关于美国“热处理技术发展路线图”的讨论

美国热处理技术发展路线图概述

樊东黎

全国热处理学会荣誉理事长

1 背景

美国能源部工业技术局（DOE-OIT）于上世纪90年代树立了一个被称作“未来生产技术”的设想，为此提出一系列必须实现的技术项目。其目的是帮助美国大量使用能源和形成大量工业废料的行业利用这些技术取得不断进步和保持国际竞争能力。热处理虽然不算是“未来生产技术”计划中的原本行业，但此领域内的企业被公认是主要能源用户，对制造业发生实质性的影响。 美国能源部和热处理学会（HTS）最近签订了一个参加未来工业计划的“合作伙伴”（Allied Partner）协议，其目的是通过“最优秀的实践（best practices）”达到提高能源利用率和劳动生产率的效果。这些实践的领域是控制和传感技术、压缩空气、加热公益、工业技术信息的共享以及各种研发活动。

2 发展路线图制订过程

美国金属学会热处理学会成立于1994年，下设紧急需求（Immediate Needs）、研究开发、工艺和程控（Technology and Programming）、教育四个委员会。其宗旨是首先是在这些方面满足会员要求，其次研发委员会的任务是确认热处理行业的未来技术需求，确立计划、资金、实现满足需求研发项目以及这些项目的成果向工业生产推广的机制。1995和1996年紧急需求委员会在全行业的企划中进行了全面调查，列出一系列热处理生产中紧急需求项目。1996年2月美国国家能源部、热处理学会、金属热处理协会（Metal Treating Institute）召集了20名热处理全能（captive）和专业（commercial）加工企业、制造业和销售企业领导讨论并提出了美国热处理2020年设想和远期目标。有17名专家组成的热处理学会研发委员会于1997年2月提出了热处理技术发展路线图（Heat Treating Technology Roadmap）初稿和三个领域，即设备和硬件材料、工艺和被处理材料、能源和环境方面的70个研发项目以及1999年的研发计划。2002年7月热处理学会研发委员会在依利诺依斯工业大学（Illinois Institute of Technology）对路线图进行讨论修改和补充。2004年公布了“热处理学会的2004热处理路线图（Heat Treating Technology Roadmap-2004 HTS Revision）修订稿”。

3 美国热处理2020年设想目标

美国热处理2020年设想目标是能源消耗减少80%，工艺周期缩短50%，生产成本降低75%，热处理实现零畸变和最低的质量分散度，加热炉使用寿命提高到原先的10倍（增加9倍），加热炉价格降低50%，实现生产零污染。

4 组织实施措施

1999年9月在Worcester工业大学（Worcester Polytechnic Institute, 简称WPI）的金属加工学院（Metal Processing Institute ）成立了“热处理杰出技术中心”（Center for Heat Treating Excellence ,简称CHTE）。CHTE成立后不久在Illinois工业大学（Illinois Institute of Technology）成立了“热加工技术中心”（Thermal Processing Technology Center,简称TPTC）。组织全行业的企业参与研发实现路线图目标和完成所提出的70余个研发项目。

5 值得重视的研发项目

（1）利用地下水循环的感应加热淬火 <500kW的感应淬火利用地下水闭路循环冷却，使用时用深井泵抽取地下水，后经净化处理再返回地下。目前密执安州Alger市Roll Rite公司的一台150kW的Ajax Tocco感应淬火系统已采用此法，每日的费用仅以美分计。

（2）强烈淬火工艺 乌克兰科学院柯巴斯科院士开发的钢件用水或盐水剧烈冷却淬火是表面形成残余压应力并减少畸变的方法，已在美国获准以Intensi Quench服务商标注册了IQ Technologies Inc公司。由于以水代油，减少了油品消耗并显著降低生产成本，受到美国能源部的重视和支持。

（3）1010℃以上温度的高温渗碳 真空渗碳技术的成熟和低压渗碳技术的开发为实现高温渗碳制造了条件。由于能显著缩短渗碳周期和节约能源，此项目已列入路线图研发计划的“工艺和材料技术”分组计划。WPI的CHTE推动了工业企业和高效的合作、制造商和生产用户的协同开发。

