专利名称：用于连续等离子处理材料，尤其是去除金属杆氧化皮的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种处理材料，尤其是例如线、杆、管等连续材料的 方法和装置。
背景技术：
在许多生产过程中，使用例如线、杆、管等材料。这些材料既可 作为半成品或者成品向指定地点运输和在生产过程中继续加工，也可 以直接在某一生产过程中制造并进一步加工。在加工过程中几乎永远 都会出现的问题在于，那些材料上总覆盖着一层杂质，因而无法直接 加工。其表面至少有一层天然氧化层。更常见的情况是，该材料也被 不同的有机和无机杂质污染。有机杂质通常都是在加工过程中使用的 油类或脂肪的残渣。无机杂质包括氧化物、氯化物和硫化物。所述表 面无机杂质的厚度由元件的储存环境和温度决定。温度越高，无机杂 质层厚度越高。元件上的杂质层应当在进一步加工前清除，从而确保 良好的加工质量。例如，由于钢杆表面通常因为制造工序而具有一层氧化皮，所以 钢杆形式的原材料必须进行预处理，从而为拉钢丝做好准备。特别是， 产生氧化皮是钢杆制造中的 一个副作用，其产生于杆的铸造和热轧之 后。术语"氧化皮，，描述了钢杆表面的氧化，可以分为不同的化学结构FeO和FexOy (分为表层和更深层)。这种氧化层具有极高的硬 度(类似于陶器)，因而当具有氧化皮的钢杆在拉模中拉伸时，就会 对拉模造成大面积磨损。通常清理金属零件表面的方法包括机械和化学处理。机械清理通 常用钢刷或者喷砂磨蚀；反之化学清理则将材料浸泡于化学溶液中，
然后用蒸馏水清洗并干燥。然而，没有一种方法可以保证将金属完全 清洁，其表面依然会有一层较薄的杂质。迄今为止，还不能将成本控制在合理范围内来解决此除锈问题。 目前使用中的除锈方法可以分为两组，即批量除锈和连续除锈。批量除锈中， 一批要除锈的材料，例如线圈，将被放入充满酸碱 混合物的大缸中。材料将被留在缸内数个小时。结果，全部氧化皮被 彻底磨蚀掉，然而问题在于，当材料从缸中取出时又会形成一层新的 氧化层。为了避免这个问题，材料必须在进一步的加工中进行钝化， 然而，钝化后的材料在某些工序中又需要额外的加工步骤再使之活 化，例如，在其从拉模中进行拉伸的这个步骤之后，从而使材料再次 变得可被润滑剂等湿润。而且，使用上述除锈方法时，在合理的努力之后依然无法将生锈的部分从材料内部(表面之下20 ju m或更深)除 去。为了从深度40Mm的材料中彻底清除锈蚀，例如，将锈蚀从直径 6mm的钢丝中侵蚀或机械的清除掉，就必须除去材料横截面中的 0.75mm2,也就分别对应直径为0.7mm或者2.7%的材料。按照通常的 市场来说，其每吨600欧元的价格，便会带来每吨16.2欧元的额外成 本。依据钢丝的直径(钢丝直径越大，越便宜)，除锈方法本身的成 本约在每吨10到100欧元。由于高昂的成本和庞大的时间开销，此 类除锈方法并不应用于处理工业氧化皮。为了降低成本、工作量和后勤，而开发了在线除锈的方法。该方 法将材料(钢丝)在处理盘中持续移动从而进行处理。这种已知的除 锈方法包含数个生产步骤首先，通过弯曲和盘绕进料钢丝，来使钢丝表面的FeO和FexOy 脱落。通过这种方法，的确可以除掉大部分氧化皮，然而坚硬的黑色 残留氧化皮层会依然残存，该氧化层必须在对钢丝进行拉伸之前通过所有的手段来去除。因此，钢丝会在第二步中进一步地通过化学方式或者机械刷进行 处理。然而即使这个清理步骤也无法彻底去除氧化层，氧化皮点会依 然残留在钢丝表面，从而增大了后续步骤中对润滑剂的需求。 