1.背景
美國(guó)能源部工業(yè)技術(shù)局(DOE-OIT)于上世紀(jì)90年代樹(shù)立了一個(gè)被稱為“未來(lái)生產(chǎn)技術(shù)”的設(shè)想，為此提出一系列必須實(shí)現(xiàn)的技術(shù)項(xiàng)目。其目的是幫助美國(guó)大量使用能源和形成大量工業(yè)廢料的行業(yè)利用這些技術(shù)取得不斷進(jìn)步和保持國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。熱處理雖然不算是“未來(lái)生產(chǎn)技術(shù)”計(jì)劃中的原本行業(yè)，但此領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)被公認(rèn)是主要能源用戶，對(duì)制造業(yè)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的影響?！ ?/span> 美國(guó)能源部和熱處理協(xié)會(huì)（HIS）最近簽定了一個(gè)參加未來(lái)工業(yè)計(jì)劃的“合作伙伴”（Allied Partner)協(xié)議，其目的是通過(guò)“最優(yōu)秀的實(shí)踐（best practices)”達(dá)到提高能源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率的效果。這些實(shí)踐的領(lǐng)域是控制和傳感技術(shù)、壓縮空氣、加熱工藝、工業(yè)技術(shù)信息的共享以及各種研發(fā)活動(dòng)。
2.發(fā)展路線圖制定過(guò)程
美國(guó)金屬學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)成立于1994年，下設(shè)緊急需求（Immediate Needs)、研究開(kāi)發(fā)、工藝和程控（Technology and Programming)、教育四個(gè)委員會(huì)。其宗旨是首先是在這些方面滿足會(huì)員要求，其次研發(fā)委員會(huì)的任務(wù)是確認(rèn)熱處理行業(yè)的未來(lái)技術(shù)需求，確立計(jì)劃、資金、實(shí)現(xiàn)滿足需求研發(fā)項(xiàng)目以及這些成果向工業(yè)生產(chǎn)推廣的機(jī)制。1995年和1996年緊急需求委員會(huì)在全行業(yè)的企劃中進(jìn)行了全面調(diào)查，列出一系列熱處理生產(chǎn)中緊急需求項(xiàng)目。1996年2月美國(guó)國(guó)會(huì)能源部、熱處理學(xué)會(huì)、金屬熱處理協(xié)會(huì)(Metal TreatingInstitute)召集了20名熱處理全能(captive)和專業(yè)(commercial)加工企業(yè)、制造業(yè)和銷售企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)討論并提出了美國(guó)熱處理2020年設(shè)想和遠(yuǎn)期目標(biāo)。有17名專家組成的熱處理學(xué)會(huì)研發(fā)委員會(huì)于1997年2月提出了熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖初稿和三個(gè)領(lǐng)域，既設(shè)備和硬件材料、工藝和被處理材料、能源和環(huán)境方面的70個(gè)研發(fā)項(xiàng)目以及1999年的研發(fā)計(jì)劃。2002年7月熱處理學(xué)會(huì)研發(fā)委員會(huì)在依利諾依斯工業(yè)大學(xué)對(duì)路線圖進(jìn)行討論修改和補(bǔ)充。2004年公布了“熱處理學(xué)會(huì)的2004熱處理路線圖修訂稿”。
3.發(fā)展路線圖制定過(guò)程
美國(guó)熱處理2020年設(shè)想目標(biāo)是能源消耗減少80%，工藝周期縮短50%，生產(chǎn)成本降低75%，熱處理實(shí)現(xiàn)零畸變和最低的質(zhì)量分散度，加熱爐使用壽命提高到原先的10倍（增加9倍），加熱爐價(jià)格降低50%，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)零污染。
4.組織實(shí)施措施
1999年9月在Worcester工業(yè)大學(xué)（Worcester Polytechnic Institute，簡(jiǎn)稱WPI）的金屬加工學(xué)院成立了“熱處理杰出技術(shù)中心”（Center for Heat Treating Excellence，簡(jiǎn)稱CHTE）。CHTE成立后不久在Illinois工業(yè)大學(xué)成立了“熱加工技術(shù)中心”（Thermal Processing Technology Center，簡(jiǎn)稱TPMotor）組織全行業(yè)的企業(yè)參與研發(fā)實(shí)現(xiàn)路線圖目標(biāo)和完成所提出的70余個(gè)研發(fā)項(xiàng)目。
