CONTROLLO DEL COEFFICIENTE DI TRASFERIMENTO DEL CARBONIO (BETA) E RIDUZIONE DEI COSTI DEI TRATTAMENTI TERMICI.

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1 CONTROLLO DEL COEFFICIENTE DI TRASFERIMENTO DEL CARBONIO (BETA) E RIDUZIONE DEI COSTI DEI TRATTAMENTI TERMICI. Karl-Michael Winter, Jens Baumann, Process Electronic GmbH, Heiningen (Germania) Sommario Alla prova dei fatti, i costi energetici e dei gas di processo sono in costante aumento. Unitamente ai costi di mano d'opera, essi rappresentano il principale elemento di competitività nei trattamenti termici. Questo articolo si prefigge l'obiettivo di dimostrare come con un appropriato sistema per il controllo della composizione del gas portante e del potenziale di carbonio si possano abbattere sia i tempi di processo che il consumo di gas e, di conseguenza, i costi dei trattamenti. Inoltre, modificando la composizione del gas portante durante il processo si modifica anche il coefficiente di trasferimento del carbonio, realizzando, così, una diversa velocità nel trasferire il carbonio all'interno del materiale e fuori dallo stesso. Ciò rende possibile il conseguimento delle caratteristiche superficiali dei pezzi sottoposti a cementazione o tempra in atmosfera neutrale in modo più semplice e veloce e minimizza gli effetti indesiderati quali l'ossidazione intergranulare. Introduzione Negli ultimi anni, l'ottimizzazione degli impianti di trattamento termico ha rappresentato un argomento importante. L'attenzione è stata posta, soprattutto, sull'abbattimento dei costi operativi riducendo l'incidenza della mano d'opera ed aumentando l'efficienza energetica. Tuttavia, pur assumendo che un determinato impianto sia già stato ottimizzato, restano ulteriori possibilità di ridurre i costi operativi. Per dimostrare quanto affermato, esaminiamo i costi operativi di un forno escludendo mano d'opera e costo iniziale dell'investimento Energia Innanzitutto, occorre dividere in due categorie l'energia utilizzata in un processo di cementazione: quella utilizzata per riscaldare la carica e la restante che può essere considerata come persa. Se osserviamo il regolatore di temperatura, possiamo notare che, una volta raggiunta la temperatura di processo, la potenza richiesta normalmente scende fino al 30%: questo 30% è necessario unicamente per compensare cali al bruciatore (nel caso di forni a combustione) cali dovuti alla fuoriuscita dei gas combusti e cali dovute a perdite dall'isolamento del forno. Osservando più da vicino il sistema, vediamo che vi sono delle perdite energetiche non direttamente connesse ai pezzi sottoposti a trattamento, quali il riscaldo delle attrezzature di caricamento, ed altre meno significative, quali i processi di trasformazione chimica ed il riscaldo del forno fino alla temperatura di lavoro che, nei forni continui, è richiesto una volta soltanto. Se si sommano tutti questi consumi, apparentemente inutili, si ottiene un rendimento medio del forno pari a circa il 20-30%. Ciò significa che oltre il 70% dell'energia impiegata viene dispersa, anche se occorre riconoscere che i forni più recenti potrebbero garantire rendimenti maggiori. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 1

2 Gas di processo Per quanto riguarda i gas di processo, siano essi utilizzati per le reazioni con l'acciaio o per altre ragioni, possiamo osservare che la quantità di gas che reagisce con i pezzi è trascurabile rispetto al flusso totale di gas immessi nel forno. Per cementare una data carica con una superficie di 1 m 2 ad una profondità di 1 mm e con un contenuto medio di carboni del 0,5% sono necessari solo pochi litri di gas portante. Lo strato superficiale di detta carica pesa circa 7,8 kg: pertanto, il peso del carbonio necessario sarà di circa 0,039 kg. Poiché il carbonio per la cementazione deriva dal CO contenuto nel gas di processo ed il monossido di carbonio ha (12+16) = 28 g/mol di carbonio, ne risultano 3,25 mol. Utilizzando un tipico Endogas con 20% di CO, 40% di H 2 e 40% di N 2 avremo bisogno di soli 16,25 mol = 364 l di Endogas. In realtà, il suddetto processo durerà parecchie ore e nel forno viene normalmente immessa una quantità di Endogas, per ogni ora, che è diverse volte il volume del forno stesso, per mantenere la pressione costante ed assicurare risultati uniformi. Ovviamente, ogni miglioramento in termini di perdite di pressione dovute a guarnizioni, porte e gas combusti porterà non soltanto a risparmiare gas di processo, ma anche energia, poiché anche i gas di processo immessi nel forno devono essere riscaldati. Ottimizzazione dei processi Oltre all'ottimizzazione delle funzionalità tecniche ci sono altre possibilità per ridurre i costi di funzionamento. Se noi consideriamo il rendimento dell'energia e dei gas di processo utilizzati in un dato forno, sia esso già ottimizzato o meno, per via dell'elevato costo dell'eventuale ammodernamento, ci sono ulteriori strade per ottimizzare i processi in termini di tempo e gas utilizzati. Tempi di processo Nel campo della cementazione gassosa i moderni programmatori sono in grado di determinare automaticamente il punto di passaggio dalla fase di boost a quella di diffusione. Ciò viene realizzato applicando un modello matematico per calcolare la diffusione del carbonio nell'acciaio. In questo modo è possibile ottenere il profilo ottimale di diffusione del carbonio nel minor tempo possibile. Ecco un esempio: osserviamo alcuni processi a 900 C che hanno l'obiettivo di raggiungere diverse profondità di cementazione con il 0,35% di carbonio. Tipo di acciaio; 16 MnCr 5; carbonio superficiale dopo diffusione: 0,8%; composizione del gas portante: 20% CO, 40% H 2, 40% N 2, fornito da un generatore di Endogas, oppure generato all'interno del forno con una miscela Azoto- Metanolo. Per semplificare il calcolo, assumiamo che i pezzi sottoposti a trattamento siano già alla temperatura di 900 C e che non sia necessario portarli ad una temperatura inferiore, prima della tempra. Il processo denominato A) si svolge in una fase soltanto controllando il potenziale di carbonio per raggiungere il contenuto di carbonio superficiale desiderato. B) è, invece, un processo in due fasi: la prima prevede un potenziale di carbonio leggermente inferiore al limite di formazione dei carburi; nella seconda, una volta raggiunto il punto esatto per il passaggio alla fase di diffusione, viene applicato il potenziale necessario a raggiungere lo 0,8% di carbonio alla fine del processo. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 2

3 Il processo C) utilizza la cosiddetta funzione di auto-boost e, al pari del processo B), passa automaticamente alla fase di diffusione: l'idea è quella di controllare continuamente il potenziale di carbonio così da garantire che non ci sia formazione di fuliggine né di carburi. Fintantoché il contenuto di carbonio sulla superficie dei pezzi è inferiore al limite di formazione dei carburi il sistema utilizzerà un potenziale di carbonio vicino al limite di formazione della fuliggine e, successivamente, riducendo il potenziale raggiungerà il set-point così come impostato nella fase di boost del processo B) (Figg. 1 e 2). Fig. 1: calcolo del contenuto di carbonio e profilo della durezza in un processo di cementazione con auto-boost e contenuto di CO e H2 variabili. Fig. 2: grafico di un processo di cementazione con autoboost con indicazione di temperatura (blu), carbonio superficiale (verde) e set-point del potenziale di carbonio (rosso). Nelle tabelle 1 e 2 