1.1能源利用率与能耗
1.1.1能源利用率
热能在加热工件的过程中，有多少热能是施加到工件上并被吸收，有多少热能是在加热过程中损失掉了。通常称前者为有效热，后者为热损失。有效热与投入的总能量之比称热效率。有效的与投入的总量之比称能源利用率。节能的本质就是提高能源利用率。1.1.2能耗
能耗是一个综合能量消耗指标，也是衡量所用工艺及设备先进程度的指标，在工艺设计中也常作为估算能量需要量的依据，它是节能最直接、最重要的指标。例如：表1~表5为我国各种炉型能耗分等标准。表6列出了日本各种热处理工艺实测的平均热效率及单位电能消耗，可供对比。▼表1箱式炉、台车炉能耗分等标准（JB/T-)
▼表2井式炉能耗分等标准（JB/T-）
▼表3电热浴炉能耗分等标准（JB/T-）
▼表4箱式多用炉可比单耗耗分等标准（JB/T-）▼表5传送式、振底式、推送式、滚筒式连续电阻炉可比单耗分等标准（IB/T-）▼表6日本各种热处理工艺实例的平均热效率及单位电耗1.2热效率与加热次数
1.2.1热效率
热效率是指加热设备在一定温度下满负荷工作时，加热工件所需的有效热量与总消耗热量的百分比。通常按热平衡法计算热效率。热效率主要用于衡量设备有效利用能源的状况，反映设备的先进程度。表7为几种热处理电阻炉的热效率。
▼表7几种类型热处理电阻炉的热效率
1.2.2加热次数
加热次数是指一个产品从原料到成品的加工过程中，需经几次加热才能完成。减少产品加热次数是制造产品过程中节能的重要方向。由于锻造、铸造等成形技术的发展，以及热处理与前后工序衔接技术的进步，可使产品的加热次数显著地减少。例如锻造余热调质，形变热处理等。1.3设备负荷率与设备利用率
1.3.1设备负荷率
设备负荷率为设备装炉量占设备额定生产量的比例，通常以实际装炉量和额定装炉量的百分比来表示。
1.2.2设备利用率
设备利用率是指加热设备年实际开工日数与规定的年工作日数的百分比。热处理的能耗随设备利用率的下降而增大，如图1所示。▲图1热处理能耗与设备利用率的关系
1.4生产率与产品质量
1.4.1生产率
生产率是指设备在单位时间内可完成的生产量。生产率高会带来好的节能效果。能够最大限度地综合利用能源，减少能源消耗。1.4.2产品质量
产品质量通常指产品的合格程度，有成品率（废品率）、返修率以及产品使用寿命等指标。若产品的使用寿命提高一倍，不但可减少生产一个产品的能量消耗，还会获得相关的巨大效益。2热处理节能技术导则
国家颁布《节能法》后，有了行业标准GB/Z-《热处理节能技术导则》。该导则规定了热处理生产中应采取的主要节能途径和措施；指导企业在生产和改造中节能。2.1加热设备节能技术指标
加热设备节能技术指标主要包括热效率、利用率与负荷率这“三率”。加热设备节能技术指标见表8。表8中，“规定值”指热处理加热设备现阶段应具备的技术指标；“目标值”则指进一步采取节能措施或进行技术改造后，应达到的技术指标。对超期服役、热效率低于35%的电阻炉，必须进行节能技术改造。▼表8节能技术指标2.2热处理设备节能技术措施
表9列举了提高热处理加热设备热效率的技术改造措施。▼表9提高热处理加热设备热效率的措施2.3热处理节能的工艺措施
（1)通过实际测定，最大限度地缩短加热时间和保温时间。（2)化学热处理采用催渗措施。（3)用低温热处理替代高温热处理。（4)用局部加热处理代替整体热处理。（5)用感应淬火代替渗碳淬火。（6)利用锻造余热。（7)采用速渗碳钢、非调质钢等。2.4热处理节能的主要环节
（1)工艺。能达到热处理目的，又消耗最小有效热的工艺。
（2)设备。加热设备有较高的热效率。
（3)操作。设备操作没有浪费环节。
（4)管理。制度措施，管理方法
2.5热处理节能的基本策略
2.5.1处理时间最小化
2.5.2能源转化过程最短化
直接加热替代间接加热，如感应加热、直接通电加、燃气加热等。2.5.3能源利用效率最佳化
其主要措施有：采用高热效率的热处理炉；采用优良的燃料燃烧装置；采用先进的控制装置和控制方法；减轻炉内耐热金属构件及工夹具的重量；采用优质保温材料减少炉子散热和蓄热损失。2.5.4余热利用最大化
提高换热器效率，回收废气余热预热助燃空气及工件等；利用锻造、铸造余热；热处理生产线中各设备间热能综合利用。3加热方式节能
3.1热处理加热方式与能耗
3.1.1燃料燃烧加热
煤、油和煤气燃烧加热效率低。气体燃料乙炔，丙、丁烷等高热值的气体，可以通过燃烧器形成火焰，直接喷烧工件，有很高的传热系数和加热速度，其热效率较高。3.2.2电阻法间接加热
电阻炉的加热方式属间接加热，热效率偏低。一般是通过强化辐射或强化对流，或扩大辐射面积，减少炉衬蓄热和炉壁散热量来提高其热效率。3.2.3直接通电加热
