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(kāi)始為撰寫(xiě)本文而收集背景資料時(shí)，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(shuō)法，蒸汽是氣態(tài)的水，一般通過(guò)將水煮沸或使其蒸發(fā)而獲得。蒸汽和蒸汽機(jī)曾在工業(yè)革命中發(fā)揮了核心作用，而現(xiàn)代的蒸汽機(jī)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(hù)。不過(guò)，維基百科對(duì)于蒸汽的用途并沒(méi)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(diǎn)。
蒸汽處理屬于一種熱處理工藝，需要準(zhǔn)確地控制時(shí)間、溫度和氣氛。溫度制度可以定制，以達(dá)到特定的氧化膜厚度。工藝既可以在間歇式爐內(nèi)進(jìn)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(shí)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(dá)到均勻一致。
下一步是將溫度提高到370°C(700°F)以上，并開(kāi)始向爐室內(nèi)吹入干蒸汽。在通入蒸汽時(shí)，爐料必須達(dá)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(xiǎn)。蒸汽一定要干燥，任何凝結(jié)水都必須利用一個(gè)捕集阱從蒸汽管路中去除，以確保它們不會(huì)隨蒸汽一道進(jìn)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(shí)間可以根據(jù)具體應(yīng)用而定制。典型的保持時(shí)間為30 – 60分鐘，足夠長(zhǎng)的時(shí)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(dá)到一定的厚度。在這段時(shí)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?dú)膺M(jìn)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(tái)上。產(chǎn)品在這樣的溫度下出爐和接觸空氣，不會(huì)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(huì)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(jìn)行分析，并介紹每種爐型各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
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(gè)地坑內(nèi)從而降低裝料操作高度，也可以利用一個(gè)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(gè)合金內(nèi)膽，用以保護(hù)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(gè)帶配重的蓋板被用來(lái)密封爐室。爐底有一臺(tái)帶防護(hù)罩的高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)，被用來(lái)為爐料提供最佳的溫度和蒸汽均勻性。還可以配備一臺(tái)環(huán)境空氣風(fēng)機(jī)，以加快冷卻速度。
控制系統(tǒng)既可以采用可編程控制器來(lái)控制操作步驟/保持時(shí)間，也可以通過(guò)人機(jī)界面(HMI)來(lái)管理加熱、蒸汽通入、保持時(shí)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(lái)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(shuō)，許多用戶都認(rèn)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(guò)，如果爐料數(shù)量較大，達(dá)到工藝溫度需要的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，為使所有爐料達(dá)到均勻的溫度需要的保持時(shí)間也更長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致處理成本增加。
連續(xù)式爐
高產(chǎn)能的需要會(huì)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(shì)的事實(shí)，采用了抬高爐膛的設(shè)計(jì)和合金馬弗。該爐型有利于降低空氣進(jìn)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(jì)。
電阻絲繞制的發(fā)熱元件布置在合金馬弗上方和下方進(jìn)行加熱，保證了良好的溫度均勻性。工藝時(shí)間通過(guò)網(wǎng)帶傳動(dòng)速度和加熱室長(zhǎng)度來(lái)控制。連續(xù)式爐通常有多個(gè)加熱區(qū)，各區(qū)通過(guò)通用型數(shù)字控制裝置或人機(jī)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(shí)連續(xù)運(yùn)行的大批量生產(chǎn)。該爐型不適合于需要頻繁開(kāi)爐和停爐的情況，因?yàn)橐赃@種方式運(yùn)行會(huì)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(huì)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫B續(xù)式爐可能很長(zhǎng)以滿足工藝時(shí)間的要求。不過(guò)，由于爐料連續(xù)運(yùn)行，而且重量比間歇式爐的爐料輕，所以產(chǎn)品達(dá)到工藝溫度的速度要快得多。這就縮短了保持時(shí)間，意味著能夠降低能源成本。
優(yōu)點(diǎn)
蒸汽和鐵通常不應(yīng)當(dāng)密切接觸，否則會(huì)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(guò)，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(lán)灰到深藍(lán)色，硬度很高。它的優(yōu)點(diǎn)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(jī)械性能；增大表面層對(duì)涂料和其他覆層的附著力；提供藍(lán)灰至深藍(lán)色裝飾性外觀。
該工藝被用來(lái)處理鉆頭、水龍頭和其他能夠利用氧化層來(lái)耐受表面劃傷或負(fù)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?yàn)樗皇褂镁哂懈g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(jī)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(shí)施。 |
文章來(lái)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(guó)賓夕法尼亞州圣瑪麗
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