金属热处理能源使用方向的合理化.docx
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金属热处理能源使用方向的合理化
金属热处理能源使用方向的合理化
目前世界上所有国家都不断增加能源需求来满足密集型工业的发展,这已经成为工业发展的趋势了。
2000年,世界所需求的燃料和主要能源将是1975年的2.5倍(如表1).应当指出的是,不同国家对能源需求量的不断增加的表现是不同的。
与此同时,作为一个潜规则,发展中国家在工业生产中的能耗量比发达国家的能耗量大(在相同的产品数量或国民收入。
)较高的能源消费伴随着较高的物质消费的生产和国民经济总体。
在过去的10年以来,人类已经越来越清楚地认识到,在全球范围内,在所有领域中减少能源的增长率是有必要的,其中最大的能源消费领域是工业。
在1975年,工业的能源消费量占总能源消费的66%,预计2000年工业能源消费量会超过71%(世界平均水平)。
可以合理利用能源行业有:
1)改善和平衡燃料和其他能源资源,降低其消费
2)改进工业生产,放弃过时的生产经营和高耗能设备,可以改善和减少能源消耗的
3)减少能源消耗,可以减少由于工业生产造成的不良生态后果。
(在最近的几年,世界能源消费每年的增长量为5.5%,而允许的基础上增加生态考虑不得超过1.5%。
)
4)增加能源消费为目的的运输,农业和家庭经济在全球范围从1975年的9TWH到2000年的约24TWH。
由于开设新的地雷或钻探新油井和利用它们,能源原材料储存合理化的消费行业是昂贵的进口原材料的一半一样和新原料收购的1/4价格。
必要性的合理化能源消耗是由于工业存在进程需要大量的能源消耗这样一个事实,但如果使用其它能源替代的消极后果将可能使得工业生产作业的减少。
金属热处理是一个能源消耗的过程,但是与此同时也是个节能的过程。
热处理的耗能量是非常大的,高于一个国家的平均耗能量的几个百分点,特别是2~4GJ/t的热处理零件(它取决于动作形式和条件。
)
在热处理行业中,主要是以电力获得热能的生产设备,能源气体,通常以甲烷含量高,获取热能和控制大气;和液体有机化合物生产控制大气或淬火介质(淬火油),有时作为加热的生产设备。
金属材料同时是节能的原因是热处理可以增加零件的设计强度和使用寿命(平均增加20%),这样可以减少金属的消耗量,应该说,减少的数量与所需生产的金属零件有关,一方面可以通过减少数量,金属矿产,能量和其它辅助材料的量以减少金属生产时的能耗量,另一方面,在辅助材料,工具,生产设备中减少消耗量也是减少能耗的一部分。
能源计算提出可以制定所谓的“能源矛盾热处理”,明确“热:
金属节约能源的手段。
从这个角度来看,计算结果表明,降低能源在国民经济中的消耗是很明智的:
1)如果热处理能节约10%以上的能源,那么可以从经济角度来看出好处(这是热处理生产行为的最大特点在许多情况下,节约了若干倍的能源。
)
2)如果假定金属材料在热处理过程中耗能量大约减少30%(有一个减少部分重量,并增加了其使用寿命),那么每公斤的钢铁可以同时平均节省1.5~2WH的能源(使用热处理还应当指出,在许多情况下,材料有些性能可能会被消除。
)。
一般情况下,可以减少热处理生产过程中能源消耗总量的10到几千个百分点(从原料到最后一部分)。
无论是能源优势还是热处理的规定,热处理本身也是尽量减少能源的消耗量的,1)适当选择节能方法进行热处理;2)采用节能热处理设备;3)从经济的角度方面看,热处理行业是合理的。
热处理方法可以降低零件的能源消耗。
在通过热处理以下的生产方法,它具有能耗低比目前广泛使用的,是可取的。
1、上述加热到600°C使用气氛保护;能源有效利用的重要原因是减少了能源消失的规模或消除能源的损失。
2、高温真空热处理是在没有气氛的环境下进行的。
3、渗碳后直接在单一的加热炉中淬火硬化;这样可以节约30%左右的能源。
4、用等温淬火代替调质处理。
