A atmosfera dentro de um forno de esteira não é apenas ar quente — é um ambiente químico precisamente controlado que determina se as peças sairão brilhantes e limpas ou oxidadas e descarbonetadas. O controle da atmosfera diferencia um profissional de tratamento térmico de qualidade de um medíocre.
Os fornos de esteira de malha da MONTE INTELLIGENCE operam com diversos sistemas de atmosfera, dependendo dos requisitos do processo. Este artigo aborda os três tipos mais comuns de atmosfera controlada, seus equipamentos de geração e os parâmetros de controle que determinam a qualidade da atmosfera.
O gás endotérmico — ou gás endotérmico, como é conhecido em oficinas de tratamento térmico — é a atmosfera principal para têmpera neutra, cementação e carbonitretação de peças de aço. Ele é produzido pela reação de gás natural (ou propano) com ar em um gerador externo a cerca de 1050 °C, sobre um catalisador de níquel. A reação é aproximadamente CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, produzindo um gás com aproximadamente 20% de CO, 40% de H2 e 40% de N2 em volume.
O potencial de carbono do gás endotérmico — sua capacidade de adicionar ou remover carbono da superfície do aço — depende da relação CO/CO₂ e da temperatura do forno. A 850 °C, um gás endotérmico com ponto de orvalho de +5 °C tem um potencial de carbono de aproximadamente 0,35% C. Reduzir o ponto de orvalho para -5 °C eleva o potencial de carbono para cerca de 0,60% C. Essa relação é regida pela reação de deslocamento do gás de água: CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂, o que significa que o controle do teor de vapor de água (ponto de orvalho) controla o potencial de carbono.
O gerador endotérmico em si é um equipamento crítico. Consiste em uma retorta aquecida preenchida com catalisador de níquel, através da qual passa a mistura ar-gás. A reação é endotérmica — absorve calor — daí o nome. A retorta opera a 1000-1100 °C e deve ser construída com liga de alta temperatura, tipicamente RA330 ou Incoloy 800HT, com uma vida útil projetada de 3 a 5 anos de operação contínua. A falha da retorta é uma causa comum de paradas não planejadas do forno, e toda planta de tratamento térmico com gás endotérmico deve manter uma retorta reserva.
O catalisador do gerador se degrada com o tempo devido à deposição de carbono (coqueificação) e ao envenenamento por enxofre proveniente do gás natural. O enxofre é o maior problema: o catalisador de níquel é permanentemente envenenado por enxofre em concentrações tão baixas quanto algumas partes por milhão. As especificações do gás natural normalmente permitem até 30 ppm de enxofre, o que está muito acima da tolerância do catalisador. Um leito de remoção de enxofre — carvão ativado ou óxido de zinco — a montante do gerador é essencial e deve ser trocado a cada 6 a 12 meses, dependendo do teor de enxofre do gás.
A atmosfera de nitrogênio-metanol é uma alternativa ao gás endo para usinas que não desejam operar um gerador de endo. A atmosfera é criada pela injeção de metanol líquido (CH3OH) e gás nitrogênio diretamente no forno. Na temperatura do forno, o metanol se dissocia: CH3OH → CO + 2 H2, produzindo a mesma proporção de 1:2 de CO:H2 que o gás endo. O nitrogênio dilui a mistura para atingir o potencial de carbono desejado.
A vantagem do sistema nitrogênio-metanol é a simplicidade — sem gerador, sem catalisador, sem retorta. O sistema consiste em um tanque de armazenamento de metanol líquido, um suprimento de nitrogênio (tanque de nitrogênio líquido ou gerador de nitrogênio por membrana), painéis de controle de fluxo e bicos de injeção no forno. A inicialização leva minutos, em vez das horas necessárias para aquecer um gerador endoplasmático.
A desvantagem é o custo. O metanol líquido é mais caro por unidade de atmosfera produzida do que o gás natural. Com preços típicos de metanol entre US$ 0,40 e US$ 0,60 por litro, o custo da atmosfera para um forno de esteira que consome 40 litros de metanol por hora é de US$ 16 a US$ 24 por hora, ou cerca de US$ 380 a US$ 580 por dia de operação contínua. Um gerador endogás que utiliza gás natural produz o mesmo volume de atmosfera por cerca de 30 a 40% menos. A escolha entre os dois se resume ao custo de capital versus o custo operacional e à capacidade da planta de realizar a manutenção necessária para operar um gerador endogás de forma confiável.
A amônia dissociada é utilizada para o recozimento brilhante de aço inoxidável, cobre e latão — processos em que a atmosfera deve ser redutora, mas não carbonizante. A amônia anidra (NH3) é dissociada em uma unidade externa: 2 NH3 → N2 + 3 H2, produzindo um gás composto por 75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio em volume. Essa atmosfera é fortemente redutora — o alto teor de hidrogênio reduz quaisquer óxidos metálicos na superfície da peça — e não contém carbono, portanto não há risco de carbonização ou descarbonetação.
O dissociador opera a cerca de 950 °C com um catalisador de ferro-níquel em uma retorta semelhante a um gerador endo, porém menor, porque a reação de dissociação da amônia é mais simples e rápida. O fornecimento de amônia requer manuseio cuidadoso: a amônia anidra é um produto químico perigoso que exige armazenamento dedicado, detecção de vazamentos e procedimentos de resposta a emergências. O gás dissociado é inflamável devido ao alto teor de hidrogênio e deve ser manuseado seguindo as práticas de segurança de gases apropriadas.
A instrumentação para controle da atmosfera evoluiu da medição manual do ponto de orvalho para o controle automatizado do potencial de carbono. A abordagem moderna utiliza uma sonda de oxigênio (sensor de zircônia) inserida diretamente na zona quente do forno. A sonda mede a pressão parcial de oxigênio na atmosfera do forno, a partir da qual o potencial de carbono é calculado com base no teor de CO e na temperatura do forno. O sinal da sonda controla a adição de gás enriquecedor (gás natural ou propano) para manter o potencial de carbono no ponto de ajuste.
As sondas de oxigênio requerem manutenção periódica. A ponta da sonda deve ser limpa de fuligem e depósitos de carbono, normalmente a cada 1 a 3 meses, dependendo do potencial de carbono que está sendo monitorado. A sonda deve ser calibrada com base em uma referência — seja uma análise de carbono em lâminas de calço ou um medidor de ponto de orvalho portátil — pelo menos trimestralmente. Uma sonda com uma variação de 0,05% na leitura do potencial de carbono pode produzir peças com dureza 1 a 2 pontos HRC abaixo do valor alvo, o que pode representar a diferença entre um lote aprovado e um reprovado.
A MONTE INTELLIGENCE fornece fornos de esteira com sistemas de atmosfera integrados, incluindo geradores endo, painéis de nitrogênio-metanol e dissociadores de amônia. Também oferecemos instrumentação para controle de atmosfera e suporte para comissionamento.
Para especificações do sistema de atmosfera para o seu processo de tratamento térmico, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