在拉伸钢丝前，会将底漆(肥皂吸收剂)涂于钢丝表面，从而使 材料和润滑剂更好的粘合，所述润滑剂将在进行拉伸工序前应用于材 料表面。在大部分应用中，必须对钢丝进行加热，从而促进磷化和硼 砂处理，并为拉伸工序提供方便。那些处理构成了对材料表面的活化。在第四步中，将在钢丝上涂脂从而使之可以轻松地在拉模中拉伸。通常使用Na或者Ca的硬脂酸盐来对钢丝进行涂脂。因此，如上 所述，残存的氧化皮依然粘贴在材料表面，也就必须使用比其他情况 需要的更加多的润滑剂。发明内容本发明的目的在于提供一种材料处理方法和一种材料处理装置， 以避免现有技术中的缺点。特别是，本发明目的在于提供一种特别适 用于材料清洁，尤其是除锈的方法和装置，该方法和装置并不仅限于 作用在材料表面，也可以深层作用于材料；因此可以以很高的技术标 准和适宜的成本实施本发明。尽管在材料处理过程中具有深层作用， 也不应该将同时消耗大量的材料与本发明相联系。本发明借助权利要求1的处理材料，特别是连续材料例如线、杆、 管等材料的方法和权利要求11的一种用于处理材料，尤其是连续材 料，例如线、杆、管等材料的装置。从属权利要求描述了本发明的优 选实施例。本发明的特征在于，所述材料中，尤其是连续材料，例如特别是 那些钢制的线、杆、管等，将穿过加热室，在其中^^皮加热并且继而穿 过包括至少一个放电室的等离子反应器并于其中接受等离子处理。因 此以流水线的方式，即连续的方式处理材料。当本发明用于去除材料 氧化皮时，由于对材料加热而剥落大部分位于其表面上的氧化皮，然 后在放电室内除去剩余的氧化皮。本发明非常适于去除材料的氧化皮，可以以极低的成本，达到完 全令人满意的效果。由于这种改善的去除原材料氧化皮的方式，可以 在拉丝机中标准时间内去除95%的氧化皮，而目前可以达到的上限为 70%。根据本发明的方法，加工步骤数也比现有技术有所减少，从而 可以大幅度降低生产成本。此外，也可以减少对拉模等的磨损。本发 明也同样解决了从钢杆内部除锈的问题，并且避免了由此导致的大量 的材料损失。为了对材料加热，在本发明的具体实施例中，加热室包括电阻加 热器、火焰燃烧器、感应加热器、电容耦合高频放电器、激光、光加 热装置或者等离子发生装置。所述材料应该至少加热到100° C，这 样大部分氧化皮便在加热室内脱落了 ，并且后续放电室内的材料表面 反应迅速，因而可以降低放电室内的气体消耗。在加热室内使用氢气气氛或者氢气与惰性气体混合物是有益的， 因为放电室内也首选使用此类气氛，所以可以设置一个共用的气氛生 成装置。此外，通过在加热室内的氢气氛，可以确保不会有氧气进入 放电室内，而氧气可能在放电室内造成危害。在本发明的优选实施例中，在等离子反应器的放电室内由射频感 应放电发生装置或者微波放电发生装置产生放电。此外，；^文电室内的等离子处理气氛优选i殳定在1到100mbar间。 在这些条件下，等离子处理气氛中的氩根浓度可设定为至少102Gm_3, 从而使之可以从线、杆或类似物的内部除锈并且不造成很大的材料损 失。如果将在放电室中流向被处理材料表面的氢根流设定为至少 1(^m-Y1,所述效果还可以的到进一步提高。所述基团为中性或阳性 氢原子。为了防止基团重组为H2,在本发明的具体实施例中至少一个气体 放电室由分隔壁分隔，该壁由一种材料制成或者在面向气体放电室的 表面涂有 一种材料，所述材料与气体原子组合成分子或基团的重组系 数低，且其优选为玻璃，例如石英玻璃或者氟化聚合物，例如聚四氟 乙烯。如果分隔气体放电室的分隔壁可以得到冷却，可以进 一 步降低基团重组；所述冷却温度优选为60° C以下。为了防止在加热室内从材料上除掉的污物颗粒或者与材料 一 同 进入加热室的02原子进入气体放电室，在本发明的一个改进的实施例中，在加热室和等离子反应器的气体放电室间设置了 一个分离级。 该分离级将加热室内的气氛和气体放电室内的气氛彼此分离。此外还 可以将加热室内的压力调整到低于气体放电室内的压力来防止来自加热室的孩i粒对气体^L电室造成污染。
