替代“老三炉”缩短同发达国家差距的捷径（转贴）

Dream

1  前言
        进入WTO以来，我国成为发达国家投资的热点地区，推动了装备制造业等各行业的发展。由于种种原因，热处理行业近年来虽已取得不少进步，但与世界先进水平比较仍有较大的差距，这与当前各行业的发展需要不相适应。历史上重冷轻热后遗症，使“老三炉”难于迅速更新换代；电炉制造业简单的仿制及低价竞争妨碍了新技术的研制；真正具有自主知识产权的创新技术受到习惯势力的阻绕，得不到应有及时的支持。这些因素的综合作用，使热处理行业虽有较大的改观，但在设备和工艺上仍处于严重的落后状态。
        采用真空炉和可控气氛炉，可迅速提高热处理质量、缩短同发达国家的差距，但按热处理行业现状，不可能用此两种炉型替代数以十万计的“老三炉”（上世纪五十年代制造的在空气中加热的箱式炉、井式炉和盐浴炉，加上近十年生产的基本仿制“老三炉”的热处理炉，总数超过十万台），但在发达国家纷纷前来投资的年代，继续使用“老三炉”，意味着继续浪费能源、继续污染环境、继续生产在国际市场上缺乏竞争力的机电产品。因为热处理是充分发挥金属材料性能的关键，此环节处于落后状态，用金属材料制造的产品，就会显得傻、大、笨、粗，寿命短，消耗大，成本高，很难同发达国家争高低；在世界贸易市场上只能当新技术的引进角色，不能当新技术出口的主角，无法对付技术领域的不平等交易，不能阻挡外资企业蚕食大量中小企业的过程。
        扬戈炉业有限公司研发的“低真空变压热处理技术”（包括设备和工艺），是质优价廉的具有自主知识产权的专利技术，它所具备的功能是“老三炉”新陈代谢、老工艺吐故纳新的理想产品，是迅速提高热处理水平、缩短同发达国家差距的捷径。为了说明“低真空变压热处理技术”是既符合国情又符合发展方向的创新技术，特作如下叙述：
        2  恒压热处理炉的特点
        为了便于比较，凡在热处理加热过程炉压基本不变者称恒压炉。
        （1）恒压炉中的“老三炉”，是在空气中、溶盐中加热，加热过程炉压不变，空气中的氧和熔盐中从氧化物分解出来的游离氧造成工件的氧化、脱碳。
        （2）恒压炉中的真空热处理炉是先用高真空的技术装备抽掉工件周围的空气，而后充以高纯氮或氩把真空度降低后，再在恒压下加热。所以真空热处理的实质是无氧条件下加热和冷却，在加热和冷却过程，炉压压力是基本不变的。
        （3）可控气氛热处理的实质是在工艺所要求的气氛中加热，而后在不同的冷却剂中冷却，处理过程炉压基本不变，按工件的技术要求配制一套炉气发生和调控装置。
        3  低真空变压热处理技术的特点
“低真空变压热处理”这个词在专业书籍上尚未出现，但此项技术已研究了25年。
        低真空是相对于高真空而言，变压是相对于恒压而论。高真空只是快速除氧的技术措施，真空炉并非在高真空条件下加热，而是在充以高纯氮变成低真空后再加热。
        低真空变压热处理炉的特点是不漏气，用通水的真空泵快速排气到设定的低真空范围的上限真空度，而后靠中性气体自身的压力使炉压升到常压，继而升高到设定的正压，接着又迅速把炉膛（炉罐）抽到设定的负压，再用中性气体增压到设定的正压，再迅速抽到负压，如此凭借真空泵和高压中性气体之助自行进行大范围变压，同样可迅速排除工件周围的空气，而使其处于无氧环境，即用低真空加上变压方法也可起到快速除氧的效果，只要炉子不漏气，同样可使工件处在无氧条件下加热和冷却；炉子抽成低真空后，通过流量计向炉膛（或炉罐）定量、定向通入渗剂，渗剂进入炉内后，特殊结构的通道使液体先变成气体，气体变成过热气体，而后凭借负压之吸力，使过热气体高速进入炉膛并自行扩散至罐内各处，即使工件上的小孔、盲孔孔壁及压紧面上渗剂原子均能渗入而得到满意的渗层；炉的特殊结构，可省去渗剂的过热、气化、裂解等附加装置；在处理过程，可随意改变渗剂的组成和浓度，实现廉价的可控气氛加热。
低真空变压的工作原理，使炉具有高真空炉和可控气氛炉的一些优点，既可实现无氧化加热，又可实现可控气氛加热，还具有造价低、易维修，能耗少，处理成本低，投资少等优点。此外，该技术拥有自动改变炉压的功能，从而达到快速排气和提高渗碳、渗氮速度之目的。
