Controle da atmosfera em forno de esteira: misturas de nitrogênio, gás endotérmico e hidrogênio.
O controle da atmosfera é o que diferencia um forno de tratamento térmico de um forno de aquecimento e oxidação. O mesmo forno, com uma atmosfera inadequada, produz peças com grande quantidade de incrustações que não passam na inspeção de qualidade. Com a atmosfera correta, as peças saem brilhantes, limpas e prontas para a próxima etapa. Essa diferença é significativa. O custo da atmosfera representa tipicamente de 15% a 25% do custo operacional de um forno de esteira, e o sistema de controle da atmosfera representa de 20% a 30% do custo de capital do forno. Investir corretamente nesse aspecto compensa o esforço.
Por que a atmosfera é importante
A temperaturas acima de 500 graus Celsius, o aço reage com o oxigênio, o vapor de água e o dióxido de carbono presentes no ar. Essas reações formam uma camada de óxido de ferro, descarbonizam a superfície e comprometem a integridade da peça para diversas aplicações. O objetivo de uma atmosfera controlada é justamente substituir o ar e criar um ambiente químico que não reaja com o aço.
A atmosfera também desempenha um papel ativo em alguns processos. Gases endotérmicos adicionam carbono à superfície do aço (cementação). Atmosferas contendo amônia adicionam nitrogênio (nitretação). Atmosferas contendo hidrogênio reduzem qualquer óxido superficial existente (recozimento brilhante). A atmosfera ideal é aquela que proporciona a química de superfície desejada e previne reações indesejadas.
Atmosferas à base de nitrogênio
O nitrogênio é a atmosfera protetora mais utilizada em fornos de esteira. É barato, facilmente disponível e eficaz para muitos processos. O nitrogênio puro é adequado para: recozimento brilhante de cobre, alívio de tensões em aços de baixa liga e processos de baixa temperatura abaixo de 700 graus Celsius.
O nitrogênio puro não é adequado para o endurecimento do aço carbono entre 850 e 880 graus Celsius. O motivo: o nitrogênio não impede a descarbonetação nessa faixa de temperatura, e o teor de carbono na superfície do aço diminui. A camada descarbonetada é macia e pode causar falhas na peça durante o uso.
Para o endurecimento do aço carbono, a atmosfera padrão é um gás endotérmico, por vezes com uma pequena adição de gás natural para enriquecer o potencial de carbono. O gás endotérmico é produzido pela reação do gás natural com o ar num retorto aquecido a 950 a 1000 graus Celsius, com um catalisador de níquel. A reação produz um gás com cerca de 40% de hidrogênio, 20% de monóxido de carbono, 40% de nitrogênio e traços de metano e vapor de água.
Gás endotérmico (gás Endo)
A atmosfera endotérmica com gás é a principal utilizada no processo de têmpera de aço carbono em forno de esteira. O potencial de carbono do gás é controlado no valor alvo para a classe de aço (tipicamente de 0,4 a 0,8% de C), e o gás adiciona ou remove carbono da superfície do aço para manter o valor alvo.
O potencial de carbono é controlado por um analisador de ponto de orvalho ou um analisador de CO2 por infravermelho. O controlador modula a relação ar/gás no gerador endotérmico para manter o ponto de ajuste. O gerador endotérmico opera a temperaturas entre 950 e 1000 graus Celsius e consome de 0,10 a 0,15 metros cúbicos de gás natural por metro cúbico de gás endotérmico produzido.
A desvantagem do gás endotérmico é a complexidade do gerador. A retorta, o catalisador, o sistema de mistura ar-gás e o circuito de controle do potencial de carbono requerem manutenção. Os geradores endotérmicos modernos são confiáveis, mas o operador ainda precisa monitorar o potencial de carbono continuamente e substituir o catalisador a cada 2 ou 3 anos.