工件直接通电，以其自身电阻发热，这就是直接加热，其能量转换率和利用率很高。这种加热方式常用于等截面钢丝、钢棒加热。试验表明，这种通电加热用于加热直径小于Φ70mm,长度同直径的平方之比大于1时，加热每吨金属的电能耗量为～kW·h,约为感应加热的60%;但直径＞Φ70mm,其耗能就会大于感应加热。表11列出三种加热方法的使用范围及经济指标。▼表11三种加热方法的使用范围及经济指标
3.2.4感应加热
感应加热也属直接加热。它可用于表面加热或透烧加热，与电阻炉加热相比，有很高的热效率和生产率，热效率达55%～90%。利用感应加热表面淬火比整体加热淬能量节约达70%~80%。3.2.5等离子加热
等离子加热也属于直接加热，有较高的热效率，且加快工艺过程。表12所示为各种加热方式渗氮的特性比较。▼表12各种加热方式与渗氮的特性比较3.2.6高能束加热
激光、电子束、离子束等属于高能束，有很高能量密度。它们加热工件也有很高的效率。表13所示为各种高能束处理的功率密度和处理能力比较。表14为电子束与激光热处理的成本和能耗比较。▼表13各类高能束处理的功率密度和处理能力比较▼表14电子束与激光热处理的成本及能耗比较
3热处理工艺与节能
一个产品应具有什么性能要求，需要怎样的工艺过程和热处理，采用哪种钢材，在什么设备中处理，这些是热处理工艺设计的内容。它在很大程度上决定了热处理过程中的能耗。3.1工艺设计节能
3.1.2热处理技术要求
产品的技术要求通常由产品设计师确定，但热处理工师应从分析产品服役条件着手，审查该技术要求的合理性，按照能满足服役条件又能节能的技术要求选择相适应的、节能的热处理工艺。例如：若将渗碳层厚度降低40%,渗碳处理就可节能20%~30%。若把渗碳层深度从1.1~1.4mm降至1.0mm,可使渗碳工艺从℃×11h缩短为℃×7.5h。有时候改变材料，也可相应地更改技术要求。当然，这种改变应满足该零件强度、韧性、耐磨性和疲劳强度等的综合性能要求。例如，改渗碳钢为中碳钢制造齿轮，就可以改渗碳淬火为感应淬火，节能达到90%以上。3.2.3热处理工艺路线及工艺的确定
对同一产品的技术要求，常可以选用不同的热处理工艺方案来完成，正确的选择常可带来很大的节能效果。在确定热处理工艺时应考虑如下问题：（1)材料的选用是否建立在实际要求的基础上，是否有新的加快工艺过程的材料可供选用（如快速渗碳钢、渗氮钢等）和是否可用预先处理过的材料（如预先处理过的冷拔钢丝等）。（2)详细比较可满足技术要求的各种热处理工艺，然后优选。例如，选用调质还是正火，选用渗碳还是渗氮，选用化学热处理还是感应热处理，以及选用渗碳后二次淬火还是直接淬火等。（3)产品热处理工艺路线是否最短？加热倍数是否最少？工序间作何配合可否达到热能的综合利用？锻造余热是否可利用及形变热处理是否可实施？等等。表15列出了锻件热处理可能的方案及加热次数。▼表15锻件热处理可能的方案及加热次数
3.2.3热处理设备的选用
选用热处理设备应在满足热处理工艺要求的基础上，有较高的生产率、热效率和低能耗。对于炉型的选择，不仅要考虑热处理工件的特点、生产量、热处理的工艺要求等；还要从节能角度出发，考虑炉子的热效率、热量损失、电能（或燃料）的消耗指标等。一方面，作业方式不同，热效率不同。周期作业炉比连续作业炉效率低。另一方面，同样为周期作业，井式炉比箱式炉的热效率高；连续作业的振底炉、辊底炉比网带炉、推盘炉的热效率高，因为前者没有夹具、料盘等辅助工具的加热损失。3.2常规热处理工艺节能
3.2.1降低或提高加热温度
热处理加热温度是由材料特性决定的，但常允许在一个温度范围内变动。适当降低热处理温度有显著的节能效果。原始组织较好的亚共析钢在略低于Ac3的α+γ两相区内加热淬火（即亚温淬火）可提高钢的强韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性，而加热温度可降低约40℃。对高碳钢采用低温快速短时加热淬火，可减少奥氏体碳含量，有利于获得良好强韧配合的板条马氏体；不仅可提高其韧性，而且还缩短加热时间。对于某些传动齿轮，以碳氮共渗代替渗碳，耐磨性提高40%~60%,疲劳强度提高50%~80%;共渗时间相当，但共渗温度（℃)较渗碳温度（℃)低70℃,同时还可减小热处理变形。对渗碳深度在0.5~0.6mm以下的渗碳件，当用碳氮共渗替代渗碳时，加热温度可从~℃降至~℃。为了节能也有把加热温度提高的情况。提高渗碳温度，加快碳在钢中的扩散速度，可显著缩短渗碳时间。当渗碳温度从~℃提高到~℃时，可使渗碳时间缩短40%~50%。由缩短渗碳处理时间带来的节能远大于因温度升高带来的热损失。3.2.2缩短加热时间