下面将参考附图根据一个示意性的实施对本发明做进一步描述。 图1为根据本发明的材料处理装置的示意图； 图2为根据本发明的材料处理装置的等离子反应器的纵向剖面示 意图。具体实施例图1中，示意性的展示了根据本发明的装置1的实施例，该装置 特别适用于对连续的-例如线、杆、管等-材料8进行处理的。连续 材泮+通过闸门2进入加热室3内，所述材冲十在穿过加热室4的时4'矣由 加热装置9加热到至少100° C,从而使材料8表面的污染物，例如 氧化皮因受热而大部分剥落。在加热室3中由真空泵11产生一个在 0.1到10mbar之间的压力Pl。在本实施例中，力口热室3为同轴几何 结构，其中加热装置9为等离子体加热器，其具有一个作为阳极的外 电极，该外电极设置在加热室3中包覆着连续材料。连续材料8构成 一个内电才及，通过导电辊12、 12，接零电位并由此用作阴极。通过加 载直流电压，在电极间产生直流气体放电并由此产生等离子体，所述 等离子体离子密度大于10—17m-3，因而在数千伏的放电电压下形成广 泛的离子轰击，该离子轰击在连续材料8上引起了强烈的表面加热。 因而在连续材料横截面上形成100K/mm以上的温度梯度。加热装置 的可选的实施例包括电阻加热、火焰燃烧器、感应加热器、激光、电 容耦合的高频放电器或者光加热装置。根据目的将加热室3内的气氛 调整为氢气气氛或者氢气与惰性气体混合的气氛，所述气氛分别通过
使气体通过分隔级4或者使用单独的氢气或惰性气体供应装置来实 现，所述供应装置未在图中示出。加热室3与分隔级4连接，该分隔级4用于将加热室3和设置于 分隔级另一侧的等离子反应器5分离。分隔级4为一闸，其具有用于 引入气体的进气管13或者具有另一条用于惰性气体的进气管14。通 过真空泵15调节分隔级4内的压力P2，使得所述压力P2大于加热 室3内的压力Pl,从而使气体可选地从分隔级4流入加热室3而不 会逆流。经过分隔级4之后，在加热室3中加热的、预净化过的材料8到 达等离子反应器5的放电室IO,在其中进行等离子处理从而去除残留 在连续材料8表面及内部的污染物。将在下面根据图2详细描述等离 子反应器的一个实施例及其工作模式。经过等离子处理之后，连续材 料8离开等离子反应器的放电室10，穿过组合供气/阀门系统6并到 达冷却级7，在此将其冷却至100° C以下，随后送入大气环境(空 气)中并且可选地进行进一步处理。该供气/阀门系统6具有一个用于 氢气的进气管16和另一个用于惰性气体，例如氩气，的进气管17。 由于这种分开的供气方式，使得放电室10内气氛的成分以及其中存 在的压力P3可以得到控制。该气氛的成分优选地含有90%-99%的氢 气和10%-1%的氩气。压力P3应该大于分隔级压力P2,这样不会有 气体和微粒从分隔级和上游加热室中都发生回流。优选地，将压力 P3调整为l-100mbar。图2为等离子反应器5的放电室10的纵向剖面示意图。放电室 10由圓柱形导管构成，一个或多个需要清洁的连续材料8沿所述导管 的纵轴线或与之平行地从所述导管中穿过。作为圆柱形设计的另 一种 可选设计，也可以将放电室IO设计为长的四边形或多边形管。自内 向外看，放电室10由内壁18限定，内壁18为中空圓柱中间壁19内 表面的涂层。