        4  典型低真空变压热处理炉简介
        4.1 功能众多的WLV-I型渗氮炉
        我国低真空变压热处理技术是上世纪80年代初发展起来的先进技术，首先用于工具行业高速钢工具的低压氧氮共渗处理，经25年的研发，成为佛山市扬戈炉业有限公司的专利产品。一般而论，由于渗氮时间较长，保持渗氮过程工件周围足够数量的活性氮原子[N]是渗氮工艺的首要条件，保持渗氮气氛的均匀性是保证质量的前提，渗氮气氛的可调性、可控性和稳定性是评价渗氮设备质量的三个主要因素。
常规的正压、恒压渗氮炉很难满足上述要求，炉子的密封性差，服役时，泄漏的氨气充满炉子四周，工人操作环境恶劣；尽管用源源不断的新鲜氨气企图赶走罐中的老化气氛，但事实上即使氨气耗量很大，罐内气氛很难全部实现新老交替，尤其在工件与工件间及死角处的老化气氛排不净，罐内各处氮的浓度自然也不一致，必然造成炉气的不均匀，不均匀的炉气就无从再谈其可调性和可控性，从而无法保证渗层高质量。
        低真空变压渗氮炉，不仅不存在上述问题，而且拥有多功能、无污染、节能等优点，简述于下：
低真空变压渗氮炉的优点，首先来源于工作原理，而后得益于设备结构及处理工艺。低真空热处理是真空热处理范畴中的一支生力军，是一种廉价的真空热处理技术，众所周知，工件在炉压基本不变的条件下进行加热，这是古今中外传统的热处理操作方法。低真空变压热处理却反其道而行之，用低真空替代高真空，用变压代替恒压，用低真空结合变压方法，同样可快速排除炉罐（炉膛）内的空气、水蒸气及阻碍渗氮和渗碳的老化气氛，有害气氛排除后，炉内负压的吸力和气体渗剂自身的压力通过流量计快速、定量、定向进入炉罐并扩散到罐内各处，保证了炉气的均匀性、稳定性、可调性和可控性。工件上的微孔、盲孔孔壁及压紧面渗剂原子均可进入而得到满意的渗层。炉子配置工艺所需的气体及液体流量计，便可实现如下功能：
        渗氮、氮碳共渗、氧氮共渗、两类元素（提高表面硬度的强化型元素N、C、B，降低表面磨擦系数的润滑型元素S、O）的多元素共渗、低温奥氏体碳氮共渗、薄壁件浅层强化及使用蒸馏水的蒸汽氧化处理等，功能之多，居群炉之冠。此外，由于其拥有优良的炉气稳定性、均匀性、可控性和快速可调性的特点，在一台炉中便可实现QPQ、LTC在其多个液体槽中所产生的化学反应；广东顺德上市公司科达机电股份有限公司产品中的相对运动的机件，现在全部在一台低真空变压炉中进行复合处理，不再送南昌某单进行液体QPQ处理。广东江门机床厂的出口产品，用此炉型进行复合处理后，显微组织、硬度均满足出口要求，抗蚀试验表明复合处理者优于外国样品（外国样品100小时即现锈色，复合处理者300小时尚无锈色）。
WLV-I型渗氮炉的另一功能是实现无氧化、不变色的回火。高合金钢模具及高速钢刃具，在高真空炉中淬火后，必需在高真空回火炉中回火，并用高纯氮进行循环气冷却至低温，才能使工件保持无氧化和不变色；在低真空变压炉中回火，同样可使工件在无氧条件下加热从而保持高真空淬火后不氧化的色泽，回火结束可吊出炉罐快速冷却，不必用高纯氮循环吹冷，可节约投资3/4，缩短回火时间1/3左右。
        4.2 具有四个功能的WLV-II型渗碳炉
根据热处理行业的实际需要，WLV-II型渗碳炉具有下列四个不同的功能和配置。
        （1）具有常规渗碳炉的功能及配置。
        配置滴液器、密封电机、流量计等，采用煤油加甲醇、煤油加空气、煤油加氨气等的渗碳或碳氮共渗法，凭经验控制碳势，生产一般要求的机械零件。
        （2）碳势自控功能及其配置
        采用可编程碳控仪，由碳势传感器（即氧探头）检测氧电势，并根据炉温计算出碳势，改变渗剂量和渗碳温度，渗层随之改变；用手工控制这些参数，实现渗层的人工控制；若用电脑控制这些参数，便实现渗层的计算机控制。
        （3）实现低真空变压渗碳工艺及其配置