生产实践表明，依工件的有效厚度而确定的加热时间偏于保守，因此要对加热保温时间公式τ=αKD中的加热系数α进行修正。按传统处理工艺参数，在空气炉中加热到~℃时，α值推荐为1.0~1.8min/mm,这显然是保守的。对中、小尺寸的一般热处理件可施行零保温工艺。因此对许多小零件的加热，不必额外增加保温时间。3.2.3提高加热速度
加热速度影响加热时间和节能。除大型零件和高合金钢外，绝大多数的钢材允许快速加热。快速加热的基本途径是强化炉内热交换。具体措施如下：（1)热装炉。（2)提高炉温进行快速加热。因为在高温下，即使很小的温差也能产生很大的传热速度。例如，1℃的温差所引起的传热量在℃时约为在℃时的5倍。表16列出了在火焰炉中不同温度下加热Φmm钢件（单件）时的加热系数。▼表16不同温度下加热Φmm钢件时的加热系数
（3)加大连续式炉加热段的功率，提高加热段的炉温。（4)在炉内壁上喷涂高红外辐射率的涂料，以强化炉内壁的辐射性能，可缩短炉子和工件的升温时间，一般可节能5%~10%。3.3热处理新工艺和特殊工艺节能
3.3.1回火节能
（1)应用回火参数公式，缩短回火时间。通常，制定回火工艺是根据钢件所要求的硬度，按回火曲线选择相应的回火温度，把回火时间作为相对固定参数，如工件截面尺寸为25mm的回火时间定为1h。钢的回火是一个扩散和析出的过程，因而回火温度和回火时间都是影响回火效果的工艺因素。回火温度和回火时间对回火效果的综合作用，可用回火参数来表示：P=T（c+lgt）（1）由式（1)可见，为了达到所要求的回火硬度，只需取相应的回火参数P,而具体的回火温度和回火时间可以根据式（1)进行组合或调节。表17是对65SiMn钢工件进行回火试验的力学性能数据。各组的回火温度和回火时间相差很大，但它的回火参数P是相同的。表中的数据表明，根据式（1)采取不同的回火温度与回火时间的组合，得到的力学性能基本相同。由此可见，在制定回火工艺时，如能应用回火参数公式，提高回火温度可以显著缩短回火时间，可以取得明显的节能效果。大多数工件都值得在实践中探讨。▼表SiMn钢不同回火工艺下力学性能对比
（2)利用淬火余热，降低回火能耗。钢件淬火冷却时，为了减少变形和防止开裂，工艺上都不允许将工件在较低温度的淬火介质中冷透。如果在工艺操作中能充分利用并稳定控制这部分工件内部的淬火余热，对工件进行自回火或带温回火，就可以省去或明显降低回火所需的能耗。表18是直径为Φ30mm的45钢件，感应加热7s达到℃,喷水冷却不同时间，工件中的淬火余热能达到的自回火温度及回火后的硬度。对比试验还表明，当回火硬度相同时，采用自回火和炉内回火所测量的疲劳强度，冲击韧度值和残留应力等基本相符。
▼表18感应加热淬火水冷时间与自回火的关系
感应加热淬火自回火是绝大多数感应加热+浸入式淬火件可以采用的工艺，完全可省去炉回火。扫描感应加热淬火的件可以使用感应回火，回火部位只是淬火部位，省去了炉中回火的整体加热。自回火和感应回火的时间很短，所以自回火温度一般要比常规回火温度高80~℃或者更高。例如40Cr钢花键轴，要求硬度为48～53HRC。原工艺为感应加热淬火后在炉内℃回火90min。试验表明，花键轴感应加热时有60%~80%的热量传至心部，可以充分利用这部分热量对表面淬火层进行自回火。淬火时停止喷水冷却后，经过40s表面淬火层温度回升到℃,自回火55s以上，硬度为51~54HRC。该工件自回火后，质量稳定，完全省去了另行炉回火的能耗。对低碳马氏体钢自回火的研究表明，自回火状态可保持高的强度水平，但塑性并不降低。对于某些整体加热调质处理的钢件，通过工艺试验也可进行自回火。例如，尺寸为Φ40mm×mm的45钢轴，要求硬度为~HBW。通过试验，采用~℃盐浴炉加热40min后，在盐水中冷却8s左右后空冷，利用工件心部余热外传对工件表层进行回火，实测硬度为~HBW,实现了轴的快速调质处理，同时取得了节能效果。利用淬火余热，使工件带温入炉回火，缩短炉内回火时间，也能达到节能的效果。例如，Φmm×mm的齿轮，高频感应加热淬火表面冷到~℃时，立即入℃的回火炉中回火10min,工件具有良好的抗弯强度和疲劳强度，回火炉每月可节电4kW·h。（3)应用淬火炉进行快速加热回火。随着对回火机理研究的不断深化，人们认识到回火参数的概念也适用于变温条件下发生的回火过程。淬火后的工件直接在淬火炉中进行快速加热回火，其实质就是在加热的变温条件下完成了回火组织转变。这种方法不需专用的回火设备，利用淬火炉的工作间隙即可进行回火，节能的效果明显。相关试验已表明，对于截面尺寸较小的钢件，在淬火炉中快速加热回火与常规回火可获得相同的力学性能。表19是Φ55mm×mm的40Cr钢试样，盐浴炉℃加热淬油后，经不同方法回火的性能对比。▼表19常规回火与快速回火的性能对比
