Blogue sobre Novos fornos de tratamento térmico aumentam a eficiência industrial

Imagine gigantes de aço renascendo em chamas, peças metálicas transformadas sob calor extremo – essa metamorfose é possibilitada por fornos industriais de tratamento térmico. No entanto, fornos tradicionais enfrentam desafios na seleção de combustível, eficiência energética e controle de processo. Com o avanço da tecnologia e a crescente consciência ambiental, uma nova geração de fornos de tratamento térmico está emergindo, oferecendo maior eficiência e sustentabilidade.

Na vasta paisagem da produção industrial, os fornos de tratamento térmico desempenham um papel fundamental. Eles vêm em diversas formas, como aquecedores distribuídos em refinarias, fornos de empurrador e de viga móvel para reaquecimento, e fornos de fusão na indústria metalúrgica ou fornos túnel para queima de cerâmica. Ao contrário de equipamentos industriais com requisitos rigorosos de combustível, esses fornos "universais" se adaptam a múltiplos tipos de combustível e podem até operar com sistemas de combustível paralelos (por exemplo, queimadores multi-combustível).

Embora a troca de combustível geralmente exija modificações nos queimadores e na infraestrutura relacionada (por exemplo, sistemas de armazenamento e distribuição), essa flexibilidade confere às empresas maior liberdade operacional. Caldeiras a vapor geralmente fornecem calor baixo a médio (até 500°C), enquanto fornos de tratamento térmico geram temperaturas acima de 1000°C, com a faixa de 500°C a 1000°C sendo a mais comum. Essas tecnologias são frequentemente denominadas "horizontais" devido à sua aplicabilidade intersetorial.

Entre os métodos de tratamento térmico, os queimadores radiantes se destacam pela sua precisão. Ao queimar combustível dentro de tubos e irradiar calor para câmaras contendo as peças, eles permitem um controle exato da temperatura. Crucialmente, os queimadores radiantes permitem atmosferas de gás não combustíveis, expandindo as possibilidades para a otimização de peças metálicas. O Gas Technology Institute (Chicago, IL), em colaboração com a Timken (Bucyrus, OH) e a Progressive Heat Treating (Cleveland, OH), testou queimadores radiantes em forma de U combinando tubos retos de SiC monolítico da INEX e tubos curvos de SiC/SiC da 3M com CVI.

Os resultados mostraram que esses tubos cerâmicos híbridos superaram os tubos de liga metálica com tempos de ciclo mais rápidos e saída térmica ~50% maior, aumentando a produtividade em 14% em um forno. Seu peso mais leve simplificou a instalação, e sua vida útil (36-48 meses) dobrou a dos tubos metálicos (18-24 meses).

O PWHT é fundamental para a confiabilidade de vasos de pressão. O não cumprimento ou a execução inadequada arriscam falhas catastróficas. Durante o PWHT, termopares suficientes devem monitorar os vasos para garantir que as temperaturas mínimas sejam atingidas, com variações não excedendo 28°C (50°F). As taxas de aquecimento/resfriamento devem permanecer abaixo de 83°C (150°F) para evitar danos por estresse térmico.

Para vasos superdimensionados, o PWHT localizado em soldas individuais é permitido, desde que os gradientes térmicos evitem danos induzidos por estresse. A soldagem pós-PWHT em componentes que suportam pressão é proibida; se apêndices externos forem soldados inadvertidamente, um segundo PWHT é obrigatório. Inspetores devem verificar a conformidade para evitar soldagem pós-tratamento.

A recuperação de calor residual aproveita o excesso de energia térmica da geração de energia ou de processos industriais. Sistemas tradicionais perdem 24%-45% da energia durante a produção, 3% na distribuição, 10%-50% na conversão e 30%-35% em sistemas de vapor. As principais fontes industriais de calor residual incluem gases de escape, gases de combustão e ar quente de sistemas de aquecimento – variando de emissões de queimadores de alta temperatura a saídas de menor temperatura de fornos, secadores ou trocadores de calor. Capturar essa energia melhora a eficiência geral do sistema.

O acabamento limpa as superfícies de aço laminado a quente antes da laminação a frio ou revestimento. Métodos como limpeza com solvente, água pressurizada, abrasivos, agentes alcalinos ou decapagem removem ferrugem, óxidos, óleos e contaminantes. A decapagem usa vapor gerado por combustível para aquecer banhos e pré-alimentar a tira de aço, enquanto a eletricidade alimenta equipamentos auxiliares (por exemplo, ventiladores de exaustão, unidades de recuperação de ácido).

Após a decapagem, o aço passa por laminação a frio para obter perfis mais finos e lisos para carrocerias de automóveis, latas de estanho ou tubos. As demandas de energia incluem combustível para reaquecimento/tratamento térmico de placas e eletricidade para laminadores/leitos de resfriamento. Fornos modernos de reaquecimento de laminação a quente consomem ~1.400 MJ/ton (partida a frio), em comparação com unidades mais antigas em ~1.800 MJ/ton, com sistemas de ponta atingindo ~1.000 MJ/ton.

O processo TRD (Deposição Termo-Reativa) produz revestimentos densos de carboneto/nitreto por meio de tratamento térmico. Utilizando equipamentos de forno convencionais, ele cria revestimentos mais espessos e aderentes do que os métodos PVD, compostos por partículas finas compactadas.

Ligas fundidas por cera perdida frequentemente requerem tratamento térmico para aliviar tensões, melhorar a homogeneidade química ou alterar a microestrutura. Os perfis de tempo-temperatura variam por liga e tamanho da peça. Peças fundidas sob pressão são tipicamente excluídas devido a riscos de porosidade (gases aprisionados podem expandir, causando rachaduras). Princípios de transferência de calor guiam as durações de aquecimento, enquanto diagramas de fase e cinética de transformação em estado sólido informam o projeto do processo. Exemplos incluem aços de médio carbono, ferro fundido dúctil e ligas de alumínio.

Para endurecimento por indução para formar superfícies martensíticas, a austenitização deve preceder o resfriamento. Os curtos ciclos de aquecimento significam que a austenitização depende fortemente da microestrutura inicial – nucleando em contornos de grão de ferrita, carbonetos esferoidizados ou colônias de perlita. O crescimento rápido ocorre na perlita devido a camadas de cementita ricas em carbono e curtos caminhos de difusão na ferrita.

Uma descoberta de 1964, o processo de Resfriamento Intensivo (IQ), resfria peças de aço em taxas múltiplas vezes maiores do que os métodos convencionais. Isso gera tensões compressivas superficiais benéficas, reduzindo riscos de distorção e rachaduras – ao contrário do resfriamento tradicional, que frequentemente deixa tensões superficiais de tