熔煉與精煉
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簡介 Introduction
製造鋼材首先需有鋼液，鋼液的產生可由高爐或直接還原爐將鐵礦還原冶煉成鐵水，也可以電爐熔煉廢鋼，然後經轉爐、精煉爐等除去雜質和添加合金，再澆鑄成所需要的鋼胚。簡而言之，熔煉與精煉即是將鐵礦或廢鋼轉變成所需鋼液之過程。
不銹鋼的精煉與熔煉大多是以electric arc furnace/ argon oxygen decaburization (EAF/AOD). 在美國大約有90%的不銹鋼是以EAF/AOD製程進行熔煉與精煉，而在全世界大約是75% [Ref.1]。
熔煉 Melting
精煉 Refining
Electric Arc Furnace, EAF
Argon Oxygen Decarburization, AOD
Vacuum Oxygen Decarburization, VOD
不銹鋼煉鑄流程
熔煉製程分類
<EAF電弧爐> <Coveerter Melting轉爐>
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Electric Arc Furnance Melting 電弧爐熔煉
熔煉，其主要的功能在盡可能快速且經濟的熔融生產原料。早期的不銹鋼生產，大多採用電弧熔煉(electric arc furnace)。不銹鋼熔煉與一般碳鋼熔煉有許多不同之處。首先，因不銹鋼中含易氧化的鉻因而限制了電弧爐熔煉時氧的引入。而且因氧化鉻使得在一般碳鋼中提高熔渣流動性的一氧化碳不易在不銹鋼熔渣中形成，不銹鋼熔渣流動性就不似一般碳鋼好。
對於不銹鋼中所需的鉻與鎳，其來源大致上可由鐵鉻合金、鎳合金或不銹鋼廢料獲得，詳細資料見下表。就經濟上的考量，不銹鋼廢料的價格較其他合金便宜許多，因此不銹鋼的生產原料大多是來自於不銹鋼廢料。除了原料成本外，亦需考慮熔煉的難易度，如含硫與銅的不銹鋼廢料，因其所含的硫及銅在接下來的製程中不易去除，便不適宜採用以減少製程上之成本。
表一、 提供鉻成分來源之原料
原料 組成成分 %
碳 鉻 矽 氮 錳
低碳鉻鐵 0.10 69 0.9 - 0.2
中碳鉻鐵 0.13 70.7 0.9 - 0.2
低碳低氮鉻鐵 0.045 67.8 0.63 0.01 0.45
純鉻鐵 0.01 69 0.28 - -
中間型碳鉻鐵 2 55 0.1 - 0.15
高碳鉻鐵 7.4 68.7 0.85 - 0.22
高碳鉻鐵 7.7 69.2 0.17 - 0.16
鉻鐵-矽 0.055 37 40 - 0.27
表二、 提供鎳成分來源之原料
原料 組成成分 %
碳 鎳 矽 鈷 硫 鉻 銅
鎳塊 - 99.9 - - - - -
低碳鎳珠 0.01 50 0.02 0.45 0.007 0.007 -
高碳鎳珠 1.64 28 1.4 0.6 0.06 0.7 -
生鎳塊 0.07 39 0.4 0.7 0.015 0.15 -
鎳銅珠 0.3 51 0.1 - - 1.2 26.5
氧化鎳燒結體 - 75 - - - - -
對300系列不銹鋼而言，其典型的熔煉混合物為：
50% 300系列不銹鋼廢料(18%Cr, 8%Ni, 1%Mn)；
30%碳鋼廢料；
14%高碳鉻鐵(7%碳, 65%鉻)；
4%鎳(商業上純鎳)； 及1%高碳錳鐵(7%碳, 65%錳)。 熔煉後將可得到18%鉻, 8%鎳, 1%碳。
<熱軋成型製程> <產品分類>
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熱軋成型簡介
熱軋成型鋼材，不論從尺寸、外型、表面品質、加工方式及用途各方面來看，都是屬於"中間型"的產品。在厚度方面，較厚的熱軋鋼材與鋼板的厚度範圍重疊，而較薄的熱軋鋼材與冷軋鋼片的厚度範圍重疊。外形上，熱軋鋼材涵蓋鋼板的板狀，以及冷軋鋼片的片狀及鋼捲。加工型態上則包含鋼板最常用的焊接加工及冷軋的抽拉成形。在用途方面，熱軋鋼材涵蓋中型結構物，汽車結構性零件，中、大型的容器等，也和鋼板及冷軋鋼片互有重疊。
種類特性 鋼板 熱軋鋼材 冷軋鋼片
厚度 125~6.0mm 13~1.5mm ＜3.2mm
外型 板塊 板狀、片狀、鋼捲 片狀、鋼捲
表面 粗糙，有銹皮 粗糙，有銹皮及無銹皮 光滑，無銹皮
主要用途 大型結構物，船舶、橋樑，高樓，瓦斯及油料儲存槽，石油管件 中型結構物及零件，汽車結構零件，小型管件，瓦斯桶，手工具，腳踏車及機車零件 容器、面板、汽車外板，家具，櫥櫃，罐頭
主要加工方式 切割、焊接、加熱彎曲成型 焊接，抽拉或彎曲成型 抽拉及彎曲成型，點焊，電阻焊
表一 平板類鋼材之特性比較
熱軋鋼材的表面品質，因在高溫軋延（約1100℃~850℃），表面附著一層青黑色的銹皮，此銹皮可保護鋼片表面，遲滯進一步銹蝕，可直接作為結構用途，這種表面狀態俗稱黑皮。熱軋鋼材若需進一步作衝壓成型、表面塗漆及焊接組合時，需將銹皮酸洗除去，然後塗油防止氧化，這種熱軋鋼材俗稱PO料（Pickled & oiled sheet）。
冷軋技術
<冷軋技術> <冷軋鋼件品質> <耐時效性>
冷軋鋼片是將熱捲經酸洗除去表面銹皮,再經冷軋機軋至0.15~3.2mm厚經退火及調質軋延,較熱軋鋼片有較佳之精準度,表面光滑,平整,加工性加,可得較薄之厚度.
(CQ)一般商用品質鋼:
表面需光滑平整;彎曲及簡單衝壓是最常用的加工方式.
(DQ)衝壓品質鋼:
對於深衝性質要求僅次於深衝品質鋼(DDQ).
(DDQ)深衝品質鋼:
必須透過成分,製程的調整以得最佳之晶粒分布,切加工後表面要光滑平整;有時 有非時效之要求要(Non ageing),剛才深衝後不得有伸張應變痕(Stretcher
starin).
(EDDQ)超深衝品質鋼:
成型性更佳,目前各家鋼廠均以IF鋼(Interstitial Free steel)來生產此鋼.
(HSFQ)汽車用高強度成型性品質鋼:
以JIS G3135之SPFCXXX規定為例,約可分三類:
SPFC 340-SPFC 590:
抗拉伸強度為340MPa-590MPa,屬衝壓成型用.
SPFC 490Y-SPFC 980Y:
抗拉伸強度為490MPa-980MPa,而降伏強度僅約抗拉伸強度之一半.目前已開 發出抗拉伸強度MPa之鋼片.
SPFC 340H:
抗拉伸強度340MPa且有30MPa之烘烤硬化強度. 所謂烘烤硬化強度只鋼片經
2%拉伸後,於170度C下加熱20min所增加之降伏強度.更高強度具有BH性之鋼 片也正在開發中
連續鑄造法
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1. 不銹鋼連續鑄造的應用
1951年蘇聯最早將連續鑄造法用於不銹鋼的生產，其後為澳洲和英國。而日本則在1955年後相繼引入不銹鋼生產設備而進行生產。
不銹鋼連續鑄造能夠快速的普及，主要有幾個原因
(1)不銹鋼鋼錠的分塊製程成本高，鋼材利用率低。
(2)引入連鑄機時，也正是容量為數十噸的電弧爐，大量用於熔煉不銹鋼的時期，兩者在產量規模上相互適應
(3)不銹鋼中的主要鋼種18-8鋼，無相變態點，Austenite組織中含有少量的Ferrite組織，其高溫裂縫敏感性低，易於今型連續生產
主要會遇到的困難方面有：
A. Powder casting技術的確立
Powder casting技術的主要意義在將模子中的鋼表面上加上powder之後，會在熔鋼的表面形成人工渣，此人工渣會將熔鋼與大氣隔絕，可以防止氧化；而與大氣相接的未熔層，具有絕熱和保溫的作用，又有利於防止形成表面凝固層，且又可以吸收浮上熔鋼的夾雜物或是氣體；熔融的powder在鑄件和鑄型閒具有重要的潤滑功用，但是在鑄件凝固冷卻後，又希望它能易於脫離鑄件而不粘著表面上。
B. 浸漬nozzle相關的耐火材料技術的開發
浸漬nozzle的問題，在日本經過長期的研究，現在已經能夠得到相當好的解決，一根nozzle可以連續鑄造200t以上的不銹鋼。
C. 有關氫的影響，再連鑄時比鑄錠法更為敏感。在鑄錠法中，不銹鋼中含有數ppm的氫，對分塊壓延作業並不造成嚴重問題，但在連鑄時則可在鑄件表皮下形成大量氣孔(pin hole)，它甚至可以在皮下形成寬1mm，長30mm的紡錘型缺陷。現在採用VOD或AOD精煉法以後，此問題已經解決。
鑄錠法
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鋼液經過鑄型經冷卻、凝固形成鋼錠(Ingot)，鑄型有正錐形和倒錐型兩種，為提高不銹鋼的利用率，大多採用倒錐形鑄型，每鑄錠的重量由數百公斤至20t左右不等。
鋼水可由鑄型下部(下鑄法)或上部(上鑄法)注入鑄型，採用何種方式與產品品種和生產率有關。雖然採用鑄錠法時的工作環境較差，除了高溫並且有大量的粉塵之外，其效率也很低，但是對急遽凝固時易於產生開裂的鋼種，如Martensite系的SUS440鋼等，在使用連鑄法時有許多的困難，所以通常使用鑄錠法。
熱處理技術爐子種類
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[$#8226] 熱處理設備
實施熱處理時，需要用適當的加熱爐把材料以所設定的條件加熱到某一溫度，而一般在這溫度保持預定時間後，採用適當的冷卻裝置以規定的速率冷卻到預定溫度（例如常溫）。由此可知，熱處理時加熱爐和冷卻裝置是主要的設備。除了這兩種主體設備以外，為了能使加熱和冷卻順利進行，需要各種關聯的設備或附屬的裝置。珠粒噴擊（shot blast）、酸洗、變形矯正、脫脂、洗淨等設備是屬於關聯設備。雖然這些作業不屬熱處理本身的作業，但是在熱處理前後需要用這些設備來處理熱處理零件。又動力供給裝置（電氣、瓦斯、重輕油、空氣、其他）、各種搬送設備（搬運車、單軌、吊車、其他）、各種計測儀器（硬度試驗機、氣體分析儀、高溫計、露點計、流量計、電流表、電壓表等）是屬於附屬設備，利用這些設備可以使熱處理置順利運轉。
在本章就熱處理用的加熱爐（一般叫作熱處理爐）加以說明。
熱處理爐
1.熱處理爐的型式
熱處理爐的型式，如表1.1所示可以按照加熱方式、作業和輸送方式、熱處理的目的、加熱介質（或爐氣）等的不同加以分類。雖然如此，我們常常把熱處理爐分為(1)分批式熱處理爐和(2)連續式熱處理爐的兩大類，然後再加以細分。
2.熱源和加熱方式
（1） 熱源
熱處理爐的加熱用熱源有電熱和各種燃料（例如重油、輕油、液化煤氣、都市瓦斯等）。
（2） 加熱方式
加熱方式，如表1.2所示，由於熱源的種類不同採取不同的發熱方式。然而對處理件的傳熱式來講，無論電氣加熱或燃燒加熱，都可以分為直接加熱和間接加熱兩種。
3.各種分批式熱處理爐
如前所述，分批式爐是把處理件裝入爐內，而依照規定的處理程序控制溫度和時間，實施熱處理。這種爐，因為作業條件的變更和設定比較容易，所以適合多品種少量生產。實用上為了適合各種熱處理的目的或條件，有如圖1.5所示的各種型式之分批式熱處理爐。
（1）多目的型（all case type）熱處理爐
（2）箱型（box type）熱處理爐
（3）坑型（pit type）熱處理爐
（4）鐘型（bell type）熱處理爐
（5）台車型（car-bottom type）熱處理爐
（6）昇降型（elevator type）熱處理爐
（7）壺型（pot type）熱處理爐
4.各種連續式熱處理爐
連續爐是把處理件連續地或以一定間隔送入爐內實施熱處理。連續爐可以把爐內分成適當數的加熱區域（zone），而把各區域的溫度控制在規定的溫度。因此熱處理條件可由零件通過各區域時的時間和溫度來決定。
（1） 連續爐的型式
（2） 各種連續爐實例
1) 淬火爐和回火爐
2) 退火爐（或正常化爐）
3) 滲碳爐
4) 燒結爐
5.其他加熱爐
（1） 真空爐
（2） 流動床加熱爐（fluidized bed furnace）
6.加熱爐的有效加熱帶
(
1.熱處理爐的型式
分批式（batch type）熱處理爐和連續式（continuous type）熱處理爐的不同點在於爐內的熱處理件之流通狀態。
分批式爐是把處理件裝入爐內，而在同一位置加熱（或冷卻）後取出來。作業時，完成一批處理件的熱處理後，反覆相同操作繼續做其他批的加熱和冷卻。連續式爐是把處理件從爐的一端連續送入，而用適當的輸送裝置以一定速度使零件通過爐內，經過預定的加熱和冷卻後，從爐的另一端取出來。
對同零件來講，分批式和連續式的加熱、冷卻條件應該要相同，然而作業上究竟要採用何種型式的爐，就要看生產量的大小和零件種類的多寡來定。一般，分批式適合多品種少量生產，而連續式適合少品種多量生產。
分批式爐有下列優點：
(1)因為容易配合處理溫度、處理時間、生產量和處理件的材質、形式、重量等的變化來調整作業條件，所以使用範圍廣。
(2)爐內的溫度分佈均勻。
(3)加熱容量較小時，設備費低，建設時間短，移動也容易。(4)發生故障時受害程度比連續式輕。
連續式爐有下列優點：
(1)適合於連續性的大量生產，並且作業效率高。
(2)加熱、冷卻的精度好，能做優良的品質管理。
(3)熱效率好。
缺點有：
(1)要改變處理條件時，須先把爐內的處理件全部處理完，變為空爐狀態後重新調整處理條件，所以浪費熱和動力。
(2)發生故障時，不但產生多量不良品，也使作業流程中斷。
（1） 熱源
用燃料加熱時，一般其能源成本比電熱低，並且燃燒所用的有關機器設備（燃燒器、鼓風機、泵等）也比電氣加熱設備便宜。採用燃燒生成氣体直接加熱處理件時，假如能利用燃燒生成氣体的流動來實施對流加熱，則對低溫度的均勻加熱尤其有利。缺點是會產生騷音，有時需要採取防音對策，又排氣中含有灰塵、硫氧化物、氮氧化物等。
電氣加熱比使用燃料的燃燒加熱容易得到高溫，爐氣的控制和溫度的控制也容易，又能做直接通電或感應加熱等特殊的急速加熱。缺點是電氣設備費較貴，能源成本高。
（2） 加熱方式
圖1.1表示直接加熱和間接加熱的例子。
圖(a)所示的直接加熱，是燃燒生成氣體和處理件直接接的加熱方式。直接加熱方式的加熱速率比間接加熱快，並且燃燒器的裝設比較容易，但是處理件的氧化量比較多。直接加熱多用在素材的加熱，一般的零件大多採用間接加熱。
圖(b)所示的間接加熱方式，是在遮蓋（muffle case）的外面把燃料燃燒發熱，而把遮蓋內的處理件以輻射熱加熱。
圖(c)所示的間接加熱方式，是輻射管燃燒圖（radiant tube burner）內把燃料燃燒發熱，而利用從輻射管表面的輻射熱來加熱處理件。採用圖(b)、(c)的加熱方式之特點是可以在控制爐氣中加熱零件，所以能實施無氧化．輝面加熱處理、滲碳、氮化、硬焊等。這種方式的缺點是最高使用溫度較低（大致在1200℃），並且輻射管或遮蓋等的耐熱鋼使用量大等。
圖1.2是加熱管的一種例。
除此以外，如圖1.3所示有各種形狀的加熱管。
電氣加熱的直接加熱，是採用對處理件直接通電的加熱方式。這種方式，雖然可以得到急速加熱的效果，但是由於要利用材料本身的電阻來加熱的關係，處理件的形狀或材質等不均勻時，不容易得到均勻的加熱，另外通電時的接觸部分容易受傷。這種加熱方式可以應在小鋼塊或線材的加熱。
圖1.1(d)所示的電氣間接加熱方式最常被採用，是電阻加熱方式中的代表性者。這種方式是把發熱体放在管內使它發熱，而利用從管表面的輻射熱來加熱處理件。圖1.4所示的另外一種電阻加熱方式。它的發熱體以適當的方法裝在爐的內壁，直接曝露在爐氣中。
電阻加熱用的發熱体可以分為金屬發熱体和非金屬發熱体。
金屬發熱体分為Ni-Cr、Ni-Cr-Fe、Cr-Al-Fe等合金發熱体和Pt、W、Mo等純金屬發熱体。純金屬發熱体除了特殊用途以外很少被使用。
非金屬發熱体大多採用碳化矽（SiC），它的最高使用溫度約為1600℃。石墨發熱体可以用到更高溫度，在惰性氣体或氫氣中可用到3000℃，在真空中可用到約2200℃。
電阻發熱体須有下列各種性質：(1)電阻大(2)具有高溫機械強度(3)加工容易(4)比電阻的溫度變化小(5)不會和爐氣相作用等。表1.3表示電阻發熱體的種類和它的特性。
（1）多目的型（all case type）熱處理爐
圖1.6表示多目的型熱處理爐的一例。這種爐可用於退火、淬火、滲碳、滲碳氮化等，由前室、冷卻槽、加熱室所構成。加熱零件時，一般都送入適當的控制爐氣，以便達到熱處理的目的，例如輝面退、輝面淬火、滲碳等等。下面以一般的淬火為例說明作業次序。
(1)處理件放置加熱（tray）或加熱籃（basket）後打開的前扉推入前室。打開前扉時，在前扉下方所設的火焰幕燃燒器（flame curtain burner）會產生火焰而形成遮幕，以阻止爐外面的空氣進入加熱爐內。
(2)關閉前扉後打開中間扉把零件推入加熱室。
(3)關閉中間罪實施加熱。
(4)零件在預定溫度加熱預定的時間後，打開中間扉把零件移到前室的淬火用昇降器上。
(5)關閉中間扉後把零件放入淬火槽中使它急冷。
(6)淬火完了後零件再到前室，打開前扉取出零件。
用一般的分批作業式加熱爐實施上述的一循環之作業時多採用手動式，但是也有採用自動操作的加熱爐。
因為上面所述的熱處理作業都在控制爐氣中實施，所以能達到很好的輝面熱處理效果。這種的加熱室多採用輻射加熱管或者電熱式的加熱管加熱。
加熱室上方設有攪拌扇，以使爐的溫度分佈和控制爐氣的流動均勻。
用這種型式的爐實施熱處理時容易變更熱處理的作業條件，所以適於少量多種類的零件之熱處理。
（2）箱型（box type）熱處理爐
圖1.7表示箱型熱處理爐（直接加熱方式）的一例。這種爐用於中、小零件的回火。這種型式的爐也有退火用和淬火用的。處理時把零件放置加熱盤或加熱籃送入爐卷的滾子軌（roller rail）上。爐下部有燃燒器，燃燒生成氣体用熱風扇送入加熱室使它循環。為了使燃燒氣能均勻分佈，加熱室上有導板。
（3）坑型（pit type）熱處理爐
圖1.8表示坑型熱處理爐的一例。這種爐可用於退火、淬火、回火、滲碳、滲碳氮化等，用途相當廣。這種爐的構造和作業方法如下：把處理件裝在耐熱鋼製夾具（fixture）上或者裝入加熱籃後放進爐中的耐熱鋼製加熱圓筒內。加熱圓筒上部有封閉用的溝槽。槽內放砂，使爐蓋的緣板（lip）插入砂內而形成砂封（sand seal），以防止控制爐氣的外洩。控制爐氣由爐蓋的進口（圖中沒有表示）送入加熱圓筒內，而由爐蓋上的出口排出。爐蓋設有風扇，以便加熱圓筒內的溫度分佈及控制爐氣流動均勻。爐的加熱方式採用輻射加熱管或者爐壁裝設電阻發熱体。爐蓋用空氣壓或油壓缸移到上方後，右旋或者左旋就可以打開，然後利用起重機或者吊車把熱處理零件裝入或者取出。另外一種爐沒有設耐熱鋼製加熱圓筒。這時不但爐體外殼的設計特別要留意能防止控制爐氣的外洩，而且加熱用的發熱體或者加熱管須要選用不和控制爐氣發生作用者才行。
這種爐另外要設置淬火槽，須把零件取出於空氣中後才實施淬火。因此這時零件的表面會發生輕後的氧化。
(4）鐘型（bell type）熱處理爐
圖1.9表示鐘型熱處理爐的一例。這種爐可用於鋼帶或鋼線的退火，由底盤（base）、內蓋（inner cover）和外蓋（outer cover）所構成。底盤上放置鋼帶，內蓋用來封閉控制爐氣，外蓋裝設加熱裝置。底盤設有風扇，可以使控制爐氣均勻循環在內蓋內。加熱裝置可以分為直接加熱式和輻射加熱管式。
被處理的鋼帶完成預定溫度的加熱後，取除外蓋使它冷卻。通常冷卻時間都比加熱時間長，所以一個外蓋配合2~3個底盤輪流使用。近年來採用各種方法縮短冷卻器和冷卻扇等。
（5）台車型（car-bottom type）熱處理爐
圖1.10表示直接加熱式台車爐的一例，用來加熱大形鑄造品、鋼棒等。一般，台車爐可用於各種零件的退火、淬火、回火等。處理件放置在台車上的支持架或耐火磚上。燃燒器設在爐側壁，從上下方加熱處理件。台車周圍有砂封，以防止冷空氣的侵入。爐外有台車驅動裝置，用馬達驅動鏈條使台車進出爐內。
（6）昇降型（elevator type）熱處理爐
圖1.11表示昇降型爐的一例，用於展性鑄鐵或特殊鑄鐵的退火。這型式的爐是上方的加熱爐之位置固定，而台車會昇降。
（7）壺型（pot type）熱處理爐
使用鹽浴來作業的爐大都採用壺型爐。
圖1.12表示外部加熱式鹽浴爐，從鋼製（軟鋼、耐熱鋼、耐熱鑄鋼等）壺的外部以燃料的燃燒氣，或者以金屬電阻体、非金屬電阻体加熱壺內的鹽浴。使用溫度為950℃以下，適於小零件的熱處理。
圖1.13表示電極式內部加熱鹽浴爐。這種爐是在鹽浴中直接插入電極，而利用浴的內部電阻來加熱鹽浴。電極式的最高溫度可以達到1400℃，用途很廣。鹽浴爐也可以把發熱體（輻射加熱管等）直接插入鹽浴內加熱，但是使用溫度一般在850℃以下。
鹽浴爐的利點有：
(1)設備低廉
(2)適於少量生產
(3)加熱速率快