        现在低压渗碳、用乙炔气渗碳在国外被誉为化学热处理工艺的划时代进步[12]。早在1980年本公司的技术专家在进行高速钢工具的氧氮共渗研究时，曾进行低压的试验，当时的列项课题为“高速钢钻头的低压氧氮化”（当时曾获得上海市机电一局科技进步二等奖），经23年的发展，现在的低真空变压热处理专利技术可实现被誉为划时代进步的低压化学热处理。在此炉中进行低真空变压渗碳，罐中无氧，渗剂为乙炔和氮，不产生CO，无污染，无黑色组织，渗速快，可使渗碳质量提高一个档次，若采用淬透性好的合金渗碳钢（钢中含有Mo、Cr、Ni、Mn）制作工件，进炉后快速排气，渗碳后吊出炉罐外快冷，可得到银白色的表面。这种工艺的配置为：低真空抽气、供气系统（包括真空泵、电磁阀、电接点真空压力表、压力气体、浮子流量计）和工艺软盘。
        （4）模具和机件的无氧化加热
        对Cr12、Cr12MoV（一次硬化加热）、4CrMoSiV1（H13）等钢制作的模具及各种合金结构钢制造的重要机件进行无氧化加热淬火。最高加热温度1050℃，采用高温电热丝（0Cr27Al7Mo2）和Cr25Ni20Si2制作电热元件及炉罐，一般情况下用滴注适量甲醇、煤油便可实现无氧化加热，必要时配置由可编程碳控仪和氧探头组成的碳势检测、显示仪，根据不同钢号中的含碳量调控保护气氛中的碳势，使碳势等于或接近工件的含碳量，使工件在加热过程不产生氧化脱碳。
        4.3 低真空变压少无氧化加热炉
        “热处理现代化的关键在少无氧化，无氧化加热是当代热处理技术发展的主要趋向”[1]，这是两个符合国情的正确结论。因为我国机械工业的少无氧化加热只占处理量的30%，而发达国家达到80~90%以上。少无氧化加热是指金属材料在热处理加热过程处在氧分压很低的环境中，使金属材料表面不会生成氧化皮。因为空气中存在21%的氧气，在空气中加热生产的氧化皮损耗会达到金属本身重量的3%；氧化皮的形成必然造成脱碳，工件脱碳明显降低材料力学性能，一般用酸洗或喷沙方法把氧化皮除掉，用切削方法除去表面脱碳层，这样不仅造成环境污染，而且使金属材料的损耗达金属本身的3~5%。把材料做成金属制品需经锻、轧、退火、调质（或正火）及淬火等工序，如全部在空气中加热，按损耗为自重的3%计算，则每吨钢材将损耗30~50kg，这是少无氧化加热成为热处理现代化关键的主因。
        实现金属材料及其制品的少无氧化加热途径有两条，一是在无氧条件下加热，二是在可控气氛或保护气氛条件下加热（气氛的碳势与工件的含碳量相当者叫保护气氛；气氛中的还原性气体和氧化性气体的比值在高温下能达到氧化和还原反应平衡的混合气叫做可控气氛）。
        如上所述，用真空炉和可控气氛（保护气氛）炉来迅速提高热处理行业少无氧化加热的比例是很困难的，因为现在这两类炉子的售价对大多数热处理厂、点是很难承受的。低真空变压热处理炉既可快速排气而实现无氧条件加热，又能迅速调整炉气组成而实现可控气氛（保护气氛）加热，在售价上绝大多数热处理厂、点均有条件购买。所以，采用低真空变压炉是在少无氧化加热方面迅速赶上发达国家的捷径。
        4.3.1 采用电热丝的低真空变压少无氧化加热炉
        低真空变压中温（≤950℃）少无氧化加热炉，在低真空条件下无论是有罐式或无罐式加热，采用氮+甲醇、普氮+少量液化气等保护气氛便可实现少无氧化加热。但加热温度高于1000℃的热处理炉却存在如下问题：
        ①螺旋型电热丝靠炉墙的半圈散热差，寿命短；
        ②现在耐热钢制作的炉罐在超过1050℃温度使用，寿命不长。
        考虑到炉子的造价及其使用寿命，本公司采用高温弓形电热丝和筒形发热体分别制造炉膛表面积大和小的炉子；采用无罐式结构制造温度超过1050℃的加热炉，现把这三种炉的特点作如下简介：
        弓形电热丝用于无罐式结构，在功率相同时，弓形丝所占的炉膛表面积大。因此，弓形发热丝适用于炉膛内径大、表面积大的炉子，并在必要时配置变压器缩短电热丝的长度。对于炉罐内径较小的高温炉（≤1200℃），不用电阻丝，采用筒形发热体制造炉子。
        4.3.2 SLV-I型低真空变压少无氧化加热炉