在淬火炉中进行快速加热回火的时间参数与零件的钢号、形状尺寸、硬度要求、淬火炉温度等有关。当这些条件相应固定时，即可通过工艺试验确定所需的回火时间。表20是直径为Φ12~Φ15mm的45钢工件，经~℃先水淬后油淬，然后在℃的淬火盐浴炉和电阻炉中加热回火，回火时间与回火后硬度的关系。▼表钢工件在淬火炉中快速加热回火的时间与硬度关系快速加热回火可用于碳素钢、低合金钢和形状简单的工件，如各种轴类、套类和板形工件，也可用于弹簧和销轴类。对于弹性夹管的弹性部分和杆形刀具的尾柄部，还可利用淬火盐浴炉进行局部快速加热回火。利用淬火炉的余热，进行高温快速回火，也可以取得较好的节能效果。例如，对于Φ36~Φ55mm的45钢调质件，要求硬度为23~28HRC,原采用的常规回火工艺为：℃回火2h,每炉耗电kW·h。经过工艺试验，利用淬火炉余热在~℃入炉回火，保温时间缩短为15~20min,出炉后性能检测完全合格，而每炉回火只需耗电kW·h,节电达17%左右。（4)根据性能要求，有条件地不回火。试验研究表明，对于表面高频感应加热淬火的工件，有条件地取消传统的回火工序，可以保留表层的残留压应力，提高疲劳性能，既可改善性能，又可以简化工艺，节省能源。例如，20CrMnTi高强度螺栓取消回火工艺后，疲劳强度比经过回火的提高40%。对于高频感应加热淬火后不再磨削加工的电机，取消回火工艺，不仅节能，而且有利于提高疲劳性能。对低碳马氏体钢自回火的研究表明，自回火状态可保持高的强度水平，且塑性并不降低。（5)应用成组工艺，分类组合回火。成组工艺是以相似性原理为基础的。回火过程都是由加热、保温和冷却三部分组合而成，故本身就存在着相似性，可以适放宽成组回火工艺温度范围。如将每档回火温度范围定为40℃,并以前20℃为主体温度，对于要求后20℃温度范围回火的工件，可以待主体回火工件出炉后，再稍升温回火，这样只需继续保温0.5-1h即可出炉，由于提高了装炉量，一般可节能10%~30%。对材料不同而要求相硬度和回火温度的工件，在一定的范围内，还可以根据回火参数公式，通过计算出不同回火所需要的相应回火时间，在同一温度的回火炉中进行组合回火。例如，材料分别为T8A、65SiMn和45钢的3种小型工件，根据其硬度要求分别需℃、℃和℃回火，采用组合回火的方法，在℃的盐浴回火炉中一次即可完成回火，见表21。使工件要求的硬度规范化，适当减少或合并硬度的档次，如将调质硬度~HBW由原来的十几档减少为6档，从而使回火炉的负荷率提高，也有利于节能。▼表21工件的回火要求和组合回火参数
3.3.2合理减少渗层深度。
化学热处理周期长，耗电大。有条件地减少渗层深度，以缩短化学热处理的时间，将是节能的重要手段。用应力测定求出必要的硬化层深度，大多表明目前的硬化层过深，一般只需传统硬化层深度的70%就足够了。研究表明，碳氮共渗比渗碳一般可减少层深30%~40%。若在实际生产中将渗层深度控制在其技术要求的下限，也可节能20%;同时还缩短了时间，减小了变形。3.2.3采用高温和真空化学热处理
高温化学热处理就是在设备使用温度允许及所渗钢种奥氏体晶粒不粗化条件下，提高化学热处理温度，从而大大加速渗碳的速度，把渗碳温度从℃提高到0℃,可使渗碳速度提高两倍以上。但由于还存在许多问题，有待完善。真空化学热处理是在负压的气相介质中进行的。由于在真空状态下，工件表面净化，以及采用较高的温度，因而大大提高渗速。如真空渗碳可提高生产率1-2倍；在13.33-1.Pa下渗铝、铬，渗速可提高10倍以上。真空渗碳是实现高温渗碳的最可能的方式；但在高温下长时间加热会使大多数钢的晶粒度长得很大。对于具体钢材的高温渗碳、重新加热淬火对材料和工件性能的影响规律加以研究，以及优化真空渗碳、冷却、加热淬火工艺和设备的研究是很有必要的。真空热处理具有无氧化、无脱碳、可保持零件表面光亮的热处理效果；同时还有可使零件脱脂、脱气、变形小、节能、不污染环境，且便于自动控制以及能大大减少能耗等优点。近年来，国内真空渗碳技术已经成熟。3.2.4局部加热代替整体加热
对一些局部有技术要求的零件，如耐磨的齿、轴颈、轧辊辊颈等，可采用浴炉加热、感应加热、脉冲加热、火焰加热等局部加热方式代替如箱式炉等的整体加热，可以实现各零件摩擦咬合部位之间的适当配合，提高零件使用寿命；又因为是局部加热，所以能显著减小淬火变形，降低能耗。3.2.5利用锻后余热进行热处理
锻后余热淬火不仅可以降低热处理能耗，简化生产过程，而且能使产品性能有所改善。采用锻后余热淬火＋高温回火作为预备热处理，可以消除锻后余热淬火作为最终热处理时晶粒粗大、冲击韧度差的缺点；比球化退火或一般退火的时间短，生产率高，加之高温回火的温度低于退火和正火，所以能大大降低能耗，而且设备简单，操作容易。锻后余热正火与一般正火相比，不仅可提高钢的强度，而且可提高塑、韧性，降低冷脆转变温度和缺口敏感性，如20CrMnTi钢锻后在-℃以20℃/h的冷速冷却，可以取得良好结果。3.2.6以表面淬火代替渗碳淬火
