Controllo dell'atmosfera in un forno a nastro reticolare: miscele di azoto, gas endotermico e idrogeno.
Il controllo dell'atmosfera è ciò che distingue un forno per trattamento termico da un forno di ossidazione-riscaldamento. Lo stesso forno, se dotato di un'atmosfera inadeguata, produce pezzi con un'elevata presenza di scaglie che non superano il controllo qualità. Con l'atmosfera corretta, invece, i pezzi risultano brillanti, puliti e pronti per la fase successiva. Non si tratta di una differenza trascurabile. Il costo dell'atmosfera rappresenta in genere dal 15 al 25 percento dei costi operativi di un forno a nastro, mentre il sistema di controllo dell'atmosfera incide per il 20-30 percento sul costo di investimento del forno. Investire in un sistema di controllo efficace ripaga ampiamente l'investimento.
Perché l'atmosfera è importante
A temperature superiori a 500 gradi Celsius, l'acciaio reagisce con l'ossigeno, il vapore acqueo e l'anidride carbonica presenti nell'aria. Queste reazioni formano uno strato di ossido di ferro, decarburano la superficie e rendono il pezzo inutilizzabile per molte applicazioni. Lo scopo di un'atmosfera controllata è quello di sostituire l'aria e fornire una miscela chimica che non reagisca con l'acciaio.
Anche l'atmosfera gioca un ruolo attivo in alcuni processi. Un gas endotermico aggiunge carbonio alla superficie dell'acciaio (carburazione). Le atmosfere contenenti ammoniaca aggiungono azoto (nitrurazione). Le atmosfere contenenti idrogeno riducono l'ossido superficiale esistente (ricottura brillante). L'atmosfera corretta è quella che fornisce la chimica superficiale desiderata e previene le reazioni indesiderate.
Atmosfere a base di azoto
L'azoto è l'atmosfera protettiva più utilizzata nei forni a nastro. È economico, facilmente reperibile ed efficace per molti processi. L'azoto puro è adatto per: ricottura brillante del rame, distensione delle tensioni degli acciai basso legati e processi a bassa temperatura inferiori a 700 gradi Celsius.
L'azoto puro non è adatto per la tempra dell'acciaio al carbonio a temperature comprese tra 850 e 880 gradi Celsius. Il motivo: in questo intervallo di temperature, l'azoto non impedisce la decarburazione e il contenuto di carbonio sulla superficie dell'acciaio diminuisce. Lo strato decarburato risulta morbido e può causare cedimenti del componente durante l'esercizio.
Per la tempra dell'acciaio al carbonio, l'atmosfera standard è costituita da un gas endotermico, talvolta con una piccola aggiunta di gas naturale per arricchire il potenziale di carbonio. Il gas endotermico viene prodotto facendo reagire il gas naturale con l'aria in una storta riscaldata a una temperatura compresa tra 950 e 1000 gradi Celsius, con un catalizzatore di nichel. La reazione produce un gas con circa il 40% di idrogeno, il 20% di monossido di carbonio, il 40% di azoto e tracce di metano e vapore acqueo.
Gas endotermico (Endo Gas)
L'atmosfera gassosa endotermica è la tecnica di tempra più utilizzata per l'acciaio al carbonio in forni a nastro. Il potenziale di carbonio del gas viene controllato al valore target per il tipo di acciaio (tipicamente dallo 0,4 allo 0,8% di carbonio) e il gas aggiunge o rimuove carbonio dalla superficie dell'acciaio per mantenere tale valore.
Il potenziale di carbonio è controllato da un analizzatore del punto di rugiada o da un analizzatore di CO2 a infrarossi. Il regolatore modula il rapporto aria-gas nel generatore endotermico per mantenere il setpoint. Il generatore endotermico opera a temperature comprese tra 950 e 1000 gradi Celsius e consuma da 0,10 a 0,15 metri cubi di gas naturale per metro cubo di gas endotermico prodotto.
Lo svantaggio del gas endogeno risiede nella complessità del generatore. La storta, il catalizzatore, il sistema di miscelazione aria-gas e il circuito di controllo del potenziale di carbonio richiedono tutti manutenzione. I moderni generatori endogeni sono affidabili, ma l'operatore deve comunque monitorare costantemente il potenziale di carbonio e sostituire il catalizzatore ogni 2-3 anni.