(4)處理件的氧化少，它的表面狀態比以直接加熱式爐所處理者良好等。
電極鹽浴爐，適於須要高溫速加熱的高速鋼之熱處理。
（1） 連續爐的型式
連續爐依它的零件搬送方法，分為推進式（pusher type）、輸送機式（conveyer type）和繩式（strand type）等。
推進式連續爐，一般在加熱盤上放置處理件，而用推送機（pusher）連續推入爐內實施連續性的熱處理。
輸送機式連續爐可以分為兩種型式。
一種是輸送機（conveyer）的位置不移動而只有處理件會移動，
另一種是輸送機載運處理件在爐內移動。輸送機式爐和推進式爐相比較時，通常輸送機式的熱處理循環時間短，加熱溫度較低，爐床負荷小。
繩式連續爐是把鋼帶或鋼線，一面捲開一面作連續性的熱處理，所以熱處理後的材質之均勻性和表面狀態等方面，可以得到良好的結果。
表1.1有表示連續爐的型式。
(1) 淬火爐和回火爐
圖1.14表示汽車用小件鍛造素材的淬火、回火爐。淬火爐是推進式滾子爐床（roller hearth）型連續爐。爐側壁設有重油燃燒器，而採用直接加熱方式來加熱素材。回火爐是輸送機式鏈帶（link belt）型連續爐，而採用熱風循環方式來加熱。這些爐都不用控制爐氣。在淬火爐內加熱完成的零件連續落下汁火槽。冷卻後的零件以輸送機送到回火爐，而回火完了後落入水冷槽，完全處理。
圖1.15表示輸送機式搖動床（shaker hearth）型連續淬火爐，用於墊圈、板彈簧、螺栓、銷等小型零件的淬火。利用爐床的急促動作（snap motion）來搬送零件，而在爐內出料口端零件會落入淬火滑管實施淬火。變更單位時間內的急促動作次數時，就可以調整零件的輸送速度。處理時爐內送入吸熱型爐氣。
圖1.16表示輸送機式迴轉加熱圓筒（retort）型淬火爐，這種爐適於軸承用鋼球、座圈環（race）、銷等小零件的熱處理。這種爐在橫型圓筒加熱爐內有加熱圓筒，而這圓筒能以預定速度迴轉。圓筒內有螺旋狀板（spiral），被裝入圓筒內的零件隨著圓筒的迴轉，會沿著圓筒內的螺旋向前移動，而從另一端的出料口落入淬火槽。零件通過爐內的時間可由變更圓筒的正轉與逆轉的角度差來控制。採用這種處理方法時，零件會被均勻攪拌而得到均勻的加熱效果。控制爐氣被導入爐內和圓筒內，而從淬火滑管和圓筒入口排出爐外。這種爐也可以用來滲碳或滲碳氮化。
圖1.17表示迴轉爐床型淬火爐，用於機械零件的輝面淬火。爐氣是使用吸熱型氣体。處理件放在托盤上自動送入爐內，而在出料端自動淬火在油中。(2) 退火爐（或正常化爐）
圖1.18表示輸送機式滾子爐床型退火爐，用於鋼管或鋼棒等長形處理件的退火或正常化。爐內的耐熱鋼製爐床滾子以鏈輪和鏈條轉動。要處理的材料放置裝料台上後，以適宜的速度通過爐內，而由出料端出爐。
退火可以採用rich發熱型爐氣來達到輝面熱處理的效果。
圖1.19表塔繩型（tower strand type）退火爐，用於鍍錫用薄鋼板的連續退火，這種爐的退火效果均勻，又可以高速處理薄鋼帶，其效率很高。鍍錫用薄鋼板的退火設備，除退火爐以外其前後裝設鋼帶的捲回、洗淨和捲取等裝置。爐本体從加熱、均熱、徐冷和急冷等的4個區域構成。最右邊另有空冷卻塔。爐內導入控制爐氣，爐的入口和出口的滾子可以兼作防止控制爐氣之逸出，以便減少控制爐氣的使用量。加熱區堿採用輻射加熱管加熱，均熱區堿採用電氣加熱方式。徐冷區堿是在冷卻管內通入冷風實施冷卻。急卻區堿採用噴流（jet）冷卻方式，而在短距離內就可以實施均勻的冷卻。鋼帶由左邊入口處的轉向滾子（deflector roll）進入退火爐內，依次經過加熱區堿、徐冷區堿、急冷區堿和冷卻塔從出口處的轉向滾子出爐。這種爐所用的控制爐氣為lean氮氣型控制爐氣。
圖1.20表示（catenary type）退火爐，用於矽鋼帶的退火。被退火的矽鋼帶從左向右連續移動。在加熱室，矽鋼帶則用左右兩組支持滾子呈懸垂狀掛在爐內連續實施退火。這種爐的特點是在加熱室內實施退火的矽鋼帶，不會和任何機械部分相接觸。矽鋼帶退火後經由冷卻室出爐。這種爐所用的控制爐氣有rich發熱型控制爐氣、純粹乾燥H2和NH3燃燒氣体等。
圖1.21表示輸送機式滾子爐床型展性鑄鐵用退火爐。這種爐有高溫退火室、第一冷卻室、低溫退火室和第二冷卻室。高溫退火室是用來實施展鑄鐵的第一段退，低溫退火室是用來實施第二段退火。白鑄鐵鑄件放置退火盤上，由左方送爐內，經過高溫退火、低溫退火後，白鑄鐵完全變為展性鑄鐵。再經冷卻後從右方出爐。
這種爐可採用lean氮氣型控制爐氣來實施退火作業。
(3) 滲碳爐
圖1.22表示推進式滑動軌（skid rail）型滲碳爐。實施大量零件的滲碳時，這種型式的爐最廣泛被採用，適於加熱溫度高，零件重量大，爐內滯留時間長的滲碳作業。爐內通常用拱牆（arch）分成幾個溫度區域和控制爐氣區域，一般如圖1.22所示分為加熱區域（昇溫區域）、滲碳區域、擴散區域（滲碳區域）和冷卻區域（降溫保持區域）的4個區域，而在各區域的溫度和控制爐氣各別加以控制。。熱處理零件放在加熱盤後依次推入爐內。其推送的時間之間隔可以支配零件的移動速度，所以應視熱處理作業的條件而適當決定。經過昇溫區域、滲碳區域和擴散區域的零件，最後在冷卻區域加以冷卻後取出爐外，或者在冷卻區域（降溫保持區域）降溫到淬火溫度而實施淬火。爐的右端設有門扉，可以從這門取出零件實施淬火。