        此炉最高加热温度1150℃，无罐式结构，使用蓄热法制作内炉衬，选用绝热好、耐高温、吸热少的炉衬材料，使无用热量降至最低程度。炉衬外的密封套防止空气入侵，保护气氛自炉底中部的布气盘进入炉膛，可用碳控仪和氧探头随时调整保护气中中的碳势，使其同工件中的含碳量相当，避免加热过程的氧化脱碳。工件进炉后先用配置的低真空变压抽气、供气系统完成快速排气，而后让保护气氛自下而上进入炉膛，保护气氛中的活性碳[C]随时消除从炉衬中释放出来的造成氧化脱碳的氧和氢等物质。
同常规高温炉（RX3，RJ2）比较，SLV-I型炉有如下特点：
        ①在箱式炉后墙和炉顶安装电热丝，加上内炉门挡热，使炉温均匀度达到圆形炉膛的水平。井式炉的炉盖为双层，上层为密封盖，下层用来挡热。
        ②炉子不漏气，工件进炉后，高效率的低压变压排气、充气系统可很快排除炉膛中的空气和水蒸气，而后自行注入适量有机液体，彻底消除炉膛中的残余氧和水份，工件即使长期加热也无氧化皮产生。
        ③炉衬采用特殊形状的轻质搁丝垛，尽可能少用耐火砖，陶瓷纤维占整个炉衬材料的1/2以上，炉子蓄热和散热少、升温快、保温好、热效率高。
        ④采用智能化仪表控温，输出功率自动调节，保温时的功率只须额定功率的1/3~1/4；具有超温报警、超温断电、自动复位功能，控温精度达±1℃。按用户要求对于大型模具可用电脑进行程序控温。
        ⑤用途广，柔性大。除了替代在空气中加热的箱式电阻炉外，可用来处理各类模具（指热处理后需要磨加工的模具），而不用真空炉和盐浴炉，显著降低成本（同真空炉比较产量提高一倍，处理成本降低1/2~2/3），节约电耗和防止污染（同盐浴炉比较电耗降低50%左右）。
        4.3.3 SLV-II型少无氧化加热炉
        此炉型的外形和SLV-I型相似，是在SLV-I型基础上改进的一项新专利技术（炉用电阻发热体）制成，除保留SLV-I型原来的优点外，还具有以下新的特点：
        ①不用电阻丝或电阻带，采用电阻发热体，此电阻发热体既作为炉膛壁，又是发热源，使发热体的寿命大大加长。
        ②发热体的外壁直接用高质量陶瓷纤维包裹绝热，使炉的外形尺寸缩小，占地面积小，热损失小，重量轻。
        ③电阻发热体用36伏以下的电压供电，安全性好。整个炉壁发热，升温快（10~16℃/分）。
        ④从炉底微孔布风装置通入一种或多种所需气氛，可进行无氧化加热。
        ⑤此炉型是盐浴炉的理想代用品，把盐浴炉原有的变压器及温控装置少加改动便可服役。同盐浴炉比，电耗降低3/4，无污染，工作场地清洁，工件加热过程无氧化脱碳。
        可替代流动粒子炉，既适于单位生产，又能进行批量生产，碳钢、合金钢及高合金钢（加热温度≤1150℃）工件均可进行无氧化无脱碳加热。
        大部分模具（指有磨削余量者）均可用此炉型加热淬火，而不必用真空炉或盐浴炉加热，降低了热处理成本（同真空炉比较，成本降低4/5左右），可实现绿色热处理。
        5  低真空变压热处理技术的使用情况
        根据低真空变压热处理的特点，结合我国热处理行业的现状，行家预测，此项技术可能是迅速改变我国当前热处理设备和工艺落后状态的捷径，符合多快好省的精神，还能增加入世后中、小热处理企业抵御国际资本鲸吞的抗力。
        此项技术已被成功地应用于处理各种性能要求较高的工、模、量具及其它特殊零件。如高速钢剃齿刀、万吨挤压机（挤压铝合金）模具、大型高精度模具、用不锈钢制造的出口量具、高应力冲模、高速钢丝锥、用中碳合金钢制造大型打桩机、大型活塞环、加工大型铸钢齿轮的刀具及用于摩托车、轿车配套件中的薄壁零件等。已为国内兄弟企业解决了一些生产中的难题，效果明显，受到赞同，其中在一个炉中完成QPQ液体生产线全部化学反应的工装受到特别欢迎。
    6  低真空变压热处理技术的发展方向
        低真空变压热处理技术（包括设备和配套工艺）是综合主、客观的实践经验，并结合我国实际情况研制成功的，是处于发展阶段的新事物，尚在不断完善。这项技术发展空间很大、潜力很大，我们把热处理行业的“十五”规划和“2015”年发展设想作为发展此项技术的具体内容：