该中间壁19由中空圓柱形外壁21环绕，这样选择外壁 21的内径，使得在中间壁19的外表面和外壁21的内表面之间形成中 空空间20,具有冷却介质(例如水)从中空空间中流过，从而充分冷 却内壁18和中间壁19,并由此防止或至少减少》丈电室10内基团的重 组。将壁温调整到60° C以下。而且，制造内壁18所用的材料分别 与气体原子组合为分子或基团的组合系数较低。所述具有低重组系数 的材料通常具有光滑的表面，而且可以为多种玻璃或聚合物，例如石 英玻璃或者氟化聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)。此外可用的材料 还有陶瓷和热塑性塑料。在放电室内这样生成等离子，使得确保气体 颗粒只有低动能，从而通过雾化预防表面污染。值得一提的是，中间 壁19和内壁18可能设计为一个单一的壁。线圏22缠绕于外壁21上，其具有大约5-15个绕组并且由高频发 电机产生的射频电流充电，所述高频发电机未被示出，其中射频电流 的频率应总计至少为2MHz，但是优选为总计至少13MHz,例如，约 27MHz。这种情况下，在》文电室10内产生感应耦合放电，并且产生 化学等离子体(与加热室3内的电离等离子体以及现有技术的装置不 同)。与电离等离子体不同，化学等离子体并不会导致连续材料表面 氢脆化和/或产生化学变化(例如马氏体的形成)的危险。将放电室10的等离子处理气氛中氢根浓度设定为至少102Gm-3。 其次，将向被处理材料表面的氢根流设定为至少1023111、—1。所述基团 为中性或阳性氢原子。无机杂质(主要为氧化物，例如锈蚀)可以通过等离子处理气氛 被从连续材料8的表面和内部清除，该存在于》文电室10内的离子处 理气氛为氢气或氢气与惰性气体，例如氩气的混合物。放电中产生的 氢基团与表面无机杂质作用，将其还原为水和其他简单分子，例如 HC1， H2S, HF等等，使其从表面脱离并被泵出。经过氢等离子处理 后，表面实质上已经没有任何杂质了。放电室内的等离子处理气氛优 选为氢气和氩气95: 5的混合物，从而使等离子中具有高浓度的氢基 团。含有氢气的气态等离子中氢基团的形成速度取决于电离源的电容 量。本发明的一个独特的方面在于，基于这些特殊的条件，在处理过 程中没有或者只有少量的高能离子在表面发生离子轰击，因而证明了
本发明是极为有益的。本发明的一个实质特点在于，材料处理装置l是所谓的流水线装置，也就是材料8连续地通过装置，例如，从线圈或者线盘中松开。根据本发明的材料处理装置也可以设计为多线装置，从而可以处理多条平行进料的连续材料8。
权利要求
1. 一种处理材料(8)，特别是连续材料例如线、杆、管等材料的方法，其特征在于，在材料(8)移动通过处理装置时进行加热，继而进行等离子处理。
2. 根据权利要求l所述方法，其特征在于，用焦耳加热、火焰、感 应加热、电容耦合的高频放电器、激光、光或者等离子方式加热所述材 料(8 )。
3. 根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述材料(8 )加 热到至少100。 C。
4. 根据上述权利要求之一所述方法，其特征在于，在氢气或者氢气 与惰性气体混合物的气氛中加热所述材料(8)。
5. 根据上述权利要求之一所述方法，其特征在于，在氢气或氬气与 惰性气体混合物的处理气氛进行等离子处理。
6. 根据上述权利要求之一所述方法，其特征在于，在所述等离子处 理过程中由射频感应》文电或微波放电来产生放电。
7. 根据权利要求5或6所述方法，其特征在于，所述等离子处理气 氛的压力设定为1到100mbar之间。