对w(C)为0.6%-0.8%的中高碳钢经高频感应加热淬火后的性能（如静强度、疲劳强度、多次冲击抗力、残留内应力）的系统研究表明，用感应淬火部分代替渗碳淬火是完全可能的。用40Cr钢高频感应加热淬火制造变速器齿轮，代替原20CrMnTi钢渗碳淬火齿轮取得了很好的效果，并且减少了能耗。3.2.7流态床热处理
流态床（炉）是一种重要的热处理节能技术。将零件浸入不同吹入气体的流态床中加热和冷却，就能实施各种热处理工艺。流态化热处理技术与常规热处理技术相比，最显著的特点如下：（1)加热强度大，流态床的加热系数比自然气体对流高15~25倍，比高速对流气体高5~8倍；加热速度比普通加热炉快3倍。由于加热速度快，热效率高，节能效果好。（2)炉温均匀性好，一般可控制在±2℃以内；使用温度范围宽，可从室温至℃,无三废问题。（3)化学热处理效果优异，渗速快，效率高。如渗氮层为0.10~0.12mm的H13热作模具钢，用井式炉气体渗氮时需要72h,而用流态床渗氮只需16h。（4)炉气易调节，热处理质量重现性好，可一炉多用。英国Can-Eng公司开发的新型流态炉，8h内可完成渗氮、光亮回火、渗碳等4炉次的热处理工序，全部实行计算机控制。（5)可用作淬火冷却介质。流态床的冷速介于油和空气之间，可作为高合金钢的淬火、分级淬火和等温淬火，可替代盐浴淬火、铅浴淬火。（6)目前吹入特定气体进行化学热处理时，气体耗用量和回收是降低运行成本的关键问题。3.2.8计算机的应用
计算机为热处理工艺的优化设计、工艺过程的自动控制、质量检测与统计分析等，提供了先进的工具和手段。计算机在热处理中的应用主要分为以下几个方面：（1)生产过程中的控制。例如，碳势控制技术、大规模集散式炉温控制系统、真空热处理系统、PID自整定、模糊数学与PID混合算法、多因素碳势精确控制、微机动态可控渗氮和动态碳势控制技术等，目前已广泛应用。（2)模拟热处理过程。在优化大件加热规程、预测大锻件组织与性能、确定合理的淬火预冷时间、指导激光热处理生产等方面技术已较成熟。在非线性问题、淬火冷却过程应力场的计算机模拟、沸腾过程中的换热特性、流体力学模拟等方面也已取得重大突破，并已初步应用。（3)热处理数据与辅助决策系统。诸如热处理计算机模拟技术、热处理CAD或CAPP、人工智能热处理技术的开发应用以及计算机集成制造（CIMS)的发展都需要有强大的热处理数据的支持。（4)热处理生产的计算机管理。热处理生产软件用于生产统计、工时定额管理、财务管理、能源管理和工艺资料管理等。4材料与节能
4.1以球墨铸铁代钢
生产高强度和高韧性的球墨铸铁，以代替锻钢，应用于发动机曲轴、连杆、凸轮轴等零件。这种替代不仅材料成本降低4~5倍，还可以省略锻造成形工序，简化热处理操作，一般只需进行正火处理。球墨铸铁也可如锻件一样施行渗氮等热处理。4.2非调质钢
一种含有适量的AI、V、Ti、Nb等合金元素的非热细化钢，无需依靠热处理细化晶粒组织而强化。在热锻之后，可以取消包括淬火、回火的全部热处理工序。其他节能钢材还有能省略正火、退火、火焰淬火和等温淬火等的多种钢材。4.3快速渗碳钢
在一般情况下，比常规渗碳可减少20%~40%的时间。国外开发的一种快速渗碳钢ESI就是参照现行渗碳钢SC,调整其中Cr、Mo和Ni等含量得到的，这种钢的合金元素含量（质量分数）为：0.27%C,0.6%Mn,0.6%Cr,0.12%Ni，0.13%Cu。即在含Cr的渗碳钢中添加Ni,因为含Cr钢要达到过剩渗碳（碳质量分数大于0.90%)很困难，而含Ni则不同，它有利于过剩渗碳。4.4快速渗氮钢
提高渗氮温度可以缩短渗氮时间，但会显著降低普通渗氮钢的表面硬度。在钢中加Ti,可以保证在℃以上渗氮时获得高的表面硬度，复合加N时，可产生Ni3Ti的析出物，以强化心部。减少AI含量，提高V含量以及多元合金化，也可以缩短渗氮工艺过程。例如，在相同条件下进行渗氮，快速渗氮钢25CrMoV、30Cr3MoVNbAl、25CrNiMoVZrAI、25CrNiMoVNbAl的有效渗氮层比标准渗氮钢深30%,同时还能保证高硬度及耐磨性，仅耐磨性就可提高1.5倍。4.5锻热淬火钢
锻热淬火钢加入微量元素B（硼）后，因B偏析于奥氏体晶界，可以有效地降低晶核的生成，从而有效地提高淬透性。德国研制的锻热淬火用调质钢系列，不含Ni、Cr、Mn等贵重元素，而是在普通碳钢中加入Nb和V。这些元素可抑制再结晶，并能以NbC和VN的形态析出，可以在锻轧之后直接淬火，节约能源显著。4.6空冷下贝氏体铸钢
