钢铁热处理工艺设计以与污染分析

钢铁热处理工艺及其污染分析

我国机械制造业钢铁消耗总量的40%以上要进展热处理。热处理是高耗电行业，其用电

量约占机械制造业总用电量的25%〜30%。同时，热处理又带来了十分严重的环境污染问

题：据不完全统计，每年排放的污染物中，约有5000t淬火油因蒸发或局部燃烧成为CH化

合物、CO及烟尘：盐浴炉生成盐蒸气7000t以上；燃煤炉窑排放SO2约15000t；喷砂处

理产生SiO2等粉尘100001以L；约90001废淬火油闪排放不当而污染水质：有害废查约

10000t：炉窑灰渣约85000L这些污染物中包括剧毒的就化物、铅烟尘、BaCI2及亚硝酸盐

烟尘与渣、废矿物油等不安全废物。可见热处理行业的节能减排任重而道远。

热处理污染是由其特定的工艺造成的。热处理工艺不改变零件的外形和几何尺寸，改变

的是零件钢铁材料内部的晶粒组织及由此带来的机械性能的变化。钢铁材料经轧制、铸造、

锻造、焊接后，产生较大的内应力，外表硬度增大，给金属切削带来困难、易产生变形。为

消除内应力、降低外表硬度，需要对其进展“退火”处理。血为了使零件具有很高的强度、

硬度、耐磨性、抗腐蚀性与很好的弹性、很好的综合机械性能，需要对其作"淬火”、"正火〃、

“回火”处理及“化学热处理”。这些钢铁热处理的工艺过程，一般都是由加热、保温和冷却

三个阶段组成的。但是，由于热源的不同、热处理设备的不同、热处理介质的不同、处理速

度与处理时间的不同，产生的污染物不同，污染物产生的量也不同。还要注意，一些零件热

处理后要做外表清理（喷砂、抛丸等），也要产生相应的污染。

1加热与保温：

1.1热源及加热设备

1.1.1电加热

（1）.电阻炉：有箱式电炉、台车式电炉、井式电炉、电极式电炉与埋入式电炉（各类浴炉

—主要是盐浴炉），为周期性电阻炉，用于各类热处理工艺的加热。推杆炉、振底炉、网

带炉等，为连续性电阻炉，用于可控气氛热处理与化学热处理工艺。

箱式炉、台车炉、井式炉的加热介质为空气，工件加热过程表皮会氧化、脱碳，产生氧

化皮固废。盐浴炉与可控气氛炉的加热介质为浴盐与无氧的气氛，不易产生氧化、脱碳，但

有氯化钢或亚硝酸盐污染，

（2）.电磁感应加热：有高频（100〜500kHz）、中频（晶闸菅变频式0.18~8kHz、发电机

式0.5~10kHz）与工频（50Hz）三类，用于外表淬火。高频淬火会产生电磁污染。

1.1.2燃料加热：包括燃煤、燃油、燃气等。

⑴.燃煤含块煤、散煤、煤粉、焦炭及型煤等固体燃料。燃烧装置有固定炉排、往复炉排

等。多用于大型退火炉、固体渗碳炉及一般热处理。点火时黑烟滚滚，烟尘黑度超标。运行

时烟尘、S02的排放、炉渣的排放与锅炉类似。工件氧化、脱碳较严重。

（2）.燃油含重油、柴油及渣油等液体燃料。很少使用.

