Il modo in cui un forno a gas trasferisce il calore dalla fiamma al pezzo da lavorare determina la qualità del prodotto, l'efficienza energetica e la gamma di processi che il forno può eseguire. I tre approcci fondamentali – riscaldamento diretto, riscaldamento indiretto con muffola e tubi radianti – hanno ciascuno la propria utilità, e la scelta di quello sbagliato per l'applicazione può portare a problemi di qualità, costi energetici eccessivi o entrambi.
MONTE INTELLIGENCE fornisce forni a gas in tutte e tre le configurazioni. Questo articolo confronta i diversi modelli in base ai criteri più importanti per le operazioni di trattamento termico.
I forni a combustione diretta bruciano gas naturale (o altro gas combustibile) direttamente nella camera di combustione, e i prodotti della combustione – la fiamma e i gas di scarico caldi – entrano in contatto diretto con il pezzo da lavorare. I bruciatori immettono calore nella camera, i gas caldi circolano attorno al pezzo (per convezione naturale o tramite ventilatori di ricircolo) e i gas di scarico fuoriescono attraverso un condotto. Questa è la configurazione più semplice ed efficiente dal punto di vista energetico perché non vi è alcuna barriera tra la fonte di calore e il pezzo da lavorare: tutta l'energia della combustione è disponibile per riscaldare il pezzo, ad eccezione del calore sensibile trasportato dai gas di scarico.
Il limite del riscaldamento a fuoco diretto è che il pezzo in lavorazione è esposto all'atmosfera di combustione. I prodotti della combustione contengono anidride carbonica (CO2) e vapore acqueo (H2O), entrambi ossidanti per l'acciaio alle temperature di trattamento termico. L'acciaio riscaldato in un forno a fuoco diretto svilupperà uno strato di ossido (scaglia di laminazione) sulla superficie. Per molte applicazioni, come il preriscaldamento per la forgiatura, la normalizzazione, la distensione e la ricottura prima della lavorazione, questo è accettabile perché la scaglia verrà rimossa nelle fasi successive o non è dannosa per il prodotto.
Il riscaldamento a fuoco diretto non è accettabile quando la qualità della superficie è fondamentale. La cementazione, la carbonitrurazione, la tempra brillante e qualsiasi processo che richieda uno specifico potenziale di carbonio non possono tollerare l'atmosfera incontrollata dei prodotti della combustione. Per queste applicazioni, i prodotti della combustione devono essere separati dal pezzo in lavorazione, il che porta all'utilizzo di configurazioni a fuoco indiretto.
I forni a riscaldamento indiretto utilizzano una muffola, un involucro in lega o ceramica resistente al calore che separa la camera di combustione dalla camera di lavoro. I bruciatori bruciano all'esterno della muffola, riscaldandone la parete, che a sua volta irradia calore al pezzo da lavorare all'interno. All'interno della muffola viene mantenuta un'atmosfera controllata (gas endotermico, azoto-idrogeno, ecc.) per proteggere il pezzo da lavorare. I prodotti della combustione non entrano mai in contatto con il pezzo.
La muffola è il componente principale di questo tipo di forno. Per temperature fino a circa 950 °C, la muffola può essere realizzata in lega resistente al calore, tipicamente RA330, Incoloy 800HT o lega fusa ad alto contenuto di nichel, con una durata prevista di 3-5 anni. Per temperature più elevate, fino a 1150 °C, si utilizzano muffole in carburo di silicio, che tuttavia risultano fragili e più costose. La muffola rappresenta un costo di investimento significativo, in genere pari al 15-25% del costo totale del forno, e la sua eventuale sostituzione costituisce un'importante spesa di manutenzione.
La perdita di energia dovuta alla muffola è rappresentata dalla caduta di temperatura attraverso la sua parete. Per riscaldare la camera di lavoro a 850 °C, la temperatura della camera di combustione deve essere più elevata, in genere tra 950 e 1050 °C, per fornire la forza motrice necessaria al trasferimento di calore attraverso la muffola. Una temperatura più elevata della camera di combustione comporta una temperatura dei fumi più alta e maggiori perdite di calore, riducendo l'efficienza termica del forno del 10-20% rispetto a un forno a combustione diretta di pari caratteristiche.
Il riscaldamento a tubi radianti è una variante del concetto di riscaldamento indiretto, ormai standard per i forni a ciclo continuo, compresi i forni a nastro. Invece di una singola grande muffola, il forno utilizza più tubi radianti, ovvero tubi in lega sigillati che attraversano la camera di combustione. Il bruciatore brucia all'interno del tubo, i prodotti della combustione lo attraversano (spesso con un ricircolo interno per migliorare l'uniformità del trasferimento di calore) e vengono espulsi all'estremità opposta. La superficie esterna del tubo irradia calore verso il materiale da lavorare.
I tubi radianti offrono diversi vantaggi rispetto a una singola muffola. I tubi possono essere disposti in modo da fornire un riscaldamento più uniforme, tipicamente in file sopra e sotto il carico di lavoro, rispetto a una muffola, che riscalda principalmente dai lati e dall'alto. I singoli tubi possono essere rimossi e sostituiti senza aprire la camera del forno, riducendo i tempi di fermo per la manutenzione. Il diametro dei tubi è sufficientemente piccolo (tipicamente 100-200 mm) da consentire uno spessore della parete moderato (5-8 mm) pur garantendo un'adeguata resistenza meccanica e alla corrosione.
Il design più comune per i tubi radianti è quello a U: il bruciatore immette la fiamma in una delle due estremità della U, i gas di combustione si spostano verso l'estremità chiusa e ritornano all'uscita attraverso l'altra estremità. Questo design garantisce un buon trasferimento di calore perché la fiamma ad alta temperatura si trova in un'estremità e i gas di scarico più freddi nell'altra, producendo una temperatura superficiale del tubo più uniforme rispetto a un design a passaggio diretto. I tubi a W e i tubi a recupero di calore a estremità singola (tubi SER) vengono utilizzati per applicazioni che richiedono una maggiore resa termica per tubo.
La scelta del materiale dei tubi dipende dalla temperatura del forno. Per temperature fino a 950 °C, i tubi in lega fusa HK-40 (25% Cr, 20% Ni) o HP (25% Cr, 35% Ni) garantiscono una durata adeguata. Per temperature più elevate o in atmosfere contenenti gas carburanti che possono causare polverizzazione del metallo, sono necessarie leghe con un contenuto di nichel più elevato o tubi in ceramica (carburo di silicio). La durata dei tubi in condizioni tipiche di trattamento termico varia da 2 a 5 anni, con modalità di guasto che includono rottura per scorrimento viscoso (dovuta a una prolungata esposizione ad alte temperature sotto il peso del tubo stesso), ossidazione (assottigliamento della parete del tubo dal lato della combustione) e carburazione (assorbimento di carbonio che rende fragile il tubo).
MONTE INTELLIGENCE consiglia la configurazione di riscaldamento in base alla temperatura di processo, ai requisiti di atmosfera, al volume di produzione e al budget di investimento. Per le applicazioni di preriscaldamento e normalizzazione della forgiatura, il riscaldamento diretto offre il miglior rapporto costo-prestazioni. Per il trattamento termico in atmosfera controllata, si specificano sistemi a tubi radianti o a muffola in base alla geometria del forno e alla temperatura di esercizio.
Per consigli specifici sulla configurazione del forno a gas in base al vostro processo, contattate helenxu@cnlymonte.com.