Misturas de hidrogênio e nitrogênio para recozimento brilhante
Peças de aço inoxidável e aço ferramenta que necessitam de uma superfície brilhante e livre de óxidos são recozidas em misturas de hidrogênio e nitrogênio, com teor de hidrogênio tipicamente entre 25 e 75%. O hidrogênio atua como agente redutor, convertendo qualquer óxido superficial de volta a metal, e o nitrogênio atua como gás de arraste e diluente de segurança.
Atmosferas de hidrogênio puro também são usadas para obter o acabamento mais brilhante, mas exigem fornos à prova de explosão e sistemas de segurança robustos. Misturas de hidrogênio com 25 a 75% de concentração são mais seguras e proporcionam a maior parte do benefício de brilho com um custo de investimento menor.
A mistura de hidrogênio e nitrogênio é fornecida como um gás pré-misturado por um fornecedor ou como gases separados misturados na entrada do forno. A proporção da mistura é controlada por controladores de fluxo de massa, e o ponto de orvalho da mistura é monitorado continuamente. Um ponto de orvalho elevado (acima de -40 graus Celsius) indica um vazamento ou um fornecimento de gás contaminado, e o forno deve ser desligado até que o problema seja resolvido.
Atmosferas contendo hidrogênio são explosivas em concentrações acima de 4% no ar. O forno de esteira deve ser projetado com sequências de purga adequadas, testes de vazamento e ventilação de emergência. A MONTE INTELLIGENCE projeta fornos de esteira para serviço com hidrogênio com sistemas de segurança redundantes e um ciclo de pré-purga que remove o ar do forno antes de cada aquecimento.
Atmosferas à base de amônia para nitretação
Para a nitretação de peças especiais, utiliza-se amônia ou misturas de amônia e nitrogênio. A amônia se decompõe na temperatura de nitretação (500 a 600 graus Celsius) liberando nitrogênio atômico, que se difunde na superfície do aço. O resultado é uma camada superficial dura e resistente ao desgaste, sem a necessidade de têmpera.
Atmosferas de amônia são utilizadas em fornos de esteira para nitretação de alto volume de peças pequenas. O consumo de amônia é tipicamente de 0,5 a 1,5 metros cúbicos por hora em um forno de pequeno porte. Os gases residuais da saída do forno devem ser tratados para destruir a amônia não reagida antes do descarte.
Monitoramento e Controle da Atmosfera
A atmosfera em um forno de esteira deve ser monitorada continuamente. Os parâmetros principais são: sonda de oxigênio (para teor de oxigênio), analisador de ponto de orvalho (para vapor de água), analisador infravermelho (para CO e CO2) e medidores de vazão (para as taxas de fornecimento de gás). Os dados são registrados continuamente e usados para controle de processo e documentação de qualidade.
Os modernos sistemas de controle de fornos de esteira integram o monitoramento da atmosfera com o controle de temperatura. Se a composição química da atmosfera se desviar das especificações, o controlador pode ajustar o fluxo de gás, modificar o ponto de ajuste do potencial de carbono ou acionar um alarme. Essa integração reduz a carga de trabalho do operador e melhora a consistência do processo.
Critérios de seleção
Para os compradores que especificam o sistema de atmosfera controlada, as principais questões são: qual o acabamento superficial necessário, qual a classe do aço, qual a temperatura do processo e qual a disponibilidade de gás. O sistema de atmosfera controlada é então dimensionado de acordo com esses parâmetros, especificando-se o tipo de gás, a vazão, o sistema de controle e os sistemas de segurança.
Fale com a MONTE INTELLIGENCE sobre sistemas atmosféricos.
Para compradores que avaliam sistemas de atmosfera controlada para fornos de esteira, a MONTE INTELLIGENCE Engineering pode recomendar uma configuração que atenda às necessidades do processo e ao acabamento superficial desejado. Visite [link]www.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Para estudos de caso, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com para discutir seu projeto. O assunto é "Atmosfera da correia de malha", e você deve incluir detalhes sobre o processo e o acabamento superficial desejados.
