連續(xù)帶式蒸汽處理爐
蒸汽處理是一種控制氧化工藝，能夠在鋼制部件表面生成一層有益的氧化物薄膜。
在剛開始為撰寫本文而收集背景資料時，我感到好奇：“維基百科是怎么描述蒸汽的呢？”按照維基百科的說法，蒸汽是氣態(tài)的水，一般通過將水煮沸或使其蒸發(fā)而獲得。蒸汽和蒸汽機曾在工業(yè)革命中發(fā)揮了核心作用，而現(xiàn)代的蒸汽機為全世界提供了80%以上的電力。
蒸汽有許多用途，包括清洗、殺菌、加熱和混凝土養(yǎng)護。不過，維基百科對于蒸汽的用途并沒有提到金屬處理。為了幫助大家了解蒸汽在金屬處理中的應(yīng)用，本文將討論金屬蒸汽處理的工藝、設(shè)備和優(yōu)點。
蒸汽處理屬于一種熱處理工藝，需要準(zhǔn)確地控制時間、溫度和氣氛。溫度制度可以定制，以達到特定的氧化膜厚度。工藝既可以在間歇式爐內(nèi)進行，也可以使用連續(xù)帶式爐，視產(chǎn)品數(shù)量而定。
工藝
工藝的第一步是，用空氣將裝在間歇式爐爐室內(nèi)的產(chǎn)品加熱到315°C(600°F)或以上。在該溫度下的保持時間通常是為了充分去除前步工序殘留在產(chǎn)品表面的任何油脂或其他介質(zhì)，并且保證所有爐料的溫度都達到均勻一致。
下一步是將溫度提高到370°C(700°F)以上，并開始向爐室內(nèi)吹入干蒸汽。在通入蒸汽時，爐料必須達到315°C(600°F)或更高的溫度，否則就有產(chǎn)生的氧化物是紅色鐵銹的風(fēng)險。蒸汽一定要干燥，任何凝結(jié)水都必須利用一個捕集阱從蒸汽管路中去除，以確保它們不會隨蒸汽一道進入爐室。
典型的最終工藝溫度為538°C(1,000°F)，在這一溫度下使產(chǎn)品與蒸汽保持接觸。保持時間可以根據(jù)具體應(yīng)用而定制。典型的保持時間為30 – 60分鐘，足夠長的時間能夠保證部件表面的孔隙被封閉，或者四氧化三鐵薄膜達到一定的厚度。在這段時間內(nèi)，蒸汽(即氣態(tài)水)與鐵發(fā)生反應(yīng)，生成厚度通常在3 – 7微米(0.0001 – 0.00028英寸)之間的四氧化三鐵(Fe3O4)薄膜(圖1)。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下所示：
4H2O(氣態(tài))+ 3Fe 1 Fe3O4 +4H2(氣態(tài))
圖1. 蒸汽(即氣態(tài)水)與鐵發(fā)生反應(yīng)生成四氧化三鐵(Fe3O4)薄膜。
工藝的最后一步是冷卻。在向爐室回充空氣之前要用氮氣進行吹掃，以便從爐室內(nèi)驅(qū)除化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的游離氫的任何殘留。在大多數(shù)情況下，爐料在315°C – 425°C(600°F – 800°F)之間出爐并接觸到空氣，然后放置在冷卻臺上。產(chǎn)品在這樣的溫度下出爐和接觸空氣，不會受到不利影響(圖2)。
圖2. 產(chǎn)品在315°C – 425°C(600°F– 800°F)之間出爐并接觸到空氣，不會受到不利影響。
設(shè)備
如前所述，蒸汽處理工藝使用間歇式爐或連續(xù)式爐均可。下面分別進行分析，并介紹每種爐型各自的優(yōu)缺點。
間歇式爐
間歇式爐是一種采用電加熱的上裝料井式爐(圖3)。該爐型可以安裝在一個地坑內(nèi)從而降低裝料操作高度，也可以利用一個爐架安裝在地面上。它的最高溫度的典型值為760°C(1,400°F)，工作空間通常是圓柱形，周圍環(huán)繞著高溫電阻加熱元件。爐室中有一個合金內(nèi)膽，用以保護周圍的高性能絕熱材料不受工藝蒸汽的影響。爐料裝在合金網(wǎng)籃中，從上方降到加熱室內(nèi)。
圖3. 這種間歇式爐是采用電加熱的上裝料井式爐。
一個帶配重的蓋板被用來密封爐室。爐底有一臺帶防護罩的高溫循環(huán)風(fēng)機，被用來為爐料提供最佳的溫度和蒸汽均勻性。還可以配備一臺環(huán)境空氣風(fēng)機，以加快冷卻速度。
