蒸汽处理：工艺、设备和优点

作者：Mark Saline – Gasbarre热处理系统公司；美国宾夕法尼亚州圣玛丽

连续带式蒸汽处理炉蒸汽处理是一种控制氧化工艺，能够在钢制部件表面生成一层有益的氧化物薄膜。在刚开始为撰写本文而收集背景资料时，我感到好奇：“维基百科是怎么描述蒸汽的呢？”按照维基百科的说法，蒸汽是气态的水，一般通过将水煮沸或使其蒸发而获得。蒸汽和蒸汽机曾在工业革命中发挥了核心作用，而现代的蒸汽机为全世界提供了80%以上的电力。蒸汽有许多用途，包括清洗、杀菌、加热和混凝土养护。不过，维基百科对于蒸汽的用途并没有提到金属处理。为了帮助大家了解蒸汽在金属处理中的应用，本文将讨论金属蒸汽处理的工艺、设备和优点。蒸汽处理属于一种热处理工艺，需要准确地控制时间、温度和气氛。温度制度可以定制，以达到特定的氧化膜厚度。工艺既可以在间歇式炉内进行，也可以使用连续带式炉，视产品数量而定。工艺工艺的第一步是，用空气将装在间歇式炉炉室内的产品加热到315°C(600°F)或以上。在该温度下的保持时间通常是为了充分去除前步工序残留在产品表面的任何油脂或其他介质，并且保证所有炉料的温度都达到均匀一致。下一步是将温度提高到370°C(700°F)以上，并开始向炉室内吹入干蒸汽。在通入蒸汽时，炉料必须达到315°C(600°F)或更高的温度，否则就有产生的氧化物是红色铁锈的风险。蒸汽一定要干燥，任何凝结水都必须利用一个捕集阱从蒸汽管路中去除，以确保它们不会随蒸汽一道进入炉室。典型的最终工艺温度为538°C(1,000°F)，在这一温度下使产品与蒸汽保持接触。保持时间可以根据具体应用而定制。典型的保持时间为30 – 60分钟，足够长的时间能够保证部件表面的孔隙被封闭，或者四氧化三铁薄膜达到一定的厚度。在这段时间内，蒸汽(即气态水)与铁发生反应，生成厚度通常在3 – 7微米(0.0001 – 0.00028英寸)之间的四氧化三铁(Fe3O4)薄膜(图1)。发生的化学反应如下所示：4H2O(气态)+ 3Fe 1 Fe3O4 +4H2(气态)

图1. 蒸汽(即气态水)与铁发生反应生成四氧化三铁(Fe3O4)薄膜。工艺的最后一步是冷却。在向炉室回充空气之前要用氮气进行吹扫，以便从炉室内驱除化学反应产生的游离氢的任何残留。在大多数情况下，炉料在315°C – 425°C(600°F – 800°F)之间出炉并接触到空气，然后放置在冷却台上。产品在这样的温度下出炉和接触空气，不会受到不利影响(图2)。

图2. 产品在315°C – 425°C(600°F– 800°F)之间出炉并接触到空气，不会受到不利影响。设备如前所述，蒸汽处理工艺使用间歇式炉或连续式炉均可。下面分别进行分析，并介绍每种炉型各自的优缺点。间歇式炉间歇式炉是一种采用电加热的上装料井式炉(图3)。该炉型可以安装在一个地坑内从而降低装料操作高度，也可以利用一个炉架安装在地面上。它的最高温度的典型值为760°C(1,400°F)，工作空间通常是圆柱形，周围环绕着高温电阻加热元件。炉室中有一个合金内胆，用以保护周围的高性能绝热材料不受工艺蒸汽的影响。炉料装在合金网篮中，从上方降到加热室内。

图3. 这种间歇式炉是采用电加热的上装料井式炉。一个带配重的盖板被用来密封炉室。炉底有一台带防护罩的高温循环风机，被用来为炉料提供最佳的温度和蒸汽均匀性。还可以配备一台环境空气风机，以加快冷却速度。控制系统既可以采用可编程控制器来控制操作步骤/保持时间，也可以通过人机界面(HMI)来管理加热、蒸汽通入、保持时间和冷却操作。间歇式炉的规格可以根据任何期望的炉料量来确定。间歇式系统最适合于中小批量生产，或者产品种类多、处理工艺差别大的情况。它需要的占地空间少于连续式炉。据说，许多用户都认为，它们使用间歇式炉获得的四氧化三铁薄膜更厚，密封效果更好。不过，如果炉料数量较大，达到工艺温度需要的时间会较长，为使所有炉料达到均匀的温度需要的保持时间也更长，会导致处理成本增加。连续式炉高产能的需要会促使用户选择连续带式蒸汽处理炉。驼峰式炉(图4，文章顶部)或直通式带式炉是目前使用的两种炉型。它们都采用电加热，产品直接放置在连续的网带上。它们的最高温度典型值为760°C(1,400°F)。驼峰式炉充分考虑了蒸汽有上升趋势的事实，采用了抬高炉膛的设计和合金马弗。该炉型有利于降低空气进入并与蒸汽混合的可能性。直通式炉则取消了抬高炉膛的设计。电阻丝绕制的发热元件布置在合金马弗上方和下方进行加热，保证了良好的温度均匀性。工艺时间通过网带传动速度和加热室长度来控制。连续式炉通常有多个加热区，各区通过通用型数字控制装置或人机界面分别控制。连续式炉可以根据炉料量/产量的具体要求而定制。连续带式炉适合于需要24小时连续运行的大批量生产。该炉型不适合于需要频繁开炉和停炉的情况，因为以这种方式运行会使部件产生很大的应力，缩短它们的使用寿命。占地空间可能会是一个问题，因为连续式炉可能很长以满足工艺时间的要求。不过，由于炉料连续运行，而且重量比间歇式炉的炉料轻，所以产品达到工艺温度的速度要快得多。这就缩短了保持时间，意味着能够降低能源成本。优点蒸汽和铁通常不应当密切接触，否则会发生有害的氧化。这一氧化的结果是红色铁锈(Fe2O3)，在几乎所有应用中都不希望看到这种现象。不过，蒸汽处理是一种控制氧化工艺，能够在钢制部件表面生成一层有益的氧化物薄膜。该工艺生成一层四氧化三铁(Fe3O4)薄膜。部件表面的这层四氧化三铁呈现出蓝灰到深蓝色，硬度很高。它的优点包括：改善磁响应性；提高表面耐磨性；封闭粉末金属部件表面孔隙；抑制红锈产生；提高粉末金属部件表观硬度并改善其机械性能；增大表面层对涂料和其他覆层的附着力；提供蓝灰至深蓝色装饰性外观。该工艺被用来处理钻头、水龙头和其他能够利用氧化层来耐受表面划伤或负荷的加工工具。随着环保法规日益严格，生产企业不得不寻找替代方案。蒸汽处理与其他类似工艺相比要环保得多，因为它不使用具有腐蚀性的氧化剂、油脂或其他化学品即可生成表面氧化层。结论：蒸汽处理是一种能够有效改善金属部件机械性能和表面美观性的热处理工艺，而且与其他处理工艺相比更节能和更环保。工艺使用的设备和控制系统都不复杂，所以很容易理解和实施。文章来源：本文刊登于《IndustrialHeating》中文版杂志2020年10月刊。