碳鋼加熱過程的物理污染

在對碳鋼進行奧氏體化的過程中，會產生一些物理污染，例如加熱爐的燃燒器和壓縮機等設備運行時會產生高分貝噪音，工人長期處于嚴重噪音環境下，會出現耳鳴甚至失聰的癥狀;各種加熱爐運行時會產生巨大的熱量和電磁輻射，人體長期處于高溫熱輻射和高頻電磁場的環境下，會出現中樞神經系統失調。

熱處理工藝最后的噴砂處理是用磨料對工件的表面進行切削和沖擊，使工件表面得到清潔，并且改善機械性能，提高工件的抗疲勞性等。但在噴砂時，大量石英砂噴射到碳鋼表面，伴隨大量二氧化硅粉塵產生。二氧化硅雖是無毒物質，但當大量二氧化硅粉塵被吸入人體，由于無法被肺臟吸收也無法排出體外，只能在肺中沉積。大量二氧化硅在肺中沉積會隨時間推移導致肺臟纖維化，無法正常吸收氧氣，最終導致窒息。

1.3.2碳鋼淬火加熱階段產生的化學污染物

對碳鋼進行普通熱處理時，在淬火加熱過程中會產生大量油煙廢氣污染物，主要成分為碳及碳化物、非甲烷總烴、氮氧化物、烷烴、苯、二甲苯、咔唑[4]等化學成分。據測量所得數據，淬火后，車間空氣中的總懸浮顆粒物（TotalSuspendedParticulate，TSP）濃度會增長113.6%，車間空氣中的氮氧化物濃度會增長12.2%，車間空氣中的非甲烷總烴濃度會增長288.9%[5]。油煙廢氣污染物會使熱處理車間內煙霧彌漫，并且附著到設備上，形成積油，對設備造成腐蝕破壞，增加生產成本，還有可能引發生產事故。因為這些油煙廢氣帶有刺激性氣味，所以還會對生產線操作工的身心健康造成巨大影響。油煙廢氣污染物會通過人的呼吸系統和皮膚進入人體，隨著人體內的血液循環，對各個肝臟器官造成損傷，其所含苯并芘類多環芳烴甚至會直接導致人體細胞發生癌變[6]。若將其排放到自然界中，在一定條件下會產生光化學煙霧，對大氣造成二次污染。

1.3.3碳鋼在鹽浴爐中加熱時產生的化學污染物

有些設備較為落后的熱處理企業會采用鹽浴爐對碳鋼進行熱處理，鹽浴爐的工作原理主要是將熔融鹽溶液當作加熱介質，將碳鋼浸入鹽溶液內進行加熱，通常會選用氯化鉀、氯化鋇、氰化鈉、硝酸鉀等鹽類充當加熱介質，因此，會產生大量熔融鹽廢渣，這些廢渣中因為含有大量鋇元素等重金屬元素，所以會對水體和土壤造成嚴重污染，若長期積存于土壤中，被雨雪溶解時，一些重金屬元素會隨著地表水流入河流或地下水，從而對海洋造成污染，甚至會影響整個地球的水循環系統。還應注意的是，氯化鋇作介質時，最高溫度可以達到1300℃，在此高溫下，氯化鋇會大量蒸發到空氣中;熔融硝鹽在加熱狀態下與工件的油污會發生反應，產生大量棕色有毒氣體。此外，還有許多產生有毒物質的反應會隨著熱處理發生。

1.3.4碳鋼熱處理冷卻階段產生的化學污染物

碳鋼的奧氏體化加熱階段結束后的淬火等冷卻工藝會產生含重金屬且有腐蝕性的廢水等。在淬火冷卻過程中，若采取油冷的方式，因為體積較大的鋼浸入淬火所用油的過程較為緩慢或者鋼的質量和面積與冷卻池容積的比例不協調等原因，與淬火所用油接觸的瞬間，淬火所用油的表面溫度過高，會產生劇烈燃燒。此時，在材料表面附著的殘留碳會發生不充分燃燒，將大量一氧化碳排放至車間空氣中。一氧化碳對環境的影響主要體現在對人體的影響上，一氧化碳進入人體后會迅速與血紅蛋白結合，占用運輸氧氣的紅細胞，使紅細胞無法正常運輸氧氣，降低人體內血液與氧氣的結合濃度，導致人體組織缺氧，嚴重時會導致人窒息。