sono indicati i tempi di processo ed i possibili risparmi, in percentuale sul tempo totale, rispetto agli altri due. Come era prevedibile, le varianti B) e C) risultano di gran lunga migliori del processo A). La funzione di auto-boost è in grado di ridurre ulteriormente ed in modo significativo i tempi di processo quando si ha come obiettivo una profondità ridotta. Il seguente esempio dimostrerà il potenziale del controllo della diffusione. Tempo di processo [ore:min] A) 1 fase CP = C_superf / fattore di lega B) 2 fasi CP1 = limite carburi CP2 = C_superf / fattore a C) 2 fasi Auto-boost Controllo C_superf 1 mm 10:35 8:23 6:54 2 mm 41:28 29:49 26:32 5 mm 257:59 171:44 164:05 Tabella 1: tempi di processo per diverse varianti di cementazione a 900 C, acciaio 16 MnCr 5, C superficiale = 0,8%. A) 1 fase CP = C_superf / fattore di lega Risparmio sul tempo di processo B) 2 fasi CP1 = limite carburi CP2 = C_superf / fattore a 1 mm - 21 % 2 mm - 28 % 5 mm - 33 % C) 2 fasi Auto-boost Controllo C_superf Rispetto ad A) 35 % Rispetto a B) 18 % Rispetto ad A) 36 % Rispetto a B) 11 % Rispetto ad A) 36 % Rispetto a B) 4 % Tabella 2: risparmio sui tempi di processo per diverse varianti di cementazione a 900 C, acciaio 16 MnCr 5, C superficiale = 0,8%. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 3

4 Composizione dei gas di processo Il passaggio del carbonio dall'atmosfera del forno all'acciaio dipende, oltre che dalla temperatura, dalla percentuale di CO e di H 2 nel gas portante. Teoricamente sarebbe possibile arrivare fino al 50% di CO e 50% di H 2 : tuttavia, la tipica composizione di questo gas, ottenuto dalla dissociazione del Metanolo, arriva fino ad un massimo di 33,3% di CO e 66,7% di H 2. Partendo dai tre processi appena descritti, prenderemo in esame il processo con auto-boost, già ottimizzato, e proveremo a modificare la composizione del gas portante. Quindi, eseguiremo i calcoli con Endogas (20% CO, 40% H 2, 40% N 2 ), con Metanolo (33% CO, 67% H 2 ) e con un gas artificiale (50% CO, 50% H 2 ). I risultati, riportati nelle tabelle 3 e 4 evidenziano che non ci sono risparmi significativi sui tempi di processo per le profondità di cementazione indicate Tempi di processo con controllo auto-boost [ore:min] I. 20%CO, 40%H 2 II. 33%CO, 66%H 2 III. 50%CO, 50%H 2 1 mm 6:54 6:40 6:34 2 mm 26:32 26:20 26:16 5 mm 164:05 163:54 163:50 Tabella 3: tempi di processo con differenti varianti di gas portante a 900 C, acciaio 16 MnCr 5, C superficiale = 0,8%. Risparmi sul tempo di processo I. 20%CO, 40%H 2 Riferimento II. 33%CO, 66%H 2 Rispetto a I) III. 50%CO, 50%H 2 Rispetto a I) 1 mm - 3 % 4 % 2 mm - 1 % 1.2 % 5 mm % 0.1 % Tabella 4: risparmio sui tempi di processo con differenti varianti di gas portante a 900 C, acciaio 16 MnCr 5, C superficiale = 0,8%. E' possibile notare immediatamente che, all'aumentare della profondità di cementazione, il risparmio in termini di tempo diminuisce. Ciò è dovuto dal fatto che, allorquando la superficie è satura di carbonio, il coefficiente di trasferimento è controllato dalla velocità di diffusione. Per meglio osservare questo effetto, faremo un altro test, questa volta, ponendoci come obiettivo profondità di cementazione inferiori. Come riportato nella tabella 5, con il diminuire della profondità di cementazione aumenta l'influenza della composizione dei gas. Inoltre, possiamo osservare che per profondità minime, il tempo non è più sufficiente per raggiungere il contenuto superficiale di carbonio desiderato. Tempi di processo con controllo auto-boost [ore:min / C_superf] I. 20%CO, 40%H 2 II. 33%CO, 66%H 2 III. 50%CO, 50%H 2 0,5 mm 2:00 / 0,80 %C 1:46 / 0,80 %RC 1:45 / 0,80 %RC 0,2 mm 0:31 / 0,77 %C 0:22 / 0,80 %RC 0:22 / 0,80 %RC 0,1 mm 0:17 / 0,63 %C 0:15 / 0,73 %RC 0:14 / 0,74 %RC Tabella 5: tempi di processo con differenti varianti di gas portante a 900 C, acciaio 16 MnCr 5, C superficiale = 0,8%. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) Ora, proveremo a combinare le esperienze appena fatte. Sappiamo che il nostro obiettivo è quello di raggiungere il maggior contenuto di carbonio possibile nella superficie dell'acciaio (appena al di sotto del limite di formazione dei carburi), all'inizio del processo e nel più breve tempo possibile. Questa fase del processo dipende direttamente dalla quantità di carbonio disponibile nel gas portante. Pertanto, utilizzeremo tutta la miscela disponibile nell'impianto. Nel momento in cui la superficie dell'acciaio sarà satura, ridurremo automaticamente il coefficiente di trasferimento del Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 4

5 carbonio (Beta) per fornire solo il quantitativo di carbonio necessario per compensare la diffusione all'interno dei pezzi. Quindi, modifichiamo il processo, che era già stato precedentemente ottimizzato, in modo tale da diluire l'atmosfera nel momento in cui raggiungiamo il limite di formazione dei carburi. La tabella 6 mostra che il passaggio ad un gas portante diluito al 50%, dopo aver raggiunto una profondità di cementazione di 0,3 mm, non influenza la durata della fase di boost. prof@0.35%c Tempi di processo con controllo Beta 0,3 mm Fase di boost [ore:min] Gas portante I. 33%CO, 66%H 2 II. 33%CO, 66%H 2 I. 33%CO, 66%H 2 II. 17%CO, 33%H 2 1 mm 5:25 5:27 2 mm 21:20 21:20 Tabella 6: tempi di processo nella fase di boost con e senza controllo Beta a 900 C, acciaio 16 MnCr 5. Cosa avviene, invece, nella fase di diffusione? Qui ci possiamo aspettare un tempo leggermente più lungo, poiché il carbonio in eccesso deve uscire dall'acciaio per poter raggiungere il contenuto di carbonio in superficie nel più breve tempo possibile. La tabella 7 mostra l'intero processo con le fasi di boost e diffusione. Come previsto, i tempi di processo hanno subito un incremento trascurabile, nonostante un quantitativo ridotto di CO. prof@0.35%c Tempi di processo con controllo Beta 0,3 mm Fase di boost + diffusione [ore:min] Gas portante I. 33%CO, 66%H 2 I. 33%CO, 66%H 2 II. 33%CO, 66%H 2 II. 17%CO, 33%H 2 1 mm 6:40 6:43 2 mm 26:20 26:27 Tabella 7: tempi di processo nella fase di boost e di diffusione con e senza controllo Beta a 900 C, acciaio 16 MnCr 5 Possibili risparmi utilizzando il coefficiente di trasferimento del carbonio I possibili risparmi utilizzando il controllo Beta con diluizione a base di Azoto rispetto all utilizzo di Metanolo puro sono riportati nella Tabella 8. Profondità di Risparmio di Metanolo Risparmio economico cementazione richiesta 0,5 mm 27 % 19 % 1,0 mm 46 % 31 % 1,5 mm 55 % 38 % 2,0 mm 59 % 40 % 2,5 mm 60 % 41 % Tabella 8: riduzione del consumo di Metanolo nel caso di controllo Beta con diluizione a base di Azoto in confronto all impiego di Metanolo puro, con un rapporto 2/1 tra il prezzo del Metanolo e quello dell Azoto. Il confronto con una miscela Azoto-Metanolo con CO (20%) e H 2 (40%) è riportato nella Tabella 9. Profondità di Risparmio di Metanolo Risparmio economico cementazione richiesta 0,5 mm 19 % 12 % 1,0 mm 29 % 16 % 1,5 mm 34 % 19 % 2,0 mm 36 % 20 % 2,5 mm 37 % 21 % Tabella 9: riduzione del consumo di Metanolo nel caso di controllo Beta con diluizione a base di Azoto in confronto all impiego di Azoto-Metanolo 20/40, con un rapporto 2/1 tra il prezzo del Metanolo e quello dell Azoto. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 5