贝氏体钢可在奥氏体化加热后空冷获得下贝氏体／马氏体复相组织。空冷贝氏体钢有Mo-B系和Mn-B系两类，后者的成本远低于前者。5热处理设备节能
5.1热处理炉型选择与节能
从节能角度来看，大体上有如下几条选择规则：（1)当生产批量足够大时，宜选用连续式炉。表22为几种连续式炉和周期式炉能耗的比较。▼表22几种连续式炉和周期式炉能耗的比较
（2)当选用连续式炉时，尽量不用或少用输送带，料盘等反复加热的工装。（3)不论周期式炉或连续式炉，尽可能选用密闭式的炉子。（4)气氛渗碳炉，选用有炉罐的或无炉罐的，应进行均衡比较。有罐的炉子可减少耗气量和缩短开炉的时间，如图2所示。无炉罐的炉子，炉内热交换较好，热效率较高，还可省略炉罐的消耗。▲图2有罐和不同炉衬材料的炉子停炉后开炉所需时间（5)对大装载量的退火炉，宜选用炉膛在生产过程中尽量不发生反复冷却、加热的情况。例如罩式炉与台车炉，最好设有多个台座（或台车），炉罩或台车炉膛可连续使用。（6)采用能强制炉内热交换的炉子，如带风扇强制对流的炉子。（7)炉子的大小应与生产量相匹配。当生产量很大时，采用大型炉更节省，如多排炉料的推杆式渗碳炉。5.2电阻炉的节能
电阻炉节能应主要从以下几个方面来考虑：（1)根据热处理工件的特点、生产量、工艺要求等，从节能的角度出发合理选择炉型。实践证明，圆形炉比方形炉好，可节省7%的燃料，连续炉比周期炉好，可节省30%的电能。表23所示为圆形炉膛与箱式炉膛的热性能比较。▼表23圆形炉膛与箱式炉膛的热性能比较（2)炉衬材料的选择。在保证炉子的结构强度和耐热度的前提下，应尽量提高保温能力和减少蓄热损失。（3)合理的加热元件布置，避免温区到温或降温步调不一致。（4)加强炉膛内部的换热效果。（5)炉膛密封。5.3燃料炉的节能
热处理燃料炉的主要燃料是天然气、煤、油等。由于这些燃料是直接利用能源，故有较高的能源利用率。炉内热气流的合理分布以及废气的余热利用，是降低这类炉子能耗的关键。5.3.1气体、液体燃料热处理炉
（1)空气过剩系数对节能的影响。气体燃料在过剩空气最小的情况下，燃烧时产生的热效率最高，排放量最清洁；而高效率的燃烧又使燃料利用率达到了最高。适当调节空燃比可降低能耗5%~25%。燃烧时，如果空气太少，会导致不完全燃烧，浪费燃料，并会排放出燃烧不完全的CO以及未燃烧的碳氢化合物；如果空气太多，会增加烟气中的废热量，并使热效率降低。当燃料在具有正确空气比例的气氛下燃烧，就可达到温度最大值和最大的热效率。试验表明，当燃气中的氧气体积分数低于2%时，在大多数情况下会得到最佳的效果。表24为各种燃烧装置的过剩空气系数。表25为某试验减少炉中过量空气的节能效果。▼表24各种燃烧装置的过剩空气系数
▼表25减少炉中过量空气的节能效果
（2)选择高性能燃烧器的选择。在热处理炉中，高速调温燃烧器被广泛选用。这种烧嘴具有以下特性：1)高速热气流强化了炉内气体循环，有效地提高了炉温的均匀性。2)高速的热气流强化了炉内对流传热。3)可实现自动控制。既保持了高速气流强制循环效果，又保证了控温精度。
（3)使炉体结构简单化。烧嘴布置间距可达3m。（4)炉子工况稳定。炉压控制灵敏，其调节灵敏度在±0.98Pa以内。据测试，正确控制好炉压，将可节能近10%。（5)采用性能可靠、结构简单、寿命长、便于维修的炉体密封方案。（6)灵敏的炉子自动控制技术，从而提高了炉温和炉压的控制精度。自身预热燃烧器具有良好的节能效果。表26为间壁式与蓄热式自身预热燃烧器的节能效果比较。▼表26间壁式与蓄热式自身预热燃烧器的比较
6热处理的余热利用
6.1采用烟气预热助燃空气
烟气带走的热量占热处理炉总供热量的30%~50%。回收从炉内排出的烟气热量，并加以充分利用，是降低炉子能耗，提高炉子热效率的重要措施。在炉子上回收烟气余热最有效和应用最广的是换热器。一般情况下，预热风温每提高℃,可节约燃料5%。合理选择性价比较高的换热器就可以能达到应有的节能效果。图3所示，为各类燃烧器在不同烟气温度下的节能效果。▲图3各类燃烧器在不同烟气温度下的热能利用率
目前用得较多的换热器有：
（1)辐射换热器：以辐射传热为主，用于排出的烟气温度＞℃的炉子。（2)喷流换热器：以对流传热为主，主要用于中温炉上，是将被预热介质高速喷吹到换热器换热管壁上，因而提高了传热系数，换热效率高，但动力损失大。（3)板式换热器：以对流传热为主，主要用于中温炉上。它具有单位体积小、换热面大、动力损失小等优点。（4)管式换热器：其是以对流换热为主的换热器，适用于烟气温度0℃以下。管子材质根据不同烟气温度可选用耐热钢、不锈钢、渗铝钢管和普通钢管。（5)热管换热器：这是回收低温烟气余热的有效装置。这是新型的工业炉炉尾废气利用装置，可替代空气换热器，将传统的烟气-空气改变为水，产生的水蒸气可供生产使用。图4所示为空气预热温度与燃料节省率的关系。▲图4空气预热温度与燃料节省率的关系