控制系統(tǒng)既可以采用可編程控制器來控制操作步驟/保持時間，也可以通過人機界面(HMI)來管理加熱、蒸汽通入、保持時間和冷卻操作。間歇式爐的規(guī)格可以根據(jù)任何期望的爐料量來確定。
間歇式系統(tǒng)最適合于中小批量生產(chǎn)，或者產(chǎn)品種類多、處理工藝差別大的情況。它需要的占地空間少于連續(xù)式爐。據(jù)說，許多用戶都認為，它們使用間歇式爐獲得的四氧化三鐵薄膜更厚，密封效果更好。不過，如果爐料數(shù)量較大，達到工藝溫度需要的時間會較長，為使所有爐料達到均勻的溫度需要的保持時間也更長，會導(dǎo)致處理成本增加。
連續(xù)式爐
高產(chǎn)能的需要會促使用戶選擇連續(xù)帶式蒸汽處理爐。駝峰式爐(圖4，文章頂部)或直通式帶式爐是目前使用的兩種爐型。它們都采用電加熱，產(chǎn)品直接放置在連續(xù)的網(wǎng)帶上。它們的最高溫度典型值為760°C(1,400°F)。
駝峰式爐充分考慮了蒸汽有上升趨勢的事實，采用了抬高爐膛的設(shè)計和合金馬弗。該爐型有利于降低空氣進入并與蒸汽混合的可能性。直通式爐則取消了抬高爐膛的設(shè)計。
電阻絲繞制的發(fā)熱元件布置在合金馬弗上方和下方進行加熱，保證了良好的溫度均勻性。工藝時間通過網(wǎng)帶傳動速度和加熱室長度來控制。連續(xù)式爐通常有多個加熱區(qū)，各區(qū)通過通用型數(shù)字控制裝置或人機界面分別控制。連續(xù)式爐可以根據(jù)爐料量/產(chǎn)量的具體要求而定制。
連續(xù)帶式爐適合于需要24小時連續(xù)運行的大批量生產(chǎn)。該爐型不適合于需要頻繁開爐和停爐的情況，因為以這種方式運行會使部件產(chǎn)生很大的應(yīng)力，縮短它們的使用壽命。
占地空間可能會是一個問題，因為連續(xù)式爐可能很長以滿足工藝時間的要求。不過，由于爐料連續(xù)運行，而且重量比間歇式爐的爐料輕，所以產(chǎn)品達到工藝溫度的速度要快得多。這就縮短了保持時間，意味著能夠降低能源成本。
優(yōu)點
蒸汽和鐵通常不應(yīng)當(dāng)密切接觸，否則會發(fā)生有害的氧化。這一氧化的結(jié)果是紅色鐵銹(Fe2O3)，在幾乎所有應(yīng)用中都不希望看到這種現(xiàn)象。不過，蒸汽處理是一種控制氧化工藝，能夠在鋼制部件表面生成一層有益的氧化物薄膜。
該工藝生成一層四氧化三鐵(Fe3O4)薄膜。部件表面的這層四氧化三鐵呈現(xiàn)出藍灰到深藍色，硬度很高。它的優(yōu)點包括：改善磁響應(yīng)性；提高表面耐磨性；封閉粉末金屬部件表面孔隙；抑制紅銹產(chǎn)生；提高粉末金屬部件表觀硬度并改善其機械性能；增大表面層對涂料和其他覆層的附著力；提供藍灰至深藍色裝飾性外觀。
該工藝被用來處理鉆頭、水龍頭和其他能夠利用氧化層來耐受表面劃傷或負荷的加工工具。隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，生產(chǎn)企業(yè)不得不尋找替代方案。蒸汽處理與其他類似工藝相比要環(huán)保得多，因為它不使用具有腐蝕性的氧化劑、油脂或其他化學(xué)品即可生成表面氧化層。
結(jié)論： 蒸汽處理是一種能夠有效改善金屬部件機械性能和表面美觀性的熱處理工藝，而且與其他處理工藝相比更節(jié)能和更環(huán)保。工藝使用的設(shè)備和控制系統(tǒng)都不復(fù)雜，所以很容易理解和實施。 |
文章來源：本文刊登于《IndustrialHeating》中文版雜志2023年10月刊。
作者：Mark Saline – Gasbarre熱處理系統(tǒng)公司；美國賓夕法尼亞州圣瑪麗
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