5.值得重視的研發(fā)項(xiàng)目
（1）利用地下水循環(huán)的感應(yīng)加熱淬火
＜500kW的感應(yīng)淬火利用地下水閉路循環(huán)冷卻，使用時(shí)用深井泵抽取底下水，后經(jīng)凈化處理再返回地下。目前密執(zhí)安州Alger市Roll Rite公司的一臺(tái)150kW的Ajax Tocco感應(yīng)淬火系統(tǒng)已經(jīng)采用此法，每日的費(fèi)用僅以美分計(jì)。
（2）強(qiáng)烈淬火工藝
烏克蘭科學(xué)院柯巴斯科院士開(kāi)發(fā)的鋼件用水或鹽水劇烈冷卻淬火是表面形成殘余壓應(yīng)力并減少畸變的方法，已在美國(guó)獲準(zhǔn)以Intersi Quench服務(wù)商標(biāo)注冊(cè)了IQTechnologies Inc公司。由于以水代油，減少了油品消耗并顯著降低生產(chǎn)成本，受到美國(guó)能源部的重視和支持?！ ?/span>
（3）1010℃以上溫度的高溫滲碳
真空滲碳技術(shù)的成熟和低壓滲碳技術(shù)的開(kāi)發(fā)為實(shí)現(xiàn)高溫滲碳制造了條件。由于能顯著縮短滲碳周期和節(jié)省能源，此項(xiàng)目已列入路線圖研發(fā)計(jì)劃的“工藝和材料技術(shù)”分組計(jì)劃。WPI的CHTE推動(dòng)了工業(yè)企業(yè)和高校的合作、制造商和生產(chǎn)用戶的協(xié)同開(kāi)發(fā)。
（4）Ni3Al金屬間化合物--新型爐內(nèi)抗?jié)B碳耐熱構(gòu)件材料
Ni3Al已問(wèn)世約20年，因?yàn)楹艽啵L(zhǎng)期未獲實(shí)際應(yīng)用。Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室由Chain T. Liu領(lǐng)導(dǎo)的集體發(fā)現(xiàn)添加微量硼可顯著改善其塑性，可作為爐子料筐、夾具，Ni3Al材料為添加Cr、Zr、Mo、B的8%～11%Al，81%～88%Ni。此材料具有出色的強(qiáng)熱性、抗蠕變、抗?jié)B碳能力。Delphi-Saginaw Systems公司通過(guò)和能源部的合作研究與開(kāi)發(fā)協(xié)議已在料盤(pán)上進(jìn)行了多年的成功試驗(yàn)。
（5）APM和APMT（更高強(qiáng)型APM合金）合金長(zhǎng)壽命輻射管
瑞典Kanthal AB的Sadvik公司繼Kanthal AL電熱絲之后相繼開(kāi)發(fā)出APM和APMT合金。此種材料仍然是在A-1粉末材料基礎(chǔ)上，通過(guò)熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing）和深拉延出來(lái)的。用APM合金制造的電熱和然氣輻射管比普通耐熱合金輻射管能經(jīng)受雙倍的熱流，925℃能經(jīng)受的熱流可達(dá)9～10kJ/㎡。
（6）爐用平面輻射板
燃?xì)饧夹g(shù)所（Gas Technology Institute）開(kāi)發(fā)的能砌入爐壁的平面輻射板（fiat radiant panel），能增加輻射表面、降低表面溫度、延長(zhǎng)爐子使用壽命，提高爐溫均勻性，減少爐襯，使?fàn)t子尺寸縮小50%，加快爐子升溫和冷卻速度，形成的NOx很少。
（7）反向循環(huán)單管封閉式輻射管(reverse annulus sigle-ended radiant tube)
北美制造公司Noth Amerivan Mfg.Co)和燃?xì)庋芯克?/span>GTI）共同開(kāi)發(fā)。熱輻射率高，用相同材料制造此種管能經(jīng)受更高溫度，提高燃燒效率10%，減少50%的NOx，使用壽命長(zhǎng)?！ ?/span>
（8）低NOx燃?xì)鈴?qiáng)烈內(nèi)循環(huán)(FORCED Interval Recirculation)輻射管
GTI開(kāi)發(fā)的U型輻射管延管長(zhǎng)溫度均勻。當(dāng)爐溫為1010℃，空氣遇熱溫度從455℃提高到了480℃時(shí)，產(chǎn)生的NOx＜0．008%（vol）。而一般預(yù)熱空氣輻射管所產(chǎn)生的NOx大于0．02%～0．25%（vol）。
（9）直焰沖擊燃燒技術(shù)(Direct Flame Impingement Technology)