2熱處理工藝與環境保護

既然在熱處理過程中有大量污染物產生，就會有相應的政策和措施來控制和減少污染物的產生與排放。許多個人和企業在如何降能降污的道路上進行探索，不僅研發出先進的設備，還對傳統的熱處理工藝進行了改良。

2.1解決熱處理工藝能耗問題

在熱處理過程中，能耗主要是燃料消耗和能動消耗，可以使用先進的加熱爐型、合理控制熱源、采用熱料裝爐工藝和余熱回收技術來減少熱處理工藝中的能耗問題。

2.1.1使用先進的加熱爐型

停止使用已被淘汰的高耗電熱處理設備，選用耗電量較小的先進設備，例如將燃氣加熱爐替換為使用數字化蓄熱式高速脈沖燃燒器以及控制技術或是連續供給燃料的蓄熱式脈沖燃燒以及控制技術，兩者相比，高速脈沖燃燒器在高溫熱處理中的節能率比燃氣加熱爐高50.0%，在中溫或低溫熱處理中的節能率比燃氣加熱爐高45.0%以上。

2.1.2合理控制熱源

通常熱處理工藝使用的燃料類型可分為固體、液體、氣體以及粉末。其中，固體和粉末燃料通常以碳作為熱源;液體燃料則使用柴油或者重油;氣體燃料種類較多，包括天然氣、石油氣和煤氣等。目前，大部分熱處理廠采用天然氣、重油或柴油，選用合適的加熱燃料可以提升熱效利用率。

2.1.3熱料裝爐工藝

加熱體積較大的鍛件工件時，采用熱料裝爐工藝是一種有效的節能措施。相比于冷料裝爐工藝，熱料裝爐工藝的能耗可降低40.0%～45.0%，還可以大幅度縮短加熱時間，提高生產效率。

2.1.4余熱回收技術

余熱回收技術是對熱料爐中排出煙氣的熱量進行回收再利用，主要手段是通過預熱器利用煙氣余熱加熱助燃空氣和氣體燃料，以此減少熱量散失，達到降低能耗的目標。

對高能耗的治理還可以從優化熱處理工藝、改進生產設備、避免損耗或者降低清潔工藝的能源損耗等方面入手。例如在優化熱處理工藝方面，可以從調整工藝參數、加速化學熱處理、改變加熱方式等方面展開思考;對于如何避免氧化損耗，可以考慮如何對熱處理過程進行防腐蝕處理或減少腐蝕現象，尤其是針對孔蝕現象和電化學腐蝕現象的防治。

2.2化學污染物的處理

熱處理過程產生的廢氣、廢水以及廢渣等，對環境造成的污染極大，不僅會影響地球的大氣環境，還會影響地球的土壤環境，最終發展到影響人類的健康。根據習近平2005年8月在浙江湖州安吉考察時提出的科學論斷，人們不僅要提高生產力、促進工業生產，還要保護綠水青山、藍天白云，貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念。因此，人們要對工業廢棄物進行嚴格處理。處理辦法可以從提高設備的技術水平、改變加熱方式、提高熱效利用率以及杜絕使用高污染的鹽浴爐等方面入手，合理凈化熱處理過程中產生的廢氣、廢渣和廢水等，還可以尋找更環保的淬火介質、燃燒燃料[4]以及清洗劑等，降低廢氣、廢渣和廢水的生成量。