5、减少或消除某些热处理的操作,如消除淬火回火浅层部分,减少锻炼和退火时间的最低限度(以30秒每毫米节),消除在某些情况下,低温回火,并保证了热量散失得最小。
6、使用纯氮(
<20anm)作为真空炉和清洗炉的冷却剂。
7、在热处理铜、铝及其合金,在进行调质,球化淬火,高温淬火和高温回火时,使用氮基保护气氛可得到较好的效果。
8、利用加热速率与传热速率相差不大的流化床加热(此外,流化床的加热时间很短。
)。
在化学热处理的生产中表面扩散层是一个非常耗能的过程,因此,下面的生产程序必须使用。
1、减少厚度的扩散层到最低限度,从而有可能显著减少处理时间。
例如,在930℃中渗碳,其渗层深度由1.4到1.1mm时,其所需要的时间则由11小时减少到7.5小时,和在540℃氮化时,氮化零件的氮化厚度从0.25mm减少到0.17mm,则所需时间相应地由40小时减少到10~12小时。
不同条件下,所需要的厚度不同,零件的处理应和所处的环境相适应。
2、在任何它可以接受的情况下,碳氮共渗和渗碳氮化是可以互换的。
这些过程分别是在920℃,840~860℃和520~580℃.这种改变的优势在于减少了百分之几的能源消耗和大量增加炉内空间。
当处理工件厚度不超过0.3mm时,为减少低碳低合金钢的表面负载,可用碳氮共渗取代渗碳。
机械零件在轻载下工作,但受到摩擦磨损程度很大时,可以用氮化处理,或,例如,磺酸氮化。
3、合理利用适当的程序渗碳的目的是为了降低能源消耗量,提高能源利用率的一种方法。
同时,最好使用新工艺渗碳方法,包括,真空渗碳,使用流化床,辉光放电。
增加温度能显著降低渗碳时间。
例如,为获得一个4.7mm厚的工件,在960℃时需要125小时,而在985℃时,其时间可降低到75个小时。
渗碳深度为2.5mm时,温度如果从925℃增加到1015℃时,渗碳时间可以由40个小时减少到21个小时。
并且,渗碳温度从980℃提高到1015℃警方,可以减少20%的能耗。
同气体渗碳相比,真空渗碳可以节省电能和浸渍介质。
真空渗碳碳可以使甲烷的使用量减少到10倍以上,而且还可以使在吸热气氛中渗碳的时间和处理时间减少约40%。
在流化床中渗碳发生得非常迅速。
例如,15KHGM气体渗碳钢在930℃的吸热气氛中渗碳6小时后的结果与950℃人流化床中1.5个小时渗碳的结果相同。
(表2)
离子渗碳在吸热时的油气消耗量比气体渗碳的气氛消耗量少10倍多。
气体渗碳气氛在吸热时的能耗量取决于炉子的吞吐量,在这种情况下,小容量的炉子其能源消耗量大于大容量的炉子能源消耗量。
(表3)
4、在基体化学热处理中使用大气中的纯氮。
在渗碳过程中,容易与氮结合的物质丙烷,二氧化碳,甲醇,或其他碳氢化合物的分离。
这样可以显著节省碳氢化合物和10%左右的电能。
5、使用离子渗氮,碳氮共渗,以及磺酸氮化,与相同的气体离子渗碳过程相比,能耗量和氮化天然气减少了约50%,处理时间也减少了约30%。
表面不扩散热处理采用了四种形式的加热方式:
感应加热,辐射加热,激光加热,电子加热。
其中的一些方法可能实现加热(例如,诱导和表面扩散的激光辐射加热),、他们未来将会用于表面强化。
1、感应加热无论是表面还是里面都得到了发展,用这种方法代替加热炉加热是可取的,因为,这将会使电能消耗量减少到加热炉加热的三分之一。
脉冲感应加热由于其技术优势使得它比正常感应淬火节省10%以上的能源成为可能。
2、在硬化薄厚零件时,采用辐射加热和卤素诱导辐射能量加热器是相当明智且相当有希望的。
3、同感应加热相比,激光加热和电子束加热的方法更昂贵(表4)。
到目前为止,这些方法主要用于对大型部件(电子束)和复杂形状的工件(激光加热)加热硬化。
使用节能设备热处理。
在这一领域中必须区分两个基本方向:
1)改善已投入使用的热处理设备;
2)为热处理生产作业开发新的节能设备。
从改善现有设备的角度来看,节约能源的构成如下:
1、不惜牺牲新的资本支出更换燃料炉。
