A forma como um forno a gás transfere calor da chama para a carga determina a qualidade do produto, a eficiência energética e a gama de processos que o forno pode realizar. As três abordagens fundamentais — combustão direta, combustão indireta com mufla e tubo radiante — têm cada uma a sua aplicação, e escolher a abordagem errada para a aplicação leva a problemas de qualidade, custos excessivos de energia ou ambos.
A MONTE INTELLIGENCE fornece fornos a gás em todas as três configurações. Este artigo compara os modelos de acordo com os critérios relevantes para operações de tratamento térmico.
Os fornos de combustão direta queimam gás natural (ou outro gás combustível) diretamente na câmara de combustão, e os produtos da combustão — a chama e os gases quentes dos gases de combustão — entram em contato direto com a peça a ser aquecida. Os queimadores disparam para dentro da câmara, os gases quentes circulam ao redor da peça (impulsionados por convecção natural ou ventiladores de recirculação) e os gases de exaustão saem por uma chaminé. Esta é a configuração mais simples e energeticamente eficiente, pois não há barreira entre a fonte de calor e a peça a ser aquecida — toda a energia da combustão está disponível para aquecer a peça, exceto o calor sensível transportado pelos gases de combustão.
A limitação do aquecimento por combustão direta reside no fato de a peça ficar exposta à atmosfera de combustão. Os produtos da combustão contêm dióxido de carbono (CO2) e vapor de água (H2O) — ambos oxidantes para o aço nas temperaturas de tratamento térmico. O aço aquecido em um forno de combustão direta desenvolverá uma camada de óxido (carema de laminação) na superfície. Para muitas aplicações — pré-aquecimento para forjamento, normalização, alívio de tensões, recozimento antes da usinagem — isso é aceitável, pois a carepa será removida em processos subsequentes ou não é prejudicial ao produto.
O aquecimento direto não é aceitável quando a qualidade da superfície é crítica. Processos como cementação, carbonitretação, têmpera brilhante e qualquer outro que exija um potencial de carbono específico não toleram a atmosfera descontrolada dos produtos da combustão. Para essas aplicações, os produtos da combustão devem ser separados da peça a ser trabalhada, o que leva ao uso de configurações de aquecimento indireto.
Os fornos de combustão indireta utilizam uma mufla — um invólucro de liga ou cerâmica resistente ao calor que separa a câmara de combustão da câmara de trabalho. Os queimadores disparam fora da mufla, aquecendo a parede da mufla, que por sua vez irradia calor para a peça a ser trabalhada em seu interior. Uma atmosfera controlada — gás endotérmico, nitrogênio-hidrogênio, etc. — é mantida dentro da mufla para proteger a peça a ser trabalhada. Os produtos da combustão nunca entram em contato com a peça.
A mufla é o componente essencial deste tipo de forno. Para temperaturas de até aproximadamente 950 °C, a mufla pode ser fabricada com liga resistente ao calor — tipicamente RA330, Incoloy 800HT ou liga fundida de alto teor de níquel — com uma vida útil projetada de 3 a 5 anos. Para temperaturas mais elevadas, até 1150 °C, são utilizadas muflas de carboneto de silício, porém estas são frágeis e mais caras. A mufla representa um custo de capital significativo — tipicamente de 15% a 25% do custo total do forno — e sua eventual substituição constitui uma despesa considerável de manutenção.
A penalidade energética da mufla reside na queda de temperatura ao longo de sua parede. Para aquecer a câmara de trabalho a 850 °C, a temperatura da câmara de combustão deve ser mais alta — tipicamente entre 950 e 1050 °C — para fornecer a força motriz necessária para a transferência de calor através da mufla. A temperatura mais elevada da câmara de combustão implica em temperaturas mais altas dos gases de combustão e maior perda de calor, reduzindo a eficiência térmica do forno em 10 a 20% em comparação com um forno de combustão direta equivalente.
O aquecimento por tubos radiantes é uma variação do conceito de combustão indireta que se tornou padrão para fornos contínuos, incluindo fornos de esteira. Em vez de uma única mufla grande, o forno utiliza múltiplos tubos radiantes — tubos de liga metálica selados que atravessam a câmara do forno. O queimador funciona dentro do tubo, os produtos da combustão percorrem o tubo (frequentemente com recirculação interna para melhorar a uniformidade da transferência de calor) e são expelidos na extremidade oposta. A superfície externa do tubo irradia calor para a carga.
Os tubos radiantes oferecem diversas vantagens em relação a uma mufla simples. Os tubos podem ser dispostos de forma a proporcionar um aquecimento mais uniforme — normalmente em fileiras acima e abaixo da área de trabalho — do que uma mufla, que aquece principalmente pelas laterais e pela parte superior. Os tubos individuais podem ser removidos e substituídos sem a necessidade de abrir a câmara do forno, reduzindo o tempo de inatividade para manutenção. O diâmetro do tubo é suficientemente pequeno (normalmente entre 100 e 200 mm) para que a espessura da parede possa ser moderada (5 a 8 mm), mantendo ainda assim resistência mecânica e à corrosão adequadas.
O design mais comum de tubo radiante é o tubo em U: o queimador dispara em uma das extremidades do U, os gases de combustão seguem para a extremidade fechada e retornam pela outra extremidade para o escapamento. Esse design proporciona boa transferência de calor porque a chama de alta temperatura está em uma extremidade e os gases de escape mais frios na outra, produzindo uma temperatura superficial mais uniforme do tubo do que um design de passagem direta. Tubos em W e tubos recuperativos de extremidade única (tubos SER) são usados para aplicações que exigem maior liberação de calor por tubo.
A seleção do material do tubo depende da temperatura do forno. Para temperaturas de até 950 °C, tubos de liga fundida HK-40 (25% Cr, 20% Ni) ou HP (25% Cr, 35% Ni) oferecem vida útil adequada. Para temperaturas mais elevadas ou para atmosferas contendo gases de cementação que podem causar a formação de pó metálico, são necessárias ligas com maior teor de níquel ou tubos de cerâmica (carboneto de silício). A vida útil do tubo em condições típicas de tratamento térmico varia de 2 a 5 anos, com modos de falha que incluem ruptura por fluência (devido à exposição prolongada a altas temperaturas sob o próprio peso do tubo), oxidação (afinamento da parede do tubo a partir do lado da combustão) e cementação (absorção de carbono que fragiliza o tubo).
A MONTE INTELLIGENCE recomenda a configuração de aquecimento com base na temperatura do processo, nos requisitos da atmosfera, no volume de produção e no orçamento disponível. Para aplicações de pré-aquecimento e normalização de forjamento, o aquecimento direto oferece a melhor relação custo-benefício. Para tratamento térmico em atmosfera controlada, os projetos de tubos radiantes ou muflas são especificados com base na geometria do forno e na temperatura de operação.
Para recomendações específicas sobre a configuração do forno a gás para o seu processo, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