6 Il confronto tra i costi sostenuti utilizzando il controllo Beta con diluizione a base di Azoto e quelli con Endogas con CO (20%) e H 2 (40%) sono riportati nella Tabella 10. Si può notare come ci sia sì un risparmio nel consumo di Endogas, ma, poiché l Azoto è più costoso dell Endogas, i costi sono più elevati. Pertanto, non vi sarà convenienza ad utilizzare questo tipo di processo, fino a quando i costi di Azoto e gas naturale non cambieranno. Profondità di Risparmio di Endogas Costi cementazione richiesta 0,5 mm 19 % +12 % 1,0 mm 29 % +16 % 1,5 mm 34 % +19 % 2,0 mm 36 % +20 % 2,5 mm 37 % +21 % Tabella 10: riduzione del consumo di Endogas nel caso di controllo Beta con diluizione a base di Azoto in confronto all impiego di Endogas 20/40, con un rapporto 1/2 tra il prezzo dell Endogas e quello dell Azoto. Ulteriori vantaggi offerti dal controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio La diminuzione del gas portante porta anche alla diminuzione dei gas combusti. Inoltre, una diluizione che riduce il contenuto di CO porta anche ad un miglioramento dell impatto ambientale. Ancora, il gas che non viene immesso nel forno non deve essere riscaldato e ciò migliora il rendimento energetico. Ma questo rappresenta solo una minima parte del consumo totale di energia. L utilizzo di una miscela di gas ottimizzata per il processo e per il tipo di impianto impiegato riduce anche la possibilità di incorrere in effetti indesiderati quali l ossidazione superficiale intergranulare. Quando si utilizza il Metanolo come gas portante, alle temperature inferiori esso non si dissocerà solamente in CO e H 2, ma produrrà anche ossigeno ed altri gas. L ossigeno e gli altri gas che lo trasportano reagiranno con la superficie dei pezzi trasformandosi in ossidi. Se un forno viene impiegato sia per cementazione che per tempra in atmosfera neutrale il controllo tradizionale del potenziale di carbonio non può garantire che si raggiunga la cementazione o, rispettivamente, la decarburazione della superficie dei pezzi. Una riduzione controllata del coefficiente di trasferimento del carbonio riduce drasticamente la velocità con la quale il carbonio si diffonde all interno dell acciaio o ne fuoriesce. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 6

7 Applicando questo metodo è possibile temprare senza problemi anche pezzi che sono stati lavorati meccanicamente dopo cementazione e che, pertanto, hanno un contenuto di carbonio in superficie tra 0,8% e 0,2% (Figg. 3 e 4). Fig. 4: schermata del sistema di controllo di un forno a campana con controllo Beta. Le percentuali di CO e H2 possono essere sia misurate che calcolate. Fig. 3: quadro gas con rampe multiple per (in alto) per Azoto, Metanolo, Propano ed aria, per consentire il controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio agendo sulla miscela dei gas. Conclusioni Un controllo preciso della composizione e del flusso totale del gas portante in combinazione con il controllo della diffusione fornisce un ampia gamma di vantaggi. Soprattutto nel caso di forni utilizzati per il trattamento di pezzi di grandi dimensioni o con grandi superfici è possibile ridurre drasticamente i costi per il gas portante e, allo stesso tempo, garantire una miglior riproducibilità e sicurezza del processo. Poiché il controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio riduce il quantitativo di gas cementante nel gas portante, anche CO, CO 2 e CH 4 scaricati nell ambiente saranno ridotti. La modifica automatica dell atmosfera del forno in base al processo, sia esso di cementazione o di tempra, per mezzo di un opportuna ricetta impostata nel programmatore, consente il trattamento di particolari difficili aventi differenti contenuti di carbonio in superficie. Tali misure aumentano l efficacia, la riproducibilità e la sicurezza del processo. Controllo del coefficiente di trasferimento del carbonio (Beta) e riduzione dei costi dei trattamenti termici Pag. 7