Miscele di idrogeno e azoto per ricottura brillante
I componenti in acciaio inossidabile e acciaio per utensili che necessitano di una superficie brillante e priva di ossidi vengono ricotti in miscele di idrogeno e azoto, con un contenuto di idrogeno tipicamente compreso tra il 25 e il 75 percento. L'idrogeno agisce come agente riducente per riconvertire l'ossido superficiale in metallo, mentre l'azoto funge da gas vettore e diluente di sicurezza.
Per ottenere la finitura più brillante si utilizzano anche atmosfere di idrogeno puro, ma queste richiedono forni antideflagranti e sistemi di sicurezza complessi. Le miscele di idrogeno con una percentuale di idrogeno compresa tra il 25 e il 75% sono più sicure e offrono la maggior parte dei vantaggi in termini di brillantezza a costi di investimento inferiori.
La miscela di idrogeno e azoto viene fornita come gas premiscelato da un fornitore oppure come gas separati miscelati all'ingresso del forno. Il rapporto di miscelazione è controllato da regolatori di flusso di massa e il punto di rugiada della miscela viene monitorato continuamente. Un punto di rugiada elevato (superiore a -40 gradi Celsius) indica una perdita o una fornitura di gas contaminata e il forno deve essere spento fino alla risoluzione del problema.
Le atmosfere contenenti idrogeno sono esplosive a concentrazioni superiori al 4% nell'aria. Il forno a nastro reticolato deve essere progettato con sequenze di spurgo adeguate, test di tenuta e ventilazione di emergenza. MONTE INTELLIGENCE progetta forni a nastro reticolato per applicazioni con idrogeno dotati di sistemi di sicurezza ridondanti e di un ciclo di pre-spurgo che elimina l'aria dal forno prima di ogni ciclo di riscaldamento.
Atmosfere a base di ammoniaca per la nitrurazione
Per la nitrurazione di componenti speciali si utilizzano ammoniaca o miscele di ammoniaca e azoto. L'ammoniaca si decompone alla temperatura di nitrurazione (da 500 a 600 gradi Celsius) rilasciando azoto atomico, che si diffonde nella superficie dell'acciaio. Il risultato è uno strato superficiale duro e resistente all'usura, senza necessità di tempra.
Nei forni a nastro reticolato si utilizzano atmosfere di ammoniaca per la nitrurazione di grandi volumi di piccoli componenti. Il consumo di ammoniaca è tipicamente compreso tra 0,5 e 1,5 metri cubi all'ora in un forno di piccole dimensioni. I gas di scarico in uscita dal forno devono essere trattati per eliminare l'ammoniaca non reagita prima dello scarico.
Monitoraggio e controllo dell'atmosfera
L'atmosfera all'interno di un forno a nastro reticolare deve essere monitorata in modo continuo. I parametri chiave sono: sonda per l'ossigeno (per la misurazione del contenuto di ossigeno), analizzatore del punto di rugiada (per il vapore acqueo), analizzatore a infrarossi (per CO e CO2) e flussimetri (per le portate dei gas). I dati vengono registrati in continuo e utilizzati per il controllo di processo e la documentazione di qualità.
I moderni sistemi di controllo per forni a nastro reticolare integrano il monitoraggio dell'atmosfera con il controllo della temperatura. Se la composizione chimica dell'atmosfera si discosta dalle specifiche, il controllore può regolare il flusso di gas, modificare il setpoint del potenziale di carbonio o attivare un allarme. L'integrazione riduce il carico di lavoro dell'operatore e migliora la costanza del processo.
Criteri di selezione
Per gli acquirenti che specificano il sistema di atmosfera, le domande chiave sono: quale finitura superficiale è richiesta, qual è la qualità dell'acciaio, qual è la temperatura di processo e qual è la fornitura di gas disponibile. Il sistema di atmosfera viene quindi abbinato a questi parametri, specificando il tipo di gas, la portata, il sistema di controllo e i sistemi di sicurezza.
Contattate MONTE INTELLIGENCE per informazioni sui sistemi atmosferici.
Per gli acquirenti che valutano sistemi di atmosfera per forni a nastro reticolare, l'ingegneria di MONTE INTELLIGENCE può consigliare una configurazione che si adatti al processo e ai requisiti di finitura superficiale. Visitawww.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Per studi di caso. Per discutere di un progetto, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "atmosfera nastro a rete" e dettagli sulla ricetta del processo e sulla finitura superficiale.
