L'atmosfera all'interno di un forno a nastro non è semplicemente aria calda, bensì un ambiente chimico controllato con precisione che determina se i pezzi risultano brillanti e puliti oppure ossidati e decarburati. Il controllo dell'atmosfera distingue un centro di trattamento termico di qualità da uno mediocre.
I forni a nastro reticolare MONTE INTELLIGENCE funzionano con diversi sistemi di atmosfera controllata a seconda delle esigenze del processo. Questo articolo illustra i tre tipi di atmosfera controllata più comuni, le relative apparecchiature di generazione e i parametri di controllo che ne determinano la qualità.
Il gas endotermico — "endo gas" nelle officine di trattamento termico — è l'atmosfera principale utilizzata per la tempra neutra, la carburazione e la carbonitrurazione di componenti in acciaio. Viene prodotto facendo reagire il gas naturale (o il propano) con l'aria in un generatore esterno a circa 1050 °C, su un catalizzatore di nichel. La reazione è approssimativamente CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, producendo un gas che è composto all'incirca per il 20% da CO, per il 40% da H2 e per il 40% da N2 in volume.
Il potenziale di carbonio del gas endotermico, ovvero la sua capacità di aggiungere o rimuovere carbonio dalla superficie dell'acciaio, dipende dal rapporto CO/CO2 e dalla temperatura del forno. A 850 °C, un gas endotermico con un punto di rugiada di +5 °C ha un potenziale di carbonio di circa lo 0,35% C. Riducendo il punto di rugiada a -5 °C, il potenziale di carbonio aumenta a circa lo 0,60% C. Questa relazione è regolata dalla reazione di spostamento del gas d'acqua: CO + H2O ↔ CO2 + H2, il che significa che controllando il contenuto di vapore acqueo (punto di rugiada) si controlla il potenziale di carbonio.
Il generatore endotermico è un componente critico dell'impianto. Consiste in una storta riscaldata riempita con catalizzatore di nichel, attraverso la quale passa la miscela aria-gas. La reazione è endotermica, ovvero assorbe calore, da cui il nome. La storta opera a temperature comprese tra 1000 e 1100 °C e deve essere realizzata in lega ad alta temperatura, tipicamente RA330 o Incoloy 800HT, con una durata prevista di 3-5 anni di funzionamento continuo. Il guasto della storta è una causa frequente di fermo impianto non programmato, pertanto ogni impianto di trattamento termico con gas endotermico dovrebbe tenere una storta di ricambio a disposizione.
Il catalizzatore del generatore si degrada nel tempo a causa della deposizione di carbonio (coking) e dell'avvelenamento da zolfo proveniente dal gas naturale. Lo zolfo rappresenta il problema maggiore: il catalizzatore al nichel viene avvelenato in modo permanente dallo zolfo anche a concentrazioni basse, pari a poche parti per milione. Le specifiche del gas naturale consentono in genere fino a 30 ppm di zolfo, un valore ben al di sopra della tolleranza del catalizzatore. È essenziale installare un letto di rimozione dello zolfo, a base di carbone attivo o ossido di zinco, a monte del generatore, e tale letto deve essere sostituito ogni 6-12 mesi a seconda del contenuto di zolfo nel gas.
L'atmosfera di azoto-metanolo rappresenta un'alternativa al gas endo per gli impianti che non desiderano utilizzare un generatore endo. L'atmosfera viene creata iniettando metanolo liquido (CH3OH) e azoto gassoso direttamente nel forno. Alla temperatura del forno, il metanolo si dissocia: CH3OH → CO + 2 H2, producendo lo stesso rapporto 1:2 CO:H2 del gas endo. L'azoto diluisce la miscela per raggiungere il potenziale di carbonio desiderato.
