Blog circa Nuovi forni a trattamento termico aumentano l'efficienza e la sostenibilità industriale

Immaginate giganti d'acciaio rinati nelle fiamme, parti metalliche trasformate sotto calore estremo: questa metamorfosi è resa possibile dai forni per trattamenti termici industriali. Tuttavia, i forni tradizionali affrontano sfide nella scelta del combustibile, nell'efficienza energetica e nel controllo del processo. Con l'avanzare della tecnologia e la crescente consapevolezza ambientale, sta emergendo una nuova generazione di forni per trattamenti termici, che offre maggiore efficienza e sostenibilità.

Nel vasto panorama della produzione industriale, i forni per trattamenti termici svolgono un ruolo fondamentale. Si presentano in diverse forme, come riscaldatori distribuiti nelle raffinerie, forni a spinta e a trave mobile per il riscaldo, e forni di fusione nell'industria metallurgica o forni a tunnel per la cottura di ceramiche. A differenza delle attrezzature industriali con requisiti di combustibile rigorosi, questi forni "universali" si adattano a più tipi di combustibile e possono persino funzionare con sistemi di combustibile paralleli (ad esempio, bruciatori multifuel).

Sebbene il cambio di combustibile richieda tipicamente modifiche ai bruciatori e all'infrastruttura correlata (ad esempio, sistemi di stoccaggio e distribuzione), questa flessibilità conferisce alle aziende una maggiore libertà operativa. Le caldaie a vapore forniscono tipicamente calore da basso a medio (fino a 500°C), mentre i forni per trattamenti termici generano temperature superiori a 1000°C, con l'intervallo 500°C–1000°C il più comune. Queste tecnologie sono spesso definite "orizzontali" a causa della loro applicabilità intersettoriale.

Tra i metodi di trattamento termico, i bruciatori radianti si distinguono per la loro precisione. Combustendo il combustibile all'interno di tubi e irradiando calore in camere contenenti le parti, consentono un controllo preciso della temperatura. Fondamentalmente, i bruciatori radianti consentono atmosfere gassose non combustibili, ampliando le possibilità di ottimizzazione delle parti metalliche. Il Gas Technology Institute (Chicago, IL), in collaborazione con Timken (Bucyrus, OH) e Progressive Heat Treating (Cleveland, OH), ha testato bruciatori radianti a forma di U combinando tubi dritti in SiC monolitico di INEX e tubi curvi in SiC/SiC di 3M.

I risultati hanno mostrato che questi tubi ceramici ibridi hanno superato i tubi in lega metallica con tempi ciclo più rapidi e un output termico superiore di circa il 50%, aumentando la produttività del 14% in un forno. Il loro peso ridotto ha semplificato l'installazione e la loro durata (36-48 mesi) ha raddoppiato quella dei tubi metallici (18-24 mesi).

Il PWHT è fondamentale per l'affidabilità dei recipienti a pressione. Saltarlo o eseguirlo in modo improprio rischia un guasto catastrofico. Durante il PWHT, devono essere monitorati sufficienti termocoppie sui recipienti per garantire il raggiungimento delle temperature minime, con variazioni non superiori a 28°C (50°F). Le velocità di riscaldamento/raffreddamento devono rimanere al di sotto degli 83°C (150°F) per prevenire danni da stress termico.

Per recipienti sovradimensionati, è consentito il PWHT localizzato sulle singole saldature, a condizione che i gradienti termici evitino danni indotti da stress. La saldatura post-PWHT su componenti portanti pressione è vietata; se vengono saldati inavvertitamente attacchi esterni, è obbligatorio un secondo PWHT. Gli ispettori devono verificare la conformità per prevenire saldature post-trattamento.

Il recupero del calore di scarto sfrutta l'energia termica in eccesso dalla generazione di energia o dai processi industriali. I sistemi tradizionali perdono il 24%-45% dell'energia durante la produzione, il 3% nella distribuzione, il 10%-50% nella conversione e il 30%-35% nei sistemi a vapore. Le principali fonti di calore di scarto industriale includono gas di scarico, fumi e aria calda dai sistemi di riscaldamento, che vanno dalle emissioni dei bruciatori ad alta temperatura alle uscite a temperatura più bassa da forni, essiccatori o scambiatori di calore. La cattura di questa energia migliora l'efficienza complessiva del sistema.

La finitura pulisce le superfici dell'acciaio laminato a caldo prima della laminazione a freddo o del rivestimento. Metodi come la pulizia con solventi, acqua pressurizzata, abrasivi, agenti alcalini o decapaggio rimuovono ruggine, ossidi, oli e contaminanti. Il decapaggio utilizza vapore generato da combustibile per riscaldare i bagni e pre-alimentare la lamiera d'acciaio, mentre l'elettricità alimenta le attrezzature ausiliarie (ad esempio, ventilatori di scarico, unità di recupero acido).

Dopo il decapaggio, l'acciaio viene sottoposto a laminazione a freddo per ottenere profili più sottili e lisci per carrozzerie automobilistiche, lattine o tubi. Le richieste energetiche includono combustibile per il riscaldo/trattamento termico delle bramme ed elettricità per i laminatoi/letti di raffreddamento. I moderni forni di riscaldo per laminazione a caldo consumano circa 1.400 MJ/ton (avviamento a freddo), rispetto alle unità più vecchie a circa 1.800 MJ/ton, con sistemi all'avanguardia che raggiungono circa 1.000 MJ/ton.

Il processo TRD (Thermo-Reactive Deposition) produce rivestimenti densi di carburi/nitruri tramite trattamento termico. Sfruttando le attrezzature di forni convenzionali, crea rivestimenti più spessi e aderenti rispetto ai metodi PVD, composti da particelle fini compattate.

Le leghe fuse a cera persa richiedono spesso un trattamento termico per alleviare lo stress, migliorare l'omogeneità chimica o alterare la microstruttura. I profili tempo-temperatura variano in base alla lega e alle dimensioni del pezzo. Le parti fuse a stampo sono tipicamente escluse a causa dei rischi di porosità (i gas intrappolati possono espandersi, causando crepe). I principi di trasferimento del calore guidano le durate di riscaldamento, mentre i diagrammi di fase e la cinetica delle trasformazioni allo stato solido informano la progettazione del processo. Esempi includono acciai a medio tenore di carbonio, ghisa duttile e leghe di alluminio.

Per l'indurimento a induzione per formare superfici martensitiche, l'austenitizzazione deve precedere la tempra. I brevi cicli di riscaldamento implicano che l'austenitizzazione dipenda fortemente dalla microstruttura di partenza, nucleando ai bordi dei grani di ferrite, ai carburi sferoidizzati o alle colonie di perlite. La rapida crescita avviene nella perlite a causa degli strati di cementite ricchi di carbonio e dei brevi percorsi di diffusione nella ferrite.

Una scoperta del 1964, il processo di Tempra Intensiva (IQ), raffredda le parti in acciaio a velocità multiple volte superiori rispetto ai metodi convenzionali. Questo genera utili stress compressivi superficiali, riducendo la distorsione e i rischi di cricche, a differenza della tempra tradizionale, che spesso lascia stress superficiali di trazione o neutri.