6.2铸造、热轧、锻造等工序与热处理有机结合
将锻造、热轧、铸造及热处理工序有机地结合在一起。用其余热进行处理，这不但可减免重复加热、提高设备利用率、缩短生产周期，还可节能、降低成本、提高工件的综合性能及质量，更为明显的是减少污染，有利于环境保护。6.3生产线热能综合利用
图5所示为渗碳生产线能源综合利用的系统图。渗碳炉排除的废气，输入燃烧脱脂炉作为其热源，脱脂炉由加热室和油烟燃烧室组成，见图6。带油脂的工件在加热室内被加热至≈℃,使油脂蒸发汽化，汽化的油烟被引入油烟燃烧室，在℃以上温度完全燃烧。燃烧气体的潜热通过散热板传入加热室，排出的废气又通过换热器预热燃烧用的空气。脱脂后废气还可输入回火炉，作其部分热源。脱脂后的工件被加热到℃,此工件上的热量又被带入渗碳炉内。▲图5渗碳生产线能源综合利用的系统图
▲图6燃烧脱脂炉能源中和利用
放热型可控气氛发生装置，通常在热处理炉外另行设立，在发生装置内所产生的热量被炉壳的冷却水带走。为利用这部分热量，有一种设计在金属管内产生放热型气体的装置，这些金属管被安装在连续热处理炉的加热区段。当放热型气体在金属管内反应产生热量时，就通过金属管壁向炉内辐射，加热工件。此热量的利用，使该连续式热处理炉节能40%~50%。6.4废气通过预热带预热工件
废气预热工件最简便和有效的办法是延长连续式炉预热带。预热带节能效果与预热带长度和燃烧带长度之比有关，如图7所示。▲图7没有余热带的悬挂链式退火炉的燃料节约率
7热处理工辅具的节能
7.1工辅具能耗的产生
工装、夹具、料筐、料盘是必要的，但他们的反复加热冷却也带来不可忽视的浪费。工辅具的节能从以下几方面考虑：7.1.1根据服役条件选用材料
可用于在~℃炉内不承受外加拉力、压缩力和不经受反复急冷急热的构件，如马弗等；Cr19Ni39、Cr12Ni60耐热钢适合做料筐、料盘等反复加热冷却工装。渗碳炉的构件宜用有较高镍含量的钢，可使用Cr15Ni35钢，但在有滑动和滚动接触的组件，不要选用同样成分的钢，以消除擦伤或咬合的可能性。7.1.2合理的几何结构设计
合理的工辅具设计都应进行强度计算、能耗和成本以及寿命的估计。应将料盘的材料、结构尺寸、使用中热能消耗结合起来设计。把有足够的寿命和最低的重量一起衡量，使性价比最高。我国常用的料盘和构件的厚度一般约为16～20mm,而进口的料盘和构件多用较优质的钢材，厚度一般仅8~12mm。炉用构件还应考虑其热交换的效果，如马弗罐，通常应做成带波纹的，以增加其辐射面积，也有助于消除热胀冷缩所造成的应力，防止马弗罐的变形和开裂。马弗罐的壁厚也应适当，因为热能是靠马弗罐传递热量到马弗罐内壁而加热工件的，这必然造成马弗罐内外壁的温差，这种温度降与马弗罐的厚度成正比。因此马弗罐材料、壁厚和成本，必须结合起来设计。辐射管与马弗罐相似，应提高其传热效率，通过要求较薄的壁厚，经加工后使用。辐射管加工成光滑的表面，有利于避免集中腐蚀点，或加速腐蚀。光洁、光滑的内表面可防止炭黑沉积和应力集中。所有耐热构件，在设计和安装时都应留有热胀冷缩的余地。
8热处理控制节能控制节能的主要要求是，在保证工艺要求的前提下，把电、气、水等等能源消耗调整到需要的最小量。它要保证的是准确执行工艺，设备运行正常，实现自动化生产，防止发生事故等等。
8.1电阻炉温度控制节能为准确地把炉温控制在设定点上，控制应能及时地根据炉况调整热负荷。若不能做到这一点就会造成工艺的偏差和电能的浪费。例如，图8所示为二位式的控制状态，炉子的温度和供电总在一个范围内变动，造成误差和电能损失，如果炉内构件较多，更会发生控制滞后，引起更大的波动。采用比例控制则可使炉温与设定点较好的吻合。▲图8不同控制方式的节能效果
8.2燃料炉燃烧控制节能燃料炉控制涉及的燃料量、燃料燃烧、空燃比、炉压、火焰、热交换器等，对节能有很大影响。燃料炉的控制方法，从单纯的燃料量控制向多种控制的方向发展，向节能的方向发展。由于燃料炉炉内充满烟气，又有烟囱，炉内压力控制显得更加重要，炉内正压力会造成不必要的溢气，负压时会吸入冷空气，这都会造成能量损失。图9所示为炉内压力对吸气量造成热损失的影响。▲图9炉内压力对吸气量造成的影响
为适应计算机控制，燃料炉采用了脉冲燃烧法，使燃料流量的调节由连续式变为通断式，可使炉温稳定和减少能源消耗量。图10所示为台车退火炉脉冲燃烧法调节炉温的原理图。▲图10台车退火炉脉冲燃烧法调节炉温原理图
8.3智能控制节能计算机智能控制，不但可以配合各种执行机构实现各种控制方式，而且可以根据工艺要求，最准确及时地控制工艺参数，控制设备运行和进行生产管理，还可实现模拟仿真控制，可对车间生产、节能进行综合监控。实现计算机控制，总体上可节能10%以上。综合监控的主要内容如下：8.3.1工艺过程控制。工艺过程控制包括工艺过程的静态或动态控制，按工艺目标进行仿真控制，预测控制的结果（如可预测渗碳的层深、碳势和碳浓度分布）。该控制使工艺过程最准确地实现目标，同时，又最省时、节能、省材料。