8. 根据权利要求5至7之一所述方法，其特征在于，等离子处理气 氛的氢基团浓度设定为至少102%一3。
9. 根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述到达被处理材料(8 ) 表面的氢基团流设定为至少lO23!^^:
10. 根据权利要求8或9所述方法，其特征在于，所述基团为中性 或者阳性氢原子。
11. 一种用于处理材料，尤其是连续材料，例如线、杆、管等材料 的装置(1)，其特征在于，用于在被送入的材料(8)移动穿过加热室(3)时对其进行加热的加热室(3),设置于加热室下游、具有至少一 个放电室(10)的等离子反应器(5)，穿过等离子反应器(5)中连续 输送材料(8)并在此过程中在等离子反应器(5)中对材料进行等离子 处理。
12. 根据权利要求11所述装置，其特征在于，加热室(3)包括加 热装置(9),例如电阻加热、火焰燃烧器、感应加热器、电容耦合的 高频放电器、激光、光加热装置或微波电离发生装置。
13. 根据权利要求11或12所述装置，其特征在于，加热室(3)包 括用以供应氬气和有选择地供应惰性气体的装置。
14. 根据权利要求11至13之一所述装置，其特征在于，等离子反 应器(5)包括在至少一个放电室内、用于设定氢气或氢气与惰性气体 混合物的处理气氛的装置(6)。
15. 根据权利要求11至14之一所述装置，其特征在于，等离子反 应器(5)包括感应射频放电产生装置(22)或微波放电产生装置。
16. 根据权利要求14至15之一所述装置，其特征在于，所述放电 室10内的等离子处理气氛的压力可设定为1到100mbar之间。
17. 根据权利要求14至16之一所述装置，其特征在于，等离子处理气氛的氢基团浓度设定为至少io2V—3。
18. 根据权利要求17所述装置，其特征在于，所述到达被处理材料 (8)表面的氢基团流设定为至少lOWo
19. 根据权利要求7至18之一所述装置，其特征在于，所述基团为 中性或者阳性氢原子。
20. 根据权利要求11至19之一所述装置，其特征在于，壁(18) 限定至少一个气体放电室(10)，所述壁由一种材料构成或者在面向气 体放电室的表面上涂覆有一种材料，所述材料具有低得气体原子组合成 分子或原子团的复合系数，所述材料优选为玻璃，例如石英玻璃或者氟 化聚合物，例如聚四氟乙烯。
21. 根据权利要求17至20之一所述装置，其特征在于，所述构成 放电室(10)的壁(18， 19)被冷却，优选冷却至壁温低于60。 C。
22. 根据权利要求11至21之一所述装置，其特征在于，分隔级(4) 设置于加热室(3)和等离子反应器(5)的气体放电室(10)之间，该 分隔级将加热室和气体》文电室中的气氛彼此分隔。
23. 根据权利要求11至22之一所述装置，其特征在于，加热室(3 ) 内的压力(Pl)低于气体放电室(10)内的压力(P3)。
全文摘要
本发明涉及一种用于处理特别连续的材料方法和装置(1)，所属材料为例如线、杆、管等。该装置包括用于在进料(8)通过加热室(3)时对其进行加热的加热室(3)，和位于加热室下游的等离子反应器(5)，以及至少一个放电室(10)，材料(8)可以连续地通过放电室(10)并且在此过程中进行等离子处理。
文档编号H01J37/32GK101394948SQ200780007270
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月2日
发明者尤罗斯·克维尔巴, 普利莫兹·艾泽尔特, 米兰·莫泽蒂克 申请人:普利莫兹·艾泽尔特;米兰·莫泽蒂克;尤罗斯·克维尔巴