电气炉除了维修费用较低外,其成本远远高于燃料炉,而且其平均效率是燃料炉的一半。
2、使用热循环回收废气。
(表5)最新的发动机能够加热空气到950℃,高效辐射管可能会成为一个重要的节能方法。
3、使用最新的绝缘材料,如白炭黑或刚玉纤维和其他形式的覆盖物,这也是了一个重要的节约能源的方法(图7)。
4、直接使用电热加热,这样就可以减少27%的费用,这种气体加热元件已经被制定了。
5、减少炉子重量的装置对节能有很大的影响。
(表8)
6、利用系统的编程来制温度-时间参数的过程,目的是考虑到热物理性质的收费和炉的成本,加热和冷却必须要按严格的方法进行。
在发展领域的设备,下列建议必须用于生产经营中的节能上面去:
1.必须找到高于一切渗碳过程的高温石墨辐射炉。
2.用真空炉取代小型生产中的可控气氛炉。
3.炉子的设计必须使得它能够对纯氮基气氛进行控制。
4.注意流化床与大气的保护和传热,特别是高温(1230℃以上)的热处理工具。
5.炉子在低温和中温时的辉光放电的化学热处理工艺。
6.感应加热和晶闸管转换更加广泛地用到他们。
7.加热设备的高能量可以降低能耗量同,包括卤素灯,激光和电子。
这种热处理工艺的组织从经济角度看很节能。
在广泛使用热处理无论是在技术上还是在经济上,以下这些都是必要的:
选择正确的材料进行热处理,热处理后得到正确的组织。
7、合理设计热处理工艺节省成本。
8、热处理技术节能发展的计划方法。
9、热处理正确的选择材料必须这样做,为了更大限度地节约能源,在这种情况下,可以从设计和工作过程的角度来看这些材料的热处理,由于减少了他的能源,其减少的温度用于生产部分。
10、钢材可以缩短退火时间或降低淬火温度。
11、高淬透性钢或合金钢代替碳钢的目的是为了减少渗碳时间;
12、用球墨铸铁代替钢生产受载荷大的齿轮(链和运动),轴套,制动器等。
13、可能会增加使用的新材料,会使生产经营中能源的消耗量变得更少,可能会取代传统材料。
14、较少的个别材料在专门工厂中生产。
可以简化生产组织。
15、热处理工艺在组织减少能源消费的基本方向包括:
16、最大限度地利用炉的工作空间(图9);
17、优化空转的炉,保护气氛发电机,以及其他辅助设备;减少气氛炉的空转温度和要迅速把他们回到生产中,在停机时间,必须分离氮
18、加热设备需要进行不间断的运作。
(如图10)
a)维持一个恒定的高效率能源的熔炉的维护清洁的所有设备,使用速效机制,运输和开放的大门,快速(非工作日)修复炉衬板,和有系统的检查读数的量度及控制仪器;
b)维持在最低数量的生产业务和各种形式的热处理材料。
通过观察为热处理的节能发展提供了下列原则:
a)表面热处理的份额增加限制了热处理的份额。
(表11);一般来说,热处理比表面热处理消耗更多的能源;
b)最大限度地减少热处理在空气中进行,增加在气氛和真空热处理的份额。
c)限制化学热处理真空和流化床盐浴使用的热量和气氛环境。
d)利用高能量的方法加热;
e)扩大用燃料加热的方法来限制电加热的使用。
结论
世界能源危机绝不能限制工业生产的发展,特别是热处理的发展速度绝不能降低,但必须鼓励合理利用和节约能源。
热处理,他本身是一个耗能大户,但同时也是一个节能大户。
用能源生产钢及其热处理这种能量的矛盾是由于不同的要求,因哦这是一个事实,即从能源的角度来看热处理比生产和使用未经热处理钢更经济几倍。
由于这一点,每一个国家都以减少能源消耗作为经济一个整体,有必要使用经过热处理的金属材料在工业上得到尽可能广泛的应用。
在热处理行业中,能源消耗还可以进一步减少,在金属热处理中,最简单的既能节约能源又不增加其资本支出的方法是组织生产;更为复杂一些,需要较长时间的是使用新的经营方法和生产设备。
热处理过程中将这些方法相结合使用,必定能减少10%以上的能量消耗。
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