        （1）发展大型工件的少无氧化加热  在少无氧化加热方面，主要发展大型工件的少无氧化加热，例如超过5吨重的模具和工程机械用的大型锤头的淬火和表面强化。这类产品采用低真空变压加热炉，可以使它不漏气；使用专利中采用的真空泵（加大容量或多台联合使用），可以使炉膛达到本公司规定的真空度要求而实现少无氧化加热。我们的表面强化技术可以进行超大型模具、巨型工程机械要求耐磨的零件和船用大型曲轴等氮化、氧氮化、氮碳共渗及QPQ等处理。
        （2）进一步提高加热温度  现在炉子的最高加热温度为1100~1150℃，提高加热温度的关键是炉用材料，它们在低真空条件下需具有足够的强度、抗蚀和抗渗碳能力，而且要经济。我们将逐步研制能在1200℃、1220℃、1250℃、1280℃温度下的长期加热的炉用材料。
        （3）实现炉内冷却  现在的少无氧化加热炉是炉内加热炉外冷却，尽管加热过程不形成氧化皮，但在冷却时仍需和空气接触而产生少量氧化脱碳，对于热处理后需磨加工的模具是适用的，但对于高精度形状复杂的模具必需在无氧条件下冷却。制造炉内冷却的低真空变压热处理炉是我们的计划内容之一。
        （4）探索缩短渗碳时间  缩短渗碳时间是热处理工作者的普遍愿望。实践早已证明，渗碳温度提高到1050℃，只需45分钟，20CrMnTi钢的后桥齿轮的渗碳层深度可达0.8~1.2mm，而20CrMnTi钢的加热温度≤1050℃时晶粒不会长大。因此，提高20CrMnTi钢的渗碳温度，从而缩短渗碳时间是可能的。在SLV-II型炉上试验证明，20CrMnTi钢在1020℃渗碳60分钟后渗层深度为0.75~0.8mm。研制最高加热温度为1050℃并能适用于实际生产的炉子结构，是今后要做的难度很大的科研工作。
        （5）精控炉气  精控炉气是为了精控热处理工件的表层显微组织，低真空变压热处理炉，可随时快速调整炉气，按产品质量最佳标准来生产；用静态控制法控制炉气，可生产多数工模具和机械零件。对于质量要求高的产品可以安装碳势、氮势自控仪，精控产品表层的显微组织。
        按现代热处理设备的发展方向——精洁、精密、节能和质量控制4个方面来衡量[8]，低真空变压热处理设备是可实现绿色热处理的清洁设备；是炉温均匀度≤±5℃、可精控炉气从而可精控氮势、碳势，热效率高并可精密控制热处理质量。它是一种既符合国情又符合发展方向的热处理设备。
        参考文献
        [1]  樊东黎.热处理的昨天今天与明天[M],1999.
        [2]  胡明娟,潘健生等.低压脉冲氮化的基础研究[C].全国第四届化学处理学术会议论文集（三）,1989.
        [3]  陈涛,陈彬南.加压气体渗氮和氮碳共渗研究[J].金属热处理,1998（3）.
        [4]  叶铁军,凌国平.高炉压大剂量滴注式气体渗碳（HG）技术[J],金属热处理,2000（8）P36.
        [5]  翟宝隆.增压气体渗氮探讨[J],金属热处理,1998,23（8）;27.
        [6]  李茂山等.我国热处理的现状及发展方向[C].中国热处理行业协会第四次会员大会资料汇编,2002.
        [7]  刘恩珠等.真空渗碳在喷油咀上的应用[C].全国第四届化学热处理学术会议论文集（一）,1989.
        [8]  樊东黎.热处理设备的现状与展望[J].机械工人（热加工）,2002（9）.
        [9]  戈茂庆.工具热处理诸问题的论述[C].上海市虹口区科协热处理年会论文,1990.
        [10]  戈茂庆,杨志文.低真空变压热处理技术的特点及其发展[J].金属热处理,2003（8）.
        [11]  李远生,谢炳豪.佛山市能源利用监测中心测试报告.内部资料,2003.
        [12]  樊东黎.热处理的划时代进展——低压渗碳技术.机械工人（热加工）,2003（4）.

[ 本帖最后由 stigershu 于 2008-1-2 15:28 编辑 ]