使用多噴嘴平嵌入爐壁的高速燃燒器，噴射速度達(dá)到1馬赫（～330m/s），可在空氣過(guò)剩系數(shù)a=1的條件下工作，提高能源利用率35%，減少70%的NOx，提高生產(chǎn)率25%，減少50%的氧化燒損，有年節(jié)約1～1．5億美元的潛力。
（10）智能化感應(yīng)淬火閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed - loop control technolgy)
利用神經(jīng)網(wǎng)格系統(tǒng)控制原理，全面控制選材、相變、加熱工藝、滲層。所提供的軟件具有優(yōu)化零件強(qiáng)度/重量比的功能，具有的主、被動(dòng)電磁傳感器能監(jiān)控整個(gè)加熱過(guò)程中的透熱深度?！ ?/span>
（11）預(yù)見(jiàn)鋼件滲碳淬火時(shí)的殘余應(yīng)力狀態(tài)的軟件
（12）延長(zhǎng)機(jī)器零件壽命殘余應(yīng)力狀態(tài)的DANTE軟件
（13）準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)鋼熱處理相變定量數(shù)據(jù)的軟件
（14）工藝熱能評(píng)價(jià)的鑒定軟件
該軟件為美國(guó)能源部計(jì)劃項(xiàng)目，供用戶按不同燃燒方式和熱回收參數(shù)進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換的工具，可比較爐子在工作狀態(tài)下的性能，技術(shù)各種工作條件的節(jié)能潛力。
（15）加熱爐能源分析工具
可計(jì)算按小時(shí)、年度或每磅零件的燃燒、電能消耗成本數(shù)據(jù)?！ ?/span>
（16）能源有效利用分析軟件。
6.設(shè)備和硬件材料部分研發(fā)項(xiàng)目
（1）工藝控制
主要包括：
①開(kāi)發(fā)改進(jìn)預(yù)測(cè)工具，例如工藝設(shè)計(jì)、預(yù)見(jiàn)狀態(tài)、熱物理和力學(xué)性能預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)模型。
②開(kāi)發(fā)適時(shí)過(guò)程控制技術(shù)，安裝在爐中和淬火槽中測(cè)量氣流、淬火烈度、碳、氮?jiǎng)莸撵`巧傳感器。
③開(kāi)發(fā)在工件上適時(shí)直接測(cè)量表面含碳量的方法。
④開(kāi)發(fā)工藝參數(shù)無(wú)人監(jiān)控的生產(chǎn)方法。
⑤快速、無(wú)損、經(jīng)濟(jì)、適時(shí)測(cè)量滲碳層深度的方法。
⑥用多種傳感器和技術(shù)按AMS規(guī)范鑒別爐子的更優(yōu)化系統(tǒng)。
⑦更好的設(shè)備故障診斷、預(yù)防、維護(hù)方法。如燒嘴裂紋預(yù)測(cè)、防止?fàn)t內(nèi)氣氛惡化。
⑧建立標(biāo)準(zhǔn)/預(yù)見(jiàn)設(shè)備易變可行性的研究。例如不可能有兩臺(tái)一樣的爐子。
⑨預(yù)測(cè)爐子幾何尺寸、風(fēng)扇速度、裝爐量和裝爐形態(tài)的模型。
（2）材料
主要項(xiàng)目包括：
①改進(jìn)氧探頭的抗碳黑能力----開(kāi)發(fā)能用于700℃以下的氧探頭。
②新的功能材料（如絕熱材料）和結(jié)構(gòu)材料（如在高溫下工作的結(jié)構(gòu)材料）。
③爐用經(jīng)濟(jì)耐熱構(gòu)件材料。
④提高爐子的耐熱構(gòu)件合金性能，包括抗?jié)B碳合金夾具、料盤(pán)的廉價(jià)涂蹭?！ ?/span>
（3）硬件（設(shè)備）
主要包括：
①高效（>80%）燃燒器。
②高流速換熱器，高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，增加傳熱面積等提高爐料受熱條件的措施。
③減少散熱的筑爐廉價(jià)絕熱材料。
④節(jié)能、無(wú)內(nèi)氧化滲碳?xì)夥铡?/span>
⑤鋁合金淬火設(shè)備的改進(jìn)。
⑥整批（盤(pán)）爐料的均勻淬火系統(tǒng)。
⑦淬冷設(shè)備改良設(shè)計(jì)模型。
⑧單件流動(dòng)和機(jī)加工同步熱處理設(shè)備。
⑨附加淬火機(jī)床上的能適時(shí)感知淬火開(kāi)裂的轉(zhuǎn)感器。
⑩廉價(jià)的殘余應(yīng)力非破壞檢測(cè)方法。
⑩更有效和更廉價(jià)的液態(tài)工作脫脂方法和設(shè)備?！ ?/span>
7.工藝和材料部分研發(fā)項(xiàng)目
（1）材料和工藝
主要包括：
①減少試驗(yàn)、避免錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)感應(yīng)器軟件工具。
②抗晶粒長(zhǎng)大的高溫（～1010℃）滲碳鋼。
③縮短滲碳周期的工藝。