⑶・燃气含煤气、氧-乙快、天然气、石油液化气等气体燃料。许多热处理炉为燃气炉。

也有用于外表淬火的。要注意燃气的含硫量及S02的排放。工件有氧化皮产生。

上述加热过程，随加热速度、最高加热温度的不同，污染物的排放浓度与排放量不同，

与前者成反比，与后者成正比。

1.2保温：对燃料炉，该阶段处于稳定燃烧状态。对固体燃料炉，只要不翻开炉门加燃

料，一般不冒黑烟。污染物的排放浓度不变，而排放量与保温时间成正比。

2冷却：这是最值得关注的阶段。经加热、保温后的工件、要得到要求的硬度和力学

性能，必须诜择合理的冷却方式和泠却方法——泠却速度及泠却介质。

2.1退火：包括完全退火、不完全退火、低温退火，这三者主要为消除应力、降低硬度；

还有球化退火、等温退火：以细化晶粒为主。不萱哪种退火，区别在于加热温度不同，而冷

却方式均为随炉冷却一即到达保温时间后，停顿加热，工件在加热炉中随炉温的降低而慢

慢冷却下来。这显然是一种“缓慢冷却”。工件出炉温度约为150~200℃。

2.2正火：与退火的区别在于其加热温度更高，而冷却方式是随炉冷却到500~600c

时，工件出炉在空气中冷却或进展风冷、喷雾冷却。其冷却速度当然比退火要快U

退火、正火要脱落大最氧化皮。

2.3淬火：属于“快速冷却〃，可大大提高钢材的硬度。其冷却速度取决于淬火介质。

淬火介质有固体、液体与气体，常用的是液体淬火剂，如：水（自来水、蒸镯水）、水溶液

（盐水、碱溶液、肥皂水、而锦酸钾水溶液）、油（矿物油、植物油）及盐、碱、硝盐等。

不同的淬火介质产生的污染物截然不同。

2.3.1水淬：冷却速度甚快。易造成工件变形、开裂。除氧化皮外没什么污染。

2.3.2水溶液淬火：

⑴.盐水：5~15%NaCI水溶液淬火，工件变形、开裂倾向比水淬减少。

⑵.碱溶液：5~15%NaOH水溶液淬火，工件变形小、开裂倾向低。

上述水溶液淬火会产生水污染。

2.3.3矿物油：这是碳钢、合金钢最常用的淬火剂。包括机械油（7号、10号、20号

机械油，U号轻柴油〕、普通淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等温分级淬火油等。油淬

时，要产生油烟。淬火油在使用中由于热分解和氧化会导致老化，达不到应有的淬火要求。

老化报废的淬火油属于不安全废物。

2.3.4盐浴（氯盐浴、硝盐浴）、碱浴与盐碱混合浴：

⑴.盐浴:指氯化盐（BaCI2、NaCkKCI）、硝盐（NaN03、NaN02、KN03、KN02）

熔液淬火（熔液熔点500~5600C）。如：（75%BaCI2+25%NaCI）、

（30%KCI+20%NaCI+50%BaCI2）.（37%NaCI+41%KCI+22%BaCI2）熔液及单一硝盐

或各种配比多种硝盐熔液淬火（熔液熔点100~337℃）,用于合金工具钢和模具钢淬火。

工件变形小、硬度高、不开裂。

⑵.碱浴:如（65%KOH+35%NaOH,熔点155C）、（80%KOH+20%NaOH,另加

3%H2O,熔点1300C）、（84%KOH+14%NaOH+2-3%H2O,熔点140℃）。冷却速

度高，淬火后碳钢工件外表呈银灰色，干净。

（3）.硝盐、碱混合浴：各种配比的NaNO3、NaNO2与KOH、NaOH及H20的混合

熔液，熔点140~270℃。用作要求变形小、形状复杂的工模具钢的淬火介质。

上述淬火介质会产生相应的盐、碱污染。

3其它热处理：如"铅浴”、化学热处理等

3.1铅浴：用于中高碳钢钢丝冷拔产生的冷作硬化退火。等温索氏体化处理介质温度为

450~600℃,有大量铅蒸气污染。

3.2化学热处理：包括渗碳、渗氮、氮碳共渗、硫氮碳共渗、渗熔、渗铝、渗硼、渗硅

及硼铝共渗等。

3.2.1渗碳；

⑴.固体渗碳：渗碳剂一般采用柞木等木炭（粒度为微粒及3~20mm）,再配以催渗剂。

将工件埋入装有渗碳剂的渗箱中，箱盖用耐火泥密封，然后置于热处理炉中加热，当；炉温

升到800~850℃,保温约2~3h,再继续加热到900~950c保温一定时间（渗碳层厚从小

J1mm到几|-mm）后淬火。

⑵.气态渗碳：渗碳剂一般选用煤油、醇或苯。渗碳温度一般控制在900~950C。渗碳