2.2.1對設備進行改進創新

（1）從機器方面考慮，可以嘗試將加熱設備與冷卻設備一體化，兩種設備間用耐高溫傳送裝置連接，實現加熱到冷卻階段的送料過程自動化，并將冷卻設備與廢氣收集裝置相連，集中收集冷卻階段產生的廢氣。然后將碳完全燃燒產生的二氧化碳與其他廢氣分離并收集，依據碳中和理念，可將其作為助燃劑參與金屬鎂的熱處理，并收集一氧化碳與鎂燃燒產生的碳，其余廢氣可以借鑒哈一工具廠的處理方法進行吸收凈化[7]。哈一工具廠采用一套通風系統收集廢氣，再采用CJT型號的鹽霧吸收塔，使氫氧化鈉溶液與鹽霧中的有害污染物發生化學反應，生成難溶于水且無害的鹽沉淀。哈一工具廠的設備使原本污染較重的車間環境徹頭徹尾地改變，在各項環境指標中，有的甚至遠低于國家標準。治理前，空氣中的氯氣質量濃度為28.69mg/m、氯化鋇質量濃度為12.70mg/m、粉塵質量濃度為242.90mg/m;治理后，氯氣質量濃度低至0.04mg/m、氯化鋇質量濃度低至0.21mg/m、粉塵質量濃度低至59.50mg/m。由此可見，這套設備的凈化效果極好。

（2）可以通過車間整體收集、電爐集氣罩收集、油池側面收集將油煙廢氣集入凈化系統，凈化系統主要由管道物化噴淋系統、濕式除塵系統以及油煙凈化系統等組成，其中，油煙凈化系統由初級除霧過濾、等離子靜電吸附裝置、催化氧化VOC段和消防滅火裝置組成[5]。

（3）可以嘗試使用雙極靜電式油煙凈化器[8]或等離子油煙廢氣凈化器[9]對油煙廢氣污染物進行凈化阻隔。

2.2.2廢渣的處理

對于熱處理工藝中產生的廢渣，可以嘗試避免其在土壤中滲透擴散等。例如運用固化法對其進行體積壓縮、阻止擴散等處理。對廢渣的固化可以采用水泥、凝膠、瀝青、塑料等具有凝結效果的材料，將凝結劑與廢渣一同混合固化，然后填埋，使廢渣被凝結劑包裹，達到阻止廢渣中有害物質浸出、滲透到土壤中的目標。這樣的處理方式具有穩定、無害的優點，但成本相對較高。

從化學反應方面考慮，可以將廢渣收集并進行破碎，然后加水浸出，過濾后達標排放，將剩余浸出液進行二次處理，提取出可利用成分進行工業再生產[10]。

2.2.3廢水的處理

對于廢水的處理方式，推薦采用化學方法，通過加入化學藥品，使其與廢水中的污染成分發生化學反應，達到中和污染成分的效果。比較常見的化學處理方法有混凝沉淀方法、氧化還原方法以及離子膜交換方法[11]。

對呈酸性或堿性的廢水，通常采用中和方法進行處理。酸性廢水采用堿性溶液或堿性廢水等進行中和處理，例如向酸性廢水中添加石灰、石灰石、氫氧化鈉、碳酸鈉等，在使用時要避免酸與人體皮膚直接接觸。對堿性廢水同樣可以采用酸性溶液或酸性廢水進行中和，還可以使用煙道氣中產生的二氧化硫等酸性化學物質進行中和處理。在中和過程中，要充分攪拌，使反應正向進行。用氧化還原方法不僅可以去除污染元素，還可以達到除臭、褪色、殺菌消毒等目的。

向廢水中加入氯氣、臭氧、次氯化鈉等具有氧化性的氧化劑，或者加入鐵屑、硼氫化鈉、亞硫酸氫鈉等具有還原性的還原劑，可以將廢水通過氧化還原方法進行凈化。例如用化學氧化法處理廢水是向廢水中大量添加過氧化氫、二氧化硫等物質，使水中的氯化鋇發生氧化還原反應，生成硫酸鋇沉淀與鹽酸，達到除去鋇元素的目的。

吸附方法處理廢水分為物理吸附和化學吸附兩類，主要原理是利用活性炭等可作為吸附劑的材料的吸附性，對廢水中的吸附質進行吸附，從而將這些吸附質回收處理，達到凈化廢水的目的。物理吸附與化學吸附的區別在于，物理吸附不具有選擇性，是一個放熱的過程;化學吸附則與之相反，是一個吸熱的過程并且具有選擇性，溫度越高，吸附效果就越明顯。

3結語

隨著時代的發展，我國的生產力水平正穩步上升，人們要守護祖國的綠水青山。對熱處理過程中產生的能耗和污染物問題，從對環境和對人體的損害兩方面進行解釋，并從合理排放、污染物處理和二次循環利用的角度對其提出治理辦法，希望能為綠色工業的研究提供一定的幫助。