8.3.2设备运行控制。控制各设备的动作，按工艺要求或炉温状态进行起停程序控制。例如，电炉起动时间与工艺操作的配合，在通常控制方法的生产状态下，周期炉常需较早地开动炉子，炉子到温后，还要留有一定的富裕时间才装炉或计时，以防止炉子没有达到设定温度，而造成生产损失，如图11所示。此富裕时间即是造成能源浪费的时间，而滞留的时间是节能有效控制的时间。采取智能化控制，就很容易实现这种配合，实现对设备、工艺、操作进行联合控制。
▲图11电炉起动时间的滞留时间
8.3.3设备能耗集中管理。设备能耗集中管理就是对车间各设备进行集中管理、负荷预测、负荷分配控制等。用于对计算机控制能耗的数学模型如下：
这一模型适用与热处理专业工厂，按此模型得出设备利用系数与能耗的关系参见图1。计算机智能控制的效果不仅是节能，还有节省人力，减少投资等多重效果。9热处理专业化节能
9.1热处理生产的专业化
建立专业热处理厂和生产协作点，提高设备利用率，是综合节能的主要措施。据统计某厂未专业化前，热处理电耗达0kW·h,而专业化后下降到kW·h,设备利用率提高35%,生产效率提高45%,取得了明显的经济效益和社会效益。9.2热处理厂家的专业化
专业化生产是现代工业的基本特征之一，也是促进热处理行业技术进步的一种重要手段。热处理专业厂进一步加强管理，积极采用新技术、新工艺、新设备，严格按照标准化、规范化组织生产，形成技术、经济和服务上的优势，充分发挥专业化生产的优越性。此外，热处理工艺材料，如各种淬火介质、渗剂、保护涂料、清洗剂、加热盐、保护气氛和可控气氛的气源等，也要固定生产单位，进行专业化生产，不断提高质量和扩大品种，并尽可能实现规格化、标准化、系列化。由此可见，具有战略性调整组建的专业化生产厂，必将减少大量的热处理生产点，从而导致能耗、物耗、污染的大幅度下降。10生产管理节能
10.1生产管理节能的基本任务
从节能的角度讲，一个合理的生产活动，应选用能耗最低的工艺和设备，以替代能耗高的设备和劳动量大的操作；组织操作者最有效地利用设备；使能源和原材料得到最充分的利用，获得性能优良的产品，这是生产管理最基本的原则。10.2生产管理节能的基本措施
10.2.1建立节能的管理体制
（1)成立管理机构，设立负责人、委员会、节能小组等。（2)在保证零件热处理质量的前提下，对所应完成的热处理任务进行全面的经济分析，核算生产成本，从产品、工艺操作、设备及各生产岗位等方面，制定合理的热处理能源利用指标。（3)组织宣传，提高人们对节能的认识，发动群众献计献策。（4)定期检查，实行奖罚制度。10.2.2统计能源使用情况
（1)每天记录各设备能源使用量。（2)计算各种产品、工艺、设备的单位能耗。（3)统计工艺操作时间和非操作时间的能耗。10.2.3生产调度
（1)尽量使热处理炉连续开炉或定期满载开炉，提高设备利用率，减少停炉时的能源浪费。（2)合理选择炉型，合理调剂工厂产品进度，同温度回火的产品可统一协调进行。（3)确定最佳装炉量。过少的装载和过多的装载都会引起设备能耗的增加，通常，最佳装炉量为最大装炉量的60%~75%。（4)及时转移工件，尽量做到余热利用。10.2.4设备维护和保养
（1)定期维修各种热处理炉，炉衬破损，炉门、炉盖密封不严，都会增大热损失。（2)定期清扫燃烧器，保持其良好的雾化状态和燃烧状态。（3)定期维护电路，防止接触不良、电缆过细等造成能耗甚至发生事故。（4)定期进行管路维护，防止管路阀门等泄露，造成浪费。（5)定期进行计量仪表及控制元件维护，定期检查热电偶、氧探头等传感元件、热工仪表及电磁阀等各种控制执行元件的动作准确性和误差，避免检测失误，导致返工或报废造成的能耗。10.2.5设置检测、记录和控制装置
（1)对各种设备的能源进行定量管理，设置电力、燃料、水、蒸汽、气等计量装置。（2)对燃烧过剩空气量进行监测，配备氧量计或二氧化碳浓度计，自动检测和调节空气燃料比值。（3)实现计算机随机检测、显示和控制。10.2.6节能分析
（1)定期对各设备和生产车间进行热平衡分析，找出能源浪费的根源。（2)进行热处理生产成本的计算。（3)分析产品单耗。10.2.7提出节能决策
根据节能分析，提出全面的节能治理决策，包括长期和短期计划、目标和具体措施。提出节能的技术方案，应注意所提的技术方案的技术先进性、实用性和经济。end预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjsbszl/25.html