這種爐，除了滲碳以外也可以用於復碳（carbon restoration）、滲碳氮化、球化退火、淬火、正常化和展性鑄鐵的退火等。
圖1.23表示比較新式的推進式連續作業滲碳爐。滲碳零件用自動裝料裝置送入加熱區域。零件經過滲碳區域、擴散區域和冷卻區域後施以淬火。然後把零件洗乾淨而施以回火。滲碳區域和擴散區域的爐体側面設有風扇，用來攪拌控制爐氣。這種爐在加熱區域、滲碳區域和擴散區域之間設有雙重拱牆（double drop arch）。這拱牆部分的控制爐氣具有遮幕的功用，可以使各鄰接區域的控制爐氣之混合機會儘量減少，以便準確地控制鋼料的表面含碳量。這種爐把降溫保持區域分離，以避免淬火用控制爐氣和滲碳用控制爐氣相混合。使用這種爐實施滲碳時可以正確地控制滲碳零件的滲碳層之滲碳厚度面含碳量。(4) 燒結爐
圖1.24表示輸送機式網帶型燒結爐。這種爐用於鋼鐵、黃銅和青銅的燒結，有預熱室、加熱室和水冷冷卻室。燒結零件放在裝料台的輸送帶上後送入預熱室加以昇溫。被燒結的零件在預熱室時，其內其含的黏結劑（binder）或者附著於表面的潤滑油會蒸發。蒸發出來的氣体可以從預熱室排出爐外，以避免侵入加熱室污染燒結用控制爐氣。在預熱室以適當速率昇溫後，零件進入加熱室實施燒結。燒結完了後進入冷卻室，最後從爐的右端出爐。
燒結用的控制爐氣有各種各樣。例如rich和lean吸熱型爐氣用於鋼料的燒結，純粹乾燥H2、NH3分解氣体和NH3燃燒氣体等用於不銹鋼的燒結，NH3分解氣体用於銅、黃銅和青銅等的燒結。
（1） 真空爐
真空爐可以在10-2~10-5mmHg程度的減壓下實施零件的熱處理，它的用途愈來愈廣。在真空中加熱時，不但可以防止鋼料的氧化和脫碳，也有清淨的作用，所以可以省去酸洗、研磨等的後處理。加熱方式有外熱和內熱。外熱式，因為要使用英高鎳（inconel），不銹鋼等加熱筒（或匣），所以使用溫度有限制，又有溫和冷卻速率慢等缺點。內熱式是發熱体、遮熱板、處理件等在真空室內，而外殼用水冷卻。
圖1.25表示內熱式氣体冷卻真空爐，要冷卻處理品時使用惰性氣体。
圖1.26表示內熱式油淬火真空爐。真空爐可用於淬火、退火、滲碳、硬焊、燒結等。
（2） 流動床加熱爐（fluidized bed furnace）
流動床加熱爐是由粉体和瓦斯所構成的流動床中放入處理品實施加熱的一種比較特殊的爐
圖1.27表示流動床電爐的一例，爐體底部有多孔板，爐体內放粉体。從多孔板下方的通氣管送入空氣或氣体時，爐体內的粉体會和氣体均勻混合，形成流動相。這種流動相叫做流動床，多孔板叫做分配盤。粉体採用碳黑粉（carbon black）時，以直接通電方式就可以發熱，而能用為處理件的加熱介質。電極板為石墨板。
粉体內送入空氣，使它流動時，隨著溫度上昇流動床內的氣氛會變化，而只含N2、CO、CO2，不含O2。這種氣氛適於鋼料的熱處理。
[$#8226] 6.加熱爐的有效加熱帶
加熱爐的目的，是要把處理件加熱於預定的溫度，而保持預定的時間。一般的加熱爐，爐內各部位的溫度分佈無法達到完瓶均勻，因此零件的裝入量或裝入部位不妥當時，爐內的零件會因裝入部位不同而產生加熱溫度不均勻的現象。通常用熱電溫度計測定爐內的溫度時，它的測溫部不直接放在零件上，而放置在由燃燒所生成的熱氣体，爐內的控制爐氣，或熱浴中的數個地方，所以所測出的溫度，不直接表示零件的溫度而只能代表爐內加熱區域的小部分溫度。因為熱處理時，實際上所要知道的溫度是處理件本身的溫度，所以能用溫度計測定材料各部位（包括材料的心部）的溫度最為理想，但是實際上無法作到這種要求。因此熱處理作業上必須了解，把正常量的處理零件裝入熱處理爐而到達設定的溫度時，在設定溫下的爐內各部位的溫度分佈究竟如何。假如，此時零件的某一部位或者爐內某一部位的零不在設定溫度的範圍內力（溫度過高或過低），處理後的零件就無法達到所規定的性質。這表示，加熱期間放置在溫度分佈不在設定圍內的零件，就無法有效地實施加熱，而達成熱處理的目的。在爐內把零件加熱時，能使零件的溫度保持在所設定的溫度之加熱區域叫做「有效加熱區」。也就是，假如加熱期間不放在有效加熱區內的零件，就無法達到有效的加熱。
美軍規格MIL．H．6895B（1958年）是規定熱處理用加熱設備的有效加熱區之試驗方法。1969年日本金屬熱處理工業會，參考美軍規格制定「熱處理用加熱設備的有效加熱區試驗方法」，而在1974年加以修改後沿用到現在。這規格的主要內容，是規定如何來判定有效加熱區，就是規定把零件放在所設定的有效加熱區內實施熱處理時，如何測定這時的加熱溫度，而和目標的加熱溫度相比較，來判定在所設定的有效加熱區內，各部分的保持溫度是否符合目標的保持溫度精度。
保持溫度的測定位置，實際上無法包括爐內廣大材料裝入區域的每一部位，所以為了要了解材料裝入區域的溫度分佈，只選定代表性的部位來測定其保持溫度。
要測定保持溫度時，首先須設定加熱爐內的有效加熱區（作業區域），而在這區域內裝設熱電偶。其次要決定在這有效加熱區內需配置的熱電偶數目和位置。
