Il forno di forgiatura è l'attrezzatura fondamentale in qualsiasi officina di forgiatura. Riceve billette o barre fredde e le scarica alla temperatura precisa – in genere 1150-1250 °C per la forgiatura dell'acciaio – ogni 30-90 secondi, tutto il giorno, tutti i giorni. Affidabilità e uniformità della temperatura non sono opzionali: un forno che si discosta di 30 °C dal valore impostato può compromettere la produzione di un'intera giornata, e un forno che si guasta blocca la pressa o il maglio e costringe la squadra di forgiatura a tornare a casa.
MONTE INTELLIGENCE fornisce forni di forgiatura a gas, sia a lotti (a carrello) che continui (a spinta, a trave mobile, a focolare rotante), ad aziende di forgiatura in Asia e Medio Oriente. Questo articolo illustra i fattori di progettazione e di funzionamento che determinano le prestazioni dei forni di forgiatura.
La temperatura di forgiatura dell'acciaio rientra nell'intervallo di lavorazione a caldo, al di sopra della temperatura di ricristallizzazione, dove il metallo si ammorbidisce e può essere deformato con forze inferiori. Per gli acciai a medio tenore di carbonio e legati, l'intervallo di temperatura di forgiatura è tipicamente compreso tra 1150 e 1250 °C. Il limite superiore è determinato dalla temperatura di fusione, ovvero la temperatura alla quale inizia la fusione dei bordi dei grani (circa 1250-1300 °C per molti acciai), e dalla velocità di formazione dello strato di ossido, che aumenta esponenzialmente con la temperatura. Il limite inferiore è determinato dalla forza di forgiatura richiesta e dal rischio di cricche nel pezzo.
L'uniformità della temperatura nel forno di forgiatura determina l'uniformità del flusso del metallo durante il processo. Una billetta che presenta una temperatura di 1200 °C a un'estremità e di 1150 °C all'altra avrà un flusso diverso alle due estremità, causando potenzialmente problemi di riempimento dello stampo, variazioni dimensionali o cricche all'estremità più fredda. Il requisito standard per l'uniformità della temperatura del forno di forgiatura è compreso tra ±14 °C (Classe 5 secondo AMS 2750) e ±28 °C (Classe 6), un valore più permissivo rispetto ai requisiti di uniformità del trattamento termico, poiché il successivo processo di forgiatura ridistribuisce il metallo e le piccole variazioni di temperatura vengono compensate.
La velocità di riscaldamento per la forgiatura deve bilanciare la produttività con il rischio di cricche da stress termico nel pezzo. Una billetta di acciaio per utensili di 200 mm di diametro riscaldata dalla temperatura ambiente a 100 °C al minuto può incrinarsi a causa dello stress termico tra la superficie calda e il nucleo freddo. La velocità di riscaldamento massima sicura dipende dal tipo di acciaio, dalla sezione trasversale e dalla temperatura iniziale. Gli acciai ad alto tenore di carbonio e ad alta lega richiedono velocità di riscaldamento inferiori rispetto agli acciai al carbonio semplici. Le billette fredde in inverno (a partire da 0 °C) richiedono un riscaldamento più lento rispetto alle billette preriscaldate mediante stoccaggio in un ambiente caldo.
La formazione di scaglie è l'ossidazione della superficie dell'acciaio durante il riscaldamento nel forno di forgiatura. Lo strato di scaglie – ossido di ferro, FeO, Fe3O4, Fe2O3 – rappresenta una perdita di materiale (tipicamente l'1-3% del peso del lingotto), un acceleratore dell'usura dello stampo (le scaglie sono abrasive e usurano le superfici dello stampo di forgiatura più rapidamente del metallo pulito) e un problema di finitura superficiale (le scaglie incorporate nella superficie di forgiatura richiedono una maggiore sovralavorazione).
La velocità di formazione della scaglia dipende principalmente dalla temperatura e dal tempo. A 1200 °C, una billetta di acciaio al carbonio in aria formerà circa 0,1 mm di scaglia in 15 minuti. Dopo 60 minuti, lo spessore della scaglia può raggiungere 0,3-0,5 mm. La dipendenza esponenziale dalla temperatura implica che un aumento di 50 °C della temperatura del forno può raddoppiare la velocità di formazione della scaglia. Questo è uno dei motivi per cui un controllo preciso della temperatura ha un valore economico che va oltre il risparmio energetico: riduce direttamente la perdita di materiale dovuta alla scaglia.
Il funzionamento in atmosfera riducente – ovvero la combustione del gas con una quantità d'aria inferiore a quella stechiometrica, con conseguente produzione di CO e H2 nei prodotti della combustione – può ridurre la formazione di incrostazioni. Il CO e l'H2 reagiscono con gli ossidi di ferro, riducendoli nuovamente a ferro metallico. Tuttavia, il funzionamento con una miscela ricca di combustibile produce fuliggine, aumenta le emissioni di CO e introduce un problema di sicurezza (gas combustibili nel sistema di scarico dei fumi). Una moderata condizione di eccesso di combustibile – dal 5 al 10% al di sotto della quantità stechiometrica di aria, spesso definita fiamma riducente – viene utilizzata in alcuni forni di forgiatura per controllare le incrostazioni, ma richiede un'attenta regolazione del bruciatore e il monitoraggio dei gas di scarico.
La produttività di un forno di forgiatura continuo dipende dalla lunghezza della sezione riscaldata, dalle dimensioni delle billette e dal tempo di riscaldamento richiesto. Il tempo di riscaldamento delle billette di acciaio può essere stimato a partire dalla sezione trasversale: circa 5-6 minuti ogni 25 mm di diametro per billette tonde riscaldate in un forno a gas ben miscelato a 1200 °C. Una billetta di 100 mm di diametro richiede circa 22-25 minuti per raggiungere una temperatura di forgiatura uniforme. Con una sezione riscaldata di 6 metri e una distanza tra le billette di 200 mm sul piano di appoggio, il forno può contenere circa 30 billette e, considerando 25 minuti per billetta, la produttività è di 30 / 25 × 60 = 72 billette all'ora.
La circolazione dell'atmosfera all'interno del forno, ovvero il movimento dei gas di combustione caldi attorno ai lingotti, è il meccanismo che permette il trasferimento di calore per convezione. La convezione naturale in un forno caldo garantisce una certa circolazione, ma per un riscaldamento uniforme ad alta produttività sono necessari ventilatori di ricircolo. Questi ventilatori, solitamente montati sul tetto o sulle pareti laterali del forno, aspirano i gas caldi dalla camera di combustione e li reimmettono nella camera ad alta velocità, creando un ambiente agitato che riscalda uniformemente tutte le superfici dei lingotti.
I forni per forgiatura MONTE INTELLIGENCE sono progettati per un funzionamento continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, grazie a un robusto rivestimento refrattario, bruciatori industriali e sistemi di controllo configurati per i cicli termici richiesti dalle operazioni di forgiatura.
Per una proposta di forno di forgiatura basata sulle vostre esigenze di produzione, contattate helenxu@cnlymonte.com.
