Modul în care un cuptor pe gaz transferă căldura de la flacără la volumul de lucru determină calitatea produsului, eficiența energetică și gama de procese pe care le poate efectua cuptorul. Cele trei abordări fundamentale - ardere directă, ardere indirectă cu mufă și tub radiant - își au fiecare locul lor, iar alegerea celei greșite pentru aplicație duce la probleme de calitate, costuri energetice excesive sau ambele.
MONTE INTELLIGENCE furnizează cuptoare pe gaz în toate cele trei configurații. Acest articol compară modelele în funcție de criteriile importante pentru operațiunile de tratament termic.
Cuptoarele cu ardere directă ard gaze naturale (sau alte gaze combustibile) direct în camera cuptorului, iar produsele de ardere - flacăra și gazele de ardere fierbinți - intră în contact direct cu sarcina de lucru. Arzătoarele aprind în cameră, gazele fierbinți circulă în jurul sarcinii de lucru (acționate de ventilatoare de convecție naturală sau recirculare), iar gazele de evacuare ies printr-un coș de fum. Aceasta este cea mai simplă și mai eficientă configurație din punct de vedere energetic, deoarece nu există nicio barieră între sursa de căldură și sarcina de lucru - toată energia de ardere este disponibilă pentru încălzirea lucrării, cu excepția căldurii sensibile transportate în gazele de ardere.
Limitarea încălzirii cu foc direct este că volumul de lucru este expus atmosferei de ardere. Produșii de ardere conțin dioxid de carbon (CO2) și vapori de apă (H2O) - ambele fiind oxidante în oțel la temperaturile de tratament termic. Oțelul încălzit într-un cuptor cu foc direct va dezvolta o crustă de oxid (crustă de laminare) la suprafață. Pentru multe aplicații - preîncălzirea forjării, normalizarea, detensionarea, recoacerea înainte de prelucrare - acest lucru este acceptabil deoarece crusta va fi îndepărtată în prelucrarea ulterioară sau nu este dăunătoare produsului.
Încălzirea directă nu este acceptabilă atunci când calitatea suprafeței este critică. Carburarea, carbonitrurarea, călirea lucioasă și orice proces care necesită un potențial specific de carbon nu pot tolera atmosfera necontrolată a produselor de ardere. Pentru aceste aplicații, produsele de ardere trebuie separate de volumul de lucru, ceea ce duce la configurații cu ardere indirectă.
Cuptoarele cu ardere indirectă utilizează o mufă - un aliaj rezistent la căldură sau o înveliș ceramic care separă camera de ardere de camera de lucru. Arzătoarele aprind în afara mufei, încălzind peretele mufei, care la rândul său radiază căldură către sarcina de lucru din interior. O atmosferă controlată - gaz endoterm, azot-hidrogen etc. - este menținută în interiorul mufei pentru a proteja sarcina de lucru. Produșii de ardere nu intră niciodată în contact cu piesa de lucru.
Mufla este componenta definitorie a acestui tip de cuptor. Pentru temperaturi de până la aproximativ 950°C, mufla poate fi fabricată dintr-un aliaj rezistent la căldură — de obicei RA330, Incoloy 800HT sau un aliaj turnat cu conținut ridicat de nichel — cu o durată de viață proiectată de 3-5 ani. Pentru temperaturi mai mari, de până la 1150°C, se utilizează mufle din carbură de siliciu, dar acestea sunt fragile și mai scumpe. Mufla reprezintă un cost de capital semnificativ — de obicei 15-25% din costul total al cuptorului — iar înlocuirea sa finală este o cheltuială majoră de întreținere.
Penalizarea energetică a muflei este scăderea de temperatură pe peretele muflei. Pentru a încălzi camera de lucru la 850°C, temperatura camerei de ardere trebuie să fie mai mare - de obicei 950-1050°C - pentru a asigura forța motrice pentru transferul de căldură prin mufă. Temperatura mai mare a camerei de ardere înseamnă o temperatură mai mare a gazelor de ardere și o pierdere de căldură mai mare, reducând eficiența termică a cuptorului cu 10-20% în comparație cu un cuptor echivalent cu ardere directă.
Încălzirea cu tuburi radiante este o variantă a conceptului de încălzire indirectă, care a devenit standard pentru cuptoarele continue, inclusiv cuptoarele cu bandă de plasă. În loc de o singură mufă mare, cuptorul folosește mai multe tuburi radiante - tuburi din aliaj etanșe care trec prin camera cuptorului. Arzătorul arde în interiorul tubului, produsele de ardere călătoresc prin tub (adesea cu o recirculare internă pentru a îmbunătăți uniformitatea transferului de căldură) și evacuează la capătul opus. Suprafața exterioară a tubului radiază căldură către sarcina de lucru.
Tuburile radiante oferă mai multe avantaje față de o singură mufă. Tuburile pot fi aranjate pentru a asigura o încălzire mai uniformă - de obicei în rânduri deasupra și dedesubtul volumului de lucru - decât o mufă, care încălzește în principal din lateral și de sus. Tuburile individuale pot fi îndepărtate și înlocuite fără a deschide camera cuptorului, reducând timpul de nefuncționare pentru întreținere. Diametrul tubului este suficient de mic (de obicei 100-200 mm) încât grosimea peretelui poate fi moderată (5-8 mm), asigurând în același timp o rezistență mecanică și o rezistență la coroziune adecvate.
Cel mai comun design de tub radiant este tubul în U: arzătorul arde într-un picior al tubului în formă de U, gazele de ardere se deplasează către capătul închis și se întorc prin celălalt picior la evacuare. Acest design oferă un transfer bun de căldură deoarece flacăra la temperatură înaltă se află într-un picior, iar gazele de evacuare mai reci în celălalt, producând o temperatură a suprafeței tubului mai uniformă decât un design direct. Tuburile în W și tuburile recuperative cu un singur capăt (tuburi SER) sunt utilizate pentru aplicații care necesită o eliberare mai mare de căldură per tub.
Alegerea materialului tubului depinde de temperatura cuptorului. Pentru temperaturi de până la 950°C, tuburile turnate din aliaj HK-40 (25% Cr, 20% Ni) sau HP (25% Cr, 35% Ni) oferă o durată de viață adecvată. Pentru temperaturi mai ridicate sau pentru atmosfere care conțin gaze de cémentare ce pot provoca formarea de praf metalic, sunt necesare aliaje de nichel superioare sau tuburi ceramice (carbură de siliciu). Durata de viață a tubului în regim tipic de tratament termic variază de la 2 la 5 ani, cu moduri de defectare care includ ruperea prin fluaj (din cauza expunerii pe termen lung la temperaturi ridicate sub propria greutate a tubului), oxidarea (subțierea peretelui tubului din partea de ardere) și carburarea (absorbția de carbon care fragilizează tubul).
MONTE INTELLIGENCE recomandă configurația de încălzire în funcție de temperatura procesului, cerințele atmosferice, volumul producției și bugetul de capital. Pentru aplicațiile de preîncălzire și normalizare a forjării, arderea directă oferă cel mai bun raport cost-performanță. Pentru tratamentul termic cu atmosferă controlată, designul tuburilor radiante sau al muflelor este specificat în funcție de geometria cuptorului și de temperatura de funcționare.
Pentru recomandări de configurare a cuptorului pe gaz specifice procesului dumneavoastră, contactați helenxu@cnlymonte.com.