圖1.28表示箱形和圓筒形加熱設備的保持溫度測定位置之例。各圖中的1、2、3、……數字表示溫度測定位置。
測定溫度時，以常用的昇溫速率加熱，而尚未到達保持溫度的最低點以前，每適當間隔時間（約15分）測定各位置的溫度，以便確實測定各位置到達保持溫度的時間。以後，以5~10分的相同間隔繼續測定6次以上。
由以上的試驗結果，判定各位置的溫度指示值之變動是否符合表1.4所示的溫度精度。假如由無負荷和負荷試驗所示的保持溫度指示值，其一部分或全部未達到目標的保持溫度精度時，把未達到溫度精度要求的位置加以修正，再做試驗。就各種熱處理作來講，其熱處理爐的溫度精度，最低限度須達到表1.4的標準。對各種加熱爐本身的保持溫度精度來講，例如保持在淬火溫度力[$#63224]每一個處理件本身的各部分，以及爐內同一批的每一個處理件，其保持溫度的變動不可以超過某一規定範圍。假如溫度的變動超過這範圍時，有時會產生沃斯田鐵化不均勻而導致不完全的淬火效果，或有時因過熱引起晶粒粗大，致使淬火後所得的零件之性質不均勻，或產生不良品，所以保持溫度的變動成為最重要的因素。回火時，保持溫度對處理後的硬度或機械性質有密切的關係，所以為了確保零件品質的均一性，回火溫度精也要保持在規定數值以內。加熱設備的有效加熱區，雖然可以依照上述的方法來測定，但是實際作業時，還要考慮有效加熱區的經濟性。對熱處理爐來講，有效加熱區的容積對爐內總容積的比率愈小，其經濟性和生產性愈低。因此為了減低成本，省能源，以及增加生產性，必須致力增加有效加熱區的容積。
不銹鋼的選用
Reference : 中工高雄會刊 第7卷 第3期
作者 : 魏豊義
不同不銹鋼纖維含量及層數對不織布體積電阻的影響
賴鴻儀* 劉幸雪 黃書賢 林佳弘* 呂秋光* 姚興川**
逢甲大學紡織工程學系
*逢甲大學紡織工程研究所
**中國紡織工業研究中心
摘要
在導電或抗靜電鞋材中，依作業及活動環境的不同，對於鞋材本身的體積電阻值的控制具有相當嚴格的規範。在目前已開發的眾多鞋材中，於經濟成本或加工效果上都存在一些問題。因此，在本實驗中，我們嚐試使用不銹鋼不織布來取代抗靜電鞋材中的結構元件，並討論製成元件組合後的變化。結果發現，利用數層不銹鋼不織布，經熱壓後某些力學性質能夠合乎工業需求，在體積電阻方面，不論是熱壓前後或是疊層數的增加，都會有明顯影響體積電阻的表現。另外，由實驗中我們發現，整體體積電阻的變化除了和單層不銹鋼不織布的體積電阻有關外，不織布間的表面傳導亦扮演著重要的角色。
關鍵詞：抗靜電鞋、體積電阻、不銹鋼不織布
1. 前言
在導電及抗靜電鞋材加工方面，由於橡膠鞋材需考慮其實用性能，因此在橡膠之中一般會加入硫化藥劑，使得橡膠在成形時同時產生硫化交鏈，提高橡膠之物理性能。也因為如此，使得橡膠不易混拌，增加加工上的困難。目前使用的橡膠鞋材加工方法及缺點我們如表一所示：
一般而言，鞋材結構大致上可分為鞋墊、中底及大底部分。由於導電及抗靜電鞋材在體積電阻需控制在104-106Ω間，因此了解各個元件組合後的體積電阻是相當重要。在鞋墊部分，由於鞋墊直接和腳部接觸，因此鞋墊的舒適性要求極高。
表1 橡膠抗靜電鞋的製造原理及缺點
種類 製造原理 缺點
加入導電材料 加入導電液 具時效性
加入導電粉體 分佈不均
加入導電纖維 價格昂貴
鞋材加工 結構改良 加工不便
目前市面上之鞋墊有部分是使用不織布所製成。在中底部分，其主要功用在於提供製作過程中鞋材型態的固定，因此中底的撓曲性質相當重要。一般常用的中底材料多為特製的厚紙板製成。而大底的作用則提供鞋材的耐摩性。鞋材結構及功能如下所示(如表2)[1-2]
在本實驗中，我們希望能夠使用導電不織布來取代鞋墊及中底，因此主要探討不同不銹鋼含量的不織布及疊層數對於體積電阻的影響。另外，我們也希望了解電流傳導的途徑。
表2 鞋材結構
結構 功用
鞋墊 提供穿著時之舒適感
中底 固定鞋材形狀
大底 提供鞋材之耐摩性
2.實驗儀器及方法
2-1 實驗儀器
體積電阻計(ACL 800 meter)
2-2 實驗方法
測量不同層數及含量不銹鋼不織布的體積電阻（R）
↓
熱壓
↓
將單層不銹鋼不織布舖疊至所需之層數
↓
測量不同層數及含量不銹鋼不織布的體積電阻（R）
↓
在不銹鋼不織布間夾入100%不銹鋼不織布
↓
測量不同層數及含量不銹鋼不織布的體積電阻（R）
2-3 實驗參數
（1）不織布成分：
聚酯纖維 75%-71%
低熔點聚酯纖維 25%
不銹鋼纖維 0%-4%
（2）基重：200g/m2
（3）針軋密度：40.5針次/cm2
（4）熱壓溫度：160℃
（5）熱壓時間：385sec
（6）疊層層數：1-5層
（7）不織布規格：7cm * 7cm
3.結果與討論
圖1 100% PET疊層不織布的體積電阻值變化
由實驗結果我們可以發現，100% PET不織布在熱壓之後，整體的電阻值有明顯的增加趨勢，而隨著堆疊的層數增加時，電阻值亦呈現類似線性遞增的趨勢(圖1)。而在夾入100%不銹鋼不織布後，夾層織物的體積電阻則介於二者之間。這個現象可能是因為100%不銹鋼不織布提供了介面間良好的傳導所造成。
圖2 1%不銹鋼疊層不織布的體積電阻值變化
