Atmosfera din interiorul unui cuptor cu bandă de plasă nu este doar aer cald - este un mediu chimic controlat cu precizie, care determină dacă piesele ies strălucitoare și curate sau oxidate și decarburate. Controlul atmosferei diferențiază un aparat de tratare termică de calitate de unul mediocru.
Cuptoarele cu bandă de plasă MONTE INTELLIGENCE funcționează cu diverse sisteme de atmosferă controlată, în funcție de cerințele procesului. Acest articol prezintă cele mai comune trei tipuri de atmosferă controlată, echipamentele lor de generare și parametrii de control care determină calitatea atmosferei.
Gazul endotermic — "endo gas" în atelierele de tratare termică — este atmosfera esențială pentru călirea neutră, carburarea și carbonitrurarea pieselor din oțel. Acesta este produs prin reacția gazului natural (sau propanului) cu aerul într-un generator extern la aproximativ 1050°C, peste un catalizator de nichel. Reacția este de aproximativ CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, producând un gaz care conține aproximativ 20% CO, 40% H2 și 40% N2 în volum.
Potențialul de carbon al gazului endo — capacitatea sa de a adăuga sau elimina carbon de pe suprafața oțelului — depinde de raportul CO/CO2 și de temperatura cuptorului. La 850°C, un gaz endo cu un punct de rouă de +5°C are un potențial de carbon de aproximativ 0,35%°C. Reducerea punctului de rouă la -5°C crește potențialul de carbon la aproximativ 0,60%°C. Relația este guvernată de reacția de schimbare apă-gaz: CO + H2O ↔ CO2 + H2, ceea ce înseamnă că controlul conținutului de vapori de apă (punctul de rouă) controlează potențialul de carbon.
Generatorul endotermic în sine este o piesă esențială a echipamentului. Acesta constă dintr-o retortă încălzită, umplută cu catalizator de nichel, prin care trece amestecul aer-gaz. Reacția este endotermă - absoarbe căldură - de unde și numele. Retorta funcționează la 1000-1100°C și trebuie construită dintr-un aliaj pentru temperaturi înalte, de obicei RA330 sau Incoloy 800HT, cu o durată de viață proiectată de 3-5 ani de funcționare continuă. Defectarea retortei este o cauză frecventă a perioadelor de nefuncționare neplanificate ale cuptorului, iar fiecare instalație de tratare termică cu gaz endo ar trebui să păstreze o retortă de rezervă.
Catalizatorul din generator se degradează în timp din cauza depunerii de carbon (cocsificare) și a otrăvirii cu sulf din gazul natural. Sulful este problema mai mare: catalizatorul de nichel este otrăvit permanent cu sulf la concentrații de doar câteva părți per milion. Specificațiile pentru gazul natural permit de obicei până la 30 ppm de sulf, ceea ce este mult peste toleranța catalizatorului. Un pat de îndepărtare a sulfului - carbon activ sau oxid de zinc - în amonte de generator este esențial, iar patul trebuie schimbat la fiecare 6-12 luni, în funcție de conținutul de sulf din gaz.
Atmosfera de azot-metanol este alternativa la gazul endo pentru instalațiile care nu doresc să opereze un generator endo. Atmosfera este creată prin injectarea de metanol lichid (CH3OH) și azot gazos direct în cuptor. La temperatura cuptorului, metanolul se disociază: CH3OH → CO + 2H2, producând același raport CO:H2 de 1:2 ca și gazul endo. Azotul diluează amestecul pentru a atinge potențialul de carbon dorit.
Avantajul azot-metanol este simplitatea - fără generator, fără catalizator, fără retortă. Sistemul constă dintr-un rezervor de stocare a metanolului lichid, o sursă de azot (rezervor de azot lichid sau generator de azot cu membrană), panouri de control al debitului și duze de injecție în cuptor. Pornirea durează câteva minute în loc de orele necesare pentru încălzirea unui generator endo.
Dezavantajul este costul. Metanolul lichid este mai scump per unitatea de atmosferă produsă decât gazul natural. La prețuri tipice pentru metanol, de 0,40-0,60 USD pe litru, costul atmosferei pentru un cuptor cu bandă de plasă care consumă 40 de litri de metanol pe oră este de 16-24 USD pe oră, sau aproximativ 380-580 USD pe zi de funcționare continuă. Un generator endo care utilizează gaz natural produce același volum de atmosferă pentru aproximativ 30-40% mai puțin. Alegerea dintre cele două se reduce la costul de capital versus costul de operare și la capacitatea de întreținere a instalației pentru a opera un generator endo în mod fiabil.
Amoniacul disociat este utilizat pentru recoacerea lucioasă a oțelului inoxidabil, cuprului și alamei — procese în care atmosfera trebuie să fie reducătoare, dar necarburatoare. Amoniacul anhidru (NH3) este disociat într-o unitate externă: 2 NH3 → N2 + 3 H2, producând un gaz care conține 75% hidrogen și 25% azot în volum. Această atmosferă este puternic reducătoare — conținutul ridicat de hidrogen reduce orice oxizi metalici de pe suprafața piesei — și nu conține carbon, deci nu există riscul de carburare sau decarburare.
Disociatorul funcționează la aproximativ 950°C cu un catalizator fier-nichel într-o retortă similară cu un generator endo, dar mai mică deoarece reacția de disociere a amoniacului este mai simplă și mai rapidă. Alimentarea cu amoniac necesită o manipulare atentă: amoniacul anhidru este o substanță chimică periculoasă care necesită depozitare dedicată, detectare a scurgerilor și proceduri de intervenție în caz de urgență. Gazul disociat este inflamabil din cauza conținutului ridicat de hidrogen și trebuie manipulat cu practici adecvate de siguranță a gazelor.
Instrumentația de control al atmosferei a evoluat de la măsurarea manuală a punctului de rouă la controlul automat al potențialului de carbon. Abordarea modernă utilizează o sondă de oxigen (senzor de zirconiu) introdusă direct în zona fierbinte a cuptorului. Sonda măsoară presiunea parțială a oxigenului din atmosfera cuptorului, din care se calculează potențialul de carbon pe baza conținutului de CO2 și a temperaturii cuptorului. Semnalul sondei controlează adăugarea de gaz de îmbogățire (gaz natural sau propan) pentru a menține valoarea de referință a potențialului de carbon.
Sondele de oxigen necesită întreținere periodică. Vârful sondei trebuie curățat de funingine și depuneri de carbon, de obicei la fiecare 1-3 luni, în funcție de potențialul de carbon menținut. Sonda trebuie calibrată în funcție de o referință - fie o analiză a carbonului din stoc, fie un aparat portabil de măsurare a punctului de rouă - cel puțin trimestrial. O sondă care abate cu 0,05% în citirea potențialului de carbon poate produce piese care sunt la 1-2 puncte HRC în afara durității țintă, ceea ce poate face diferența dintre un lot care trece testul și unul care nu reușește.
MONTE INTELLIGENCE furnizează cuptoare cu bandă de plasă cu sisteme integrate de atmosferă, inclusiv generatoare endo, panouri azot-metanol și disociatoare de amoniac. De asemenea, oferim instrumente de control al atmosferei și asistență pentru punerea în funcțiune.
Pentru specificațiile sistemului de atmosferă pentru procesul dumneavoastră de tratament termic, contactați helenxu@cnlymonte.com.