速度一般为0.20mm/h。渗碳剂滴注入渗碳炉后裂解生成活性碳原子，渗入工件表层形成渗

碳层，再去淬火。气态渗碳炉排气含有CO,应予点燃处理。

在低于一个大气压的条件下进展气体渗碳的工艺称为真空渗碳。通常以高纯度的富化气

（丙烷、甲烷或乙焕等）和稀释气（N2、H2等）直接通入真空炉内进展渗碳。真空渗碳易

产生炭黑。

（3）.离子渗碳：在低于一个大气压的渗碳气氛中，利月工件（阴极）和阳极之间产生的的

辉光放电进展渗碳的工艺，以CH4、H2作离子渗碳气体。无污染。

3.2.2渗氮：一般为最终外表处理，不再作其他热处理。

⑴.气体渗氮：渗氮剂为氨。液氨滴注入渗氮炉，氨气在渗氮温度下分解出活性氮原子渗

入工件表层。氨分解率与渗氮温度成正比。通常渗氮温度在480~520c为宜。氨分解率在

25~40%左右时活性氮原子多。未分解的氨气及分解出的H2排出渗氮炉。一般渗氮速度在

O.OImm/ho渗氮时间与渗氮温度、渗氮层厚度及工件化学成分等有关。对不锈钢零件作抗

磨氮化，渗氮层厚度在0.08~0.26mm0对碳钢、低合金钢及铸铁作抗蚀氮化，渗氮层为

0.015-0.080mm的致密的化学稳定性高的高氮/相。

⑵.离子渗氮：在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的

的辉光放电进展渗氮的工艺。以NH3、N2+H2作离子渗碳气体。无污染。

323k碳共渗：

⑴・气体氮碳共渗（气体软氮化）：共渗温度在500~650℃。保温时间2~4h。常用渗剂

为氨与烷［C3H8）或醇（C2H5OH）、CO2等。当为氮与吸热式气氛或放热式气氛时，所

排废气中含剧毒HCN,且前者排放浓度会高达75~500mg/m3,远高于50.3mg/m3的排放

标准。

⑵.浴盐氮碳共渗：共渗温度在520~590C。保温时间10min~3h0浴盐有多种，目前应

用较广的共渗浴盐是TF-1基盐、REGJ-1再生盐、J-2U基盐、J-2A基盐补加盐、Z-1再生

盐。这些浴盐使用中CN--低于3~4%,属于低氟盐，工件共渗后经氧化盐浴冷却，CN--转

变为CO3----从而实现无污染作业。NS盐等浴盐氮碳共渗那么会产生剧毒氟盐污染。

⑶.离子氮碳共渗：以离子渗氮介质为基并添加渗碳气氛（如乙醇、甲醉、丙酮、二氧化

碳、丙烷等）作氮碳共渗剂。共渗温度在550~590℃。无污染。

3.2.4渗金属、非金属及金属与非金属共渗：有渗铝、渗锌、渗格、渗硼、渗硅及硼铝

共渗、硼借共渗、碳硼复合渗等。是将钢及合金工件在相应渗剂中加热到定温度，再保温

一定时间，使相应金属、非金属元素扩散渗入表层的化学热处理工艺。有“粉末法〃、“料浆

法"、"气体法〃、“喷涂热扩散法〃及“熔盐法〃、“熔盐电解法〃、“真空法〃、“流态床法”

等。近年“辉光离子渗〃技术开展很快。基本无污染。

4工件热处理后外表清理：工件经普通热处理后，其外表大多存在氧化皮、盐渣、油或

污物、锈迹等及其它需要清理的问题。常采用喷砂或抛丸进展清理。

4.1喷砂：石英砂粒直径为1~2mm.动力为0.3~0.6MPa的压缩空气。无泥石英砂高

速喷射向工件清理其外表，喷砂时会产生大量粉尘，经布袋除尘器处理后排放。

4.2抛丸：抛丸材料为卬0.5的玻璃丸（硬度46~50HRC）或（pO.3~2的铸铁丸（其含

碳量为0.8~1.2%,含钵量为0.6~1.2%,硬度58-62HRC）与（p0.52的铸钢丸（硬度43HRC）.

长度与直径一样的钢丝（（pO.67.2,含碳量为0.7%,硬度47HRC）也常用到。抛丸产生

的粉尘，经布袋除尘器处理后排放。

5先进热处理技术

5.1我国热处理技术现状与兴旺国家的差距

目前我国的热处理生产技术现状为——生产设备与世界先进水平有20~30年的差距。专

业化热处理厂数目与美国相比相差35倍，生产效率比美国低26倍，设备利用率仅为30%

电耗却高于美国40%,其电耗平均每吨比口本和欧美要多2~3倍。由于生产设备和规模落

后（全国热处理企业的设备80%以上星40年以上役龄，而氏大都是箱式、井式、盐浴炉老

三样），我国热处理生产耗能巨大、污染严重而利润仅为美国的1/30,年营业额仅为美国

的1/25。事实上美国又提出了更高的热处理生产技术开展目标：到2020年，