在1%不銹鋼不織布方面(圖2)，我們發現由於不銹鋼纖維的加入，使得體積電阻有大幅的降低。而熱壓後織物的體積電阻亦有增加的趨勢。另外，隨著疊層數的增加，體積電阻也有上升的趨勢，不過此時增加的電阻並不像100%PET不織布呈現類似線性遞增的趨勢。為了了解此現象的原因，我們在層間加入100%不銹鋼不織布。結果發現，體積電阻馬上大幅的降低，而隨著疊層數的增加，體積電阻亦呈現類似線性遞增的趨勢。由此我們可以推測，電流在未加入不銹鋼疊層織物中傳導時，除了受到織物體積電阻的影響外，大部分的電阻增加主要來自織物的體積電阻部分影響。
圖3為不銹鋼疊層織物中電流傳導的示意圖，在未加入不銹鋼織物時，電流傳導需經過體積傳導及表面傳導。而加入不銹鋼不織布後，電流僅需經過體積傳導，因此體積電阻和疊層數呈現正比之關係。在2%不銹鋼不織布方面(圖4)則表現出和1%不銹鋼不織布相同的趨勢。僅在電阻值有些微的降低。
圖3 不銹鋼疊層織物中電流傳導示意圖
圖4 2% 不銹鋼疊層不織布的體積電阻值變化
在3%不銹鋼不織布方面，我們可以發現和前面三種不銹鋼含量的不織布比較起來，體積電阻明顯大幅降低。而隨著疊層數的增加，體積電阻開始呈現線性的趨勢。另外和加入100%不銹鋼不織布後的體積電阻趨勢比較起來，無論在體積電阻或是上升趨勢都十分接近。這可能是因為不銹鋼含量增加後，除了降低體積傳導的阻礙外，更提供了良好的介面傳導所造成(圖4)。在4%不銹鋼不織布中，這個現象更加明顯(圖5)。
圖4 3% 不銹鋼疊層不織布的體積電阻值變化
圖5 4% 不銹鋼疊層不織布的體積電阻值變化
4.結論
在實驗中我們發現，由於100% PET不織布為均質物質，因此體積電阻隨著疊層數的增加呈現線性的增加趨勢。此現象和1%及2%不銹鋼不織布的趨勢不同，其原因可能是因為不銹鋼的加入，使得不銹鋼不織布成為非均質物質所造成。而在3%及4% 不銹鋼不織布則無此現象產生。另外，由實驗中我們可得知疊層織物的體積電阻的增加，和層間的表面傳導極有關係。
參考文獻
1.賴鴻儀、林佳瀅、林心梅、林佳弘、呂秋光、姚興川，利用不銹鋼不織布導入橡膠製成抗靜電鞋之評估，第十五屆纖維紡織科技研討會論文集，346-350（1999）
2.竹內由美子、岩崎謙次、大泉幸乃，衣料用新素材的帶電評定方法，纖維加工，50， No.5，36-43(1998)
不銹鋼採集空氣中VOC之濕化技巧
以不銹鋼採樣筒（Canister）採集空氣中捙發性有機化合物（VOC）為目前環境空氣污染檢測最常用採樣方法之一，其相關標準方法有USEPA TO14、TO15 及 NIEA A715.10A。
一般而言Canister內壁經特殊鍍鎳磨光處理，其目的在防止部分氣體樣品吸附在器壁上，影響分析結果。然而由實驗結果顯示，對於屬較高分子量或屬極性較強之VOC，其回收率仍不理想。遂有濕化步驟，藉由高極性水分子先佔據採樣筒器壁，防止採樣時氣體分子吸附在器壁上，以提高檢測準確度。然而此種處理方式仍有缺點，例如器內水分過多對分析儀器造成干擾，並大大降低極性（或微極性）化合物分析準確度；又如器內水分太少則去吸附效果將減低。如此，如何恰到好處做Canister濕化處理，將是彩響空氣中VOC檢測方法準確度之重要因子。
事實上如何解決濕化問題，亦即如何決定真空狀態下Can-ister採樣器內應存在多少水分，本文將以基礎物理化學概念，嘗試推算出理論含水量。基於上述概念，我們希望Canister器壁上僅吸附單層（Mono Layer）水量即可，亦即假設單層覆蓋器壁。
首先要推算容器內壁表面積，以容積為6L之Canister採樣器為例，假設為球
狀容器，則可由下式推算出容器半徑（R）：4/3πR3=6000CM3求得容器半徑為11.27cm，則容器內表面積（Ai）：Ai=4πR2=1596cm3
水分子半徑可由文獻查得或本文估算。對水分子三相而言，以 4℃ 液態下其密度最大（1.000g/cm3）亦即分子間距最小，1.000g水相當於水分子數目（Nw）為：Nw=(1/18.02)(6. 1023=3.34x1022若忽略此狀態下水分子間距，則水分子體積（Vw）為：Vw=(1.000cm3)/Nw=2.99x10-23cm3
而水分子相當半徑（Rw）及表面積（Aw）可由下面式子估算出：
4/3πRw3=2.99x10-23cm3
Rw=1.93x10-8cm
Aw=πRw2=1. 10-15cm2
同樣地假設忽略水分子排列間之空隙，則填滿Canister採樣器內表面所需分子個數N為：N=Ai/Aw=1.36x1018
化成水分含量（Mw）：
Mw = (N/6.1023)(18.02g) = 4. 10-5g
亦即在考慮單層吸附及忽略水分子間空隙條件下，容量 6L Canister 棌樣器濕化過程中，其理論水注射量應有0.04μL。
對於濕化步驟也許文獻上有許多不同作法，無論濕化用溶劑之選擇或真空條件之差異，但其目的防止樣品吸附以提高檢測準確度。實驗分析者可根據使用濕化用溶劑之物性及採樣容器大小，應用上述方法估計所須溶劑使用量。 |
发表于 2003-10-8 18:11:45
发表于 2005-11-13 23:08:31