（4）Ni₃Al金属间化合物－新型炉内抗渗碳耐热构件材料 Ni₃Al已问世约20年，因为很脆，长期未获实际应用。Oak Ridge国家实验室由Chain T.Liu领导的集体发现添加微量硼可明显改善其塑性，可作为炉子料筐、夹具，Ni₃Al材料成分为添加Cr、Zr、Mo、B的8%～11%Al,81%～88%Ni。此材料具有出色的强热性、抗蠕变、抗渗碳能力。Delphi-Saginaw Steering Systems公司通过和能源部的合作研究与开发协议已在料盘上进行了数年的成功试验。

（5）APM和APMT（更高强型APM合金）合金长寿命辐射管 瑞典Kanthal AB的Sadvik公司继Kanthal Al电热丝之后相继开发出APM和APMT合金。此种材料仍然是在A-1粉末材料基础上，通过热等静压（Hot Isostatic Pressing）和深拉延出来的。用APM合金制造的电热和燃气辐射管比普通耐热合金辐射管能经受双倍的热流，925℃能经受的热流可达9～10kJ/m²。

（6）炉用平面辐射板 燃气技术所（Gas Technology Institute）开发的能砌入炉壁的平面辐射板（flat radiant panel），能增加辐射表面、降低表面温度、延长炉子使用寿命，提高炉温均匀性，减少炉衬、使炉子尺寸缩小50%，加快炉子升温和冷却速度，形成的NOx很少。

（7）反向循环单管封闭式辐射管（reverse annulus sigle-ended radiant tube） 北美制造公司（North American Mfg.Co.）和燃气研究所（GTI）共同开发。热辐射率高，用相同材料制造此种管能经受更高温度、提高燃烧效率10%，减少50%的NOx，使用寿命长。

（8）低NOx燃气强烈内循环（Forced Interval Recirculation）辐射管 GTI开发的U型辐射管延管长温度均匀。当炉温为1010℃，空气遇热温度从455℃提高到了480℃时，产生的NOx<0.008%（vol）。而一般预热空气辐射管所产生的NOx大0.02%～0.25%(vol)。

（9）直焰冲击燃烧技术（Direct Flame Impingement Technology） 使用多喷嘴平嵌入炉壁的高速燃烧器，喷射速度达到1马赫（～330m/s）,可在空气过剩系数α=1的条件下工作，提高能源利用率35%、减少70%的NOx，提高生产率25%、减少50%的氧化烧损、有年节约1～1.5亿美元的潜力。

（10）智能化感应淬火闭环控制系统（Closed-loop control technology） 利用神经网格系统控制原理，全面控制选材、相变、加热工艺、渗层。所提供的软件具有优化零件强度/重量比的功能，具有的主、被动电磁传感器能监控整个加热过程中的透热深度。

（11）预见钢件渗碳淬火时的残余应力状态的软件。

（12）延长机器零件寿命残余应力状态的DANTE软件。

（13）准确预见钢热处理相变定量数据的软件。

（14）工艺热能评价的鉴定软件（Process Heat Assessment and Survey Tool ,PHAST） 该软件为美国能源部计划项目，供用户按不同燃烧方式和热回收参数进行热能转换的工具，可比较炉子在工作状态下的性能，计算各种工作条件下的节能潜力。

（15）加热炉能源分析工具（Furnace Energy Analysis Tool） 可计算按小时、年度或每磅零件的燃料、电能消耗成本数据。

（16）能源有效利用分析软件。

6 设备和硬件材料部分研发项目

（1）工艺控制 主要项目包括：①开发改进预测工具，例如工艺设计、预见状态、热物理和力学性能预测计算机模型。②开发适时过程控制技术，安装在炉中和淬火槽中测量气流、淬火烈度、碳、氮势的灵巧传感器。③开发在工件上适时直接测量表面含碳量的方法。④开发工艺参数无人监控的生产方法。⑤快速、无损、经济、实施测量渗碳层深度的方法。⑥用多种传感器和技术按AMS规范（Aerospace Material Specification）鉴别炉子的更优化系统。⑦更好的设备故障诊断、预防、维护方法，如烧嘴裂纹预测、防止炉内气氛恶化。⑧建立标准/预见设备易变可行性的研究，例如不可能有两台完全一样的炉子。⑨预测炉子几何尺寸、风扇速度、装炉量和装炉形状的模型。