④改善感應(yīng)、磁場(chǎng)、爐內(nèi)加熱回火、時(shí)效工藝的減少質(zhì)量分散度和縮短工藝周期。
⑤減少加熱時(shí)間的快速加熱相變動(dòng)力學(xué)。
⑥稀土元素對(duì)熱處理組織轉(zhuǎn)變的影響。
⑦高效的表面改性工藝。
⑧材料的深冷處理極限。
⑨聚合物、復(fù)合材料、新的鐵合金和非鐵合金等新材料的熱處理。
⑩可代替滲碳的材料和工藝，控制淬透性鋼、強(qiáng)烈淬火。
⑩代替表面淬火的高效生產(chǎn)方式?！ ?/span>
（2）材料應(yīng)用軟件和模型數(shù)據(jù)庫(kù)
主要項(xiàng)目包括：
①材料選擇軟件：用戶輸入要求性能、輸出工藝和熱處理參數(shù)。
②材料失效（破壞）過(guò)程模型：輸入使用特性指標(biāo)（磨損、載荷、腐蝕）、輸出材料的組織性能，反過(guò)來(lái)用于失效分析。
（3）模型的開(kāi)發(fā)
主要項(xiàng)目包括：
①加熱、冷卻體積應(yīng)變的相變模型。
②加熱和冷卻相變的體積應(yīng)變模型。
③連續(xù)加熱和冷卻相變數(shù)據(jù)庫(kù)。包括軋制變量、成分不均勻組織對(duì)相變的影響。
④把相變模型匯集為軟件工具。
⑤把相變模型轉(zhuǎn)化為高溫性能的數(shù)據(jù)庫(kù)。
⑥生產(chǎn)設(shè)備使用不同介質(zhì)測(cè)量介質(zhì)和工件傳熱過(guò)程的探頭。
⑦不同介質(zhì)中冷卻的試驗(yàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
⑧滲碳、氮、高溫滲碳?xì)?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-family: "Courier New";">--固相作用的熱力學(xué)模型。
⑨預(yù)先冷卻、殘余應(yīng)力和性能關(guān)系的熱力學(xué)模型。
⑩過(guò)程控制系統(tǒng)的適時(shí)控制系統(tǒng)的鏈接模型。
⑩形成有效均勻熱傳導(dǎo)的流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模型。
8.能源與環(huán)境部分的研發(fā)項(xiàng)目
（1）能源
主要包括：
①開(kāi)發(fā)回收低級(jí)熱的經(jīng)濟(jì)方法，廢熱的收集和利用，例如工業(yè)熱和煙道熱。
②高效熱傳導(dǎo)的加熱設(shè)備和技術(shù)，例如能提高傳熱速度的等離子加熱。
③高溫?zé)峄厥占夹g(shù)。
④進(jìn)一步開(kāi)發(fā)可提高熱效率的富氧燃燒技術(shù)，例如流體薄膜技術(shù)。
⑤收集熱處理設(shè)備能源利用底線數(shù)據(jù)，用于確立未來(lái)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
⑥回收加熱爐氣氛的方法。
⑦積累熱、電與熱處理協(xié)調(diào)的先進(jìn)技術(shù)。
⑧開(kāi)發(fā)高溫氣體循環(huán)系統(tǒng)，以改善加熱爐效率，例如沖擊加熱法。
⑨局部加熱和表面淬火的節(jié)能新工藝。
⑩熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，以實(shí)現(xiàn)其通用性和減低設(shè)計(jì)費(fèi)用?！ ?/span>
（2）環(huán)境
主要項(xiàng)目包括：
①減少CO、CO2、和NOx的燃燒技術(shù)和后處理技術(shù)。
②清洗液的清除、減少和回收利用，廢油和其它淬火介質(zhì)的管理以及廢料的再生利用。
③代替鹽浴和油淬火的廉價(jià)方法，例如用水和惰性氣體。
④用于低、中合金鋼的廉價(jià)氣冷淬火技術(shù)，例如節(jié)約用氫的淬火技術(shù)。
⑤自非流液中提出副產(chǎn)燃料，例如燃燒排放的氣體。
⑥可完全清除工件油跡的高效清洗技術(shù)。
9.公益事業(yè)部分的項(xiàng)目
主要項(xiàng)目包括：
①熱處理衛(wèi)生安全規(guī)定，例如避免火災(zāi)、人身傷害的安全管理、工廠內(nèi)部空氣質(zhì)量、人機(jī)工程、鋇鹽和胺鹽以及其他有害物質(zhì)的安全限量管理。
②有關(guān)冶金基礎(chǔ)、爐子安全的人員培訓(xùn)，課程的設(shè)置，需要培訓(xùn)的人員。
③指定熱處理設(shè)備放射有害物低線，以避免今后對(duì)環(huán)境的污染。
④設(shè)立熱處理設(shè)備的能源利用率低線以備將來(lái)制定節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)限度。
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