Il vantaggio del sistema azoto-metanolo è la semplicità: non sono necessari generatori, catalizzatori o storte. Il sistema è composto da un serbatoio di stoccaggio del metanolo liquido, una fonte di azoto (serbatoio di azoto liquido o generatore di azoto a membrana), pannelli di controllo del flusso e ugelli di iniezione nel forno. L'avvio richiede pochi minuti anziché le ore necessarie per riscaldare un generatore endotermico.
Lo svantaggio è il costo. Il metanolo liquido è più costoso per unità di atmosfera prodotta rispetto al gas naturale. Con prezzi tipici del metanolo di 0,40-0,60 dollari al litro, il costo dell'atmosfera per un forno a nastro che consuma 40 litri di metanolo all'ora è di 16-24 dollari all'ora, ovvero circa 380-580 dollari al giorno di funzionamento continuo. Un generatore endotermico che utilizza gas naturale produce lo stesso volume di atmosfera a un costo inferiore del 30-40%. La scelta tra i due si riduce al rapporto tra costi di investimento e costi operativi, e alla capacità dell'impianto di effettuare la manutenzione necessaria per far funzionare un generatore endotermico in modo affidabile.
L'ammoniaca dissociata viene utilizzata per la ricottura brillante di acciaio inossidabile, rame e ottone, processi in cui l'atmosfera deve essere riducente ma non carburante. L'ammoniaca anidra (NH3) viene dissociata in un'unità esterna: 2 NH3 → N2 + 3 H2, producendo un gas composto per il 75% da idrogeno e per il 25% da azoto in volume. Questa atmosfera è fortemente riducente (l'elevato contenuto di idrogeno riduce gli ossidi metallici presenti sulla superficie del pezzo) e non contiene carbonio, quindi non vi è alcun rischio di carburazione o decarburazione.
Il dissociatore opera a circa 950 °C con un catalizzatore ferro-nichel in una storta simile a un generatore endotermico, ma di dimensioni inferiori poiché la reazione di dissociazione dell'ammoniaca è più semplice e veloce. La fornitura di ammoniaca richiede un'attenta gestione: l'ammoniaca anidra è una sostanza chimica pericolosa che richiede uno stoccaggio dedicato, il rilevamento di perdite e procedure di intervento in caso di emergenza. Il gas dissociato è infiammabile a causa dell'elevato contenuto di idrogeno e deve essere manipolato secondo le opportune norme di sicurezza per i gas.
La strumentazione per il controllo dell'atmosfera si è evoluta dalla misurazione manuale del punto di rugiada al controllo automatizzato del potenziale di carbonio. L'approccio moderno utilizza una sonda per l'ossigeno (sensore in zirconia) inserita direttamente nella zona calda del forno. La sonda misura la pressione parziale dell'ossigeno nell'atmosfera del forno, a partire dalla quale viene calcolato il potenziale di carbonio in base al contenuto di CO e alla temperatura del forno. Il segnale della sonda controlla l'aggiunta di gas arricchinte (gas naturale o propano) per mantenere il valore di riferimento del potenziale di carbonio.
Le sonde per l'ossigeno richiedono una manutenzione periodica. La punta della sonda deve essere pulita da fuliggine e depositi di carbonio, in genere ogni 1-3 mesi a seconda del potenziale di carbonio mantenuto. La sonda deve essere calibrata rispetto a un riferimento, ovvero un'analisi del carbonio su materiale di riferimento o un misuratore di punto di rugiada portatile, almeno trimestralmente. Una sonda che presenta una deriva dello 0,05% nella lettura del potenziale di carbonio può produrre pezzi con una durezza di 1-2 punti HRC diversa da quella target, il che può fare la differenza tra un lotto conforme e uno non conforme.
MONTE INTELLIGENCE fornisce forni a nastro reticolare con sistemi di atmosfera integrati, tra cui generatori endotermici, pannelli azoto-metanolo e dissociatori di ammoniaca. Offriamo inoltre strumentazione per il controllo dell'atmosfera e supporto per la messa in servizio.
Per le specifiche del sistema di atmosfera per il vostro processo di trattamento termico, contattate helenxu@cnlymonte.com.