（2）材料 主要项目包括：①改进氧探头的抗碳黑能力——开发能用于700℃以下的氧探头。②新的功能材料（如绝热材料）和结构材料（如在高温下工作的结构材料）。③炉用经济耐热构件材料。④提高炉子的耐热构件合金性能，包括抗渗碳合金夹具、料盘的廉价涂层。

（3）硬件（设备） 主要项目包括：①高效（>80%）燃热器。②高流速换热器，高转速风扇，增加传热面积等提高炉料受热条件的措施。③减少散热的筑炉廉价绝热材料。④节能、无内氧化渗碳气氛。⑤铝合金淬火设备的改进。⑥整批（盘）炉料的均匀淬火系统。⑦淬冷设备改良设计模型。⑧单件流动和机加工同步热处理设备。⑨附加淬火机床上的能适时感知淬火开裂的传感器。⑩廉价的残余应力非破坏检测方法。○11更有效和更廉价的液态或非液态工作脱脂方法和设备。

7 工艺和材料部分研发项目

（1）材料和工艺 主要项目包括：①减少试验、避免错误的设计感应器软件工具。②抗晶粒长大的高温（～1010℃）渗碳钢。③缩短渗氮周期的工艺。④改善感应、磁场、炉内加热回火、时效工艺的减少质量分散度和缩短工艺周期。⑤减少加热时间的快速加热相变动力学。⑥稀土元素对热处理组织转变的影响。⑦高效的表面改性工艺。⑧材料的深冷处理极限。⑨聚合物、复合材料、新的铁合金和非铁合金等新材料的热处理。⑩可替代渗碳的材料和工艺，控制淬透性钢、强烈淬火。○11代替表面淬火的高效生产方法。

（2）材料应用软件和模型数据库 主要项目包括：①材料选择软件：用户输入要求性能、输出工艺和热处理参数。②材料失效（破坏）过程模型：输入使用特性指标（磨损、载荷、腐蚀）、输出材料的组织性能，反过来用于失效分析。

（3）模型的开发 主要项目包括：①加热、冷却体积应变的相变模型。②加热和冷却相变的体积应变模型。③连续加热和冷却相变数据库，包括轧制变量、成分不均匀组织对相变的影响。④把相变模型汇聚为软件工具。⑤把常温性能转化为高温性能的数据库。⑥生产设备使用不同介质测量介质和工件传热过程的探头。⑦不同介质中冷却的试验工业标准。⑧渗碳、氮、高温渗碳气—固相作用的热力学模型。⑨预先冷却、残余应力和性能关系的热力学模型。⑩过程控制系统的适时控制系统的链接模型。○11形成有效均匀热传导的流体动力学的计算机模拟。

8 能源与环境部分的研发项目

（1）能源 主要项目包括：①开发回收低级热的经济方法，废热的收集和利用，例如工业热和烟道热。②高效热传导的加热技术和设备，例如能提高传热速度的等离子加热。③高温热回收技术。④进一步开发可提高热效率的富氧燃烧技术，例如流体薄膜技术。⑤收集热处理设备能源利用底线数据，用于确立未来节能标准数字。⑥回收加热炉气氛的方法。⑦积累热、电与热处理协调的先进技术。⑧开发高温气体循环系统，以改善加热炉效率，例如冲击加热法。⑨局部加热和表面淬火的节能新工艺。⑩热处理设备设计的标准化，以实现其通用性和减低设计费用。

（2）环境 主要项目包括：①减少CO、CO₂和NOx的燃烧技术和后处理技术。②清洗液的消除、减少和回收利用，废油和其他淬火介质的管理以及废料的再生利用。③代替盐和油淬火的廉价方法，例如用水和惰性气体。④用于低、中合金钢件的廉价气冷淬火技术，例如节约用氢的淬火技术。⑤自非液流中提出副产燃料，例如燃烧排放的气体。⑥可完全清除工件油迹的高效清洗技术。

9 公益事业部分的项目

主要项目包括：①热处理卫生安全规定，例如避免火灾、人身伤害的安全管理、工厂内部空气质量、人机工程、钡盐和胺盐以及其他有害物质的安全限量管理。②有关冶金基础、炉子安全的人员培训，课程的设置，需要培训的人员。③制定热处理设备发射有害物底线，以避免今后对环境的污染。④设立热处理设备的能源利用率底线以备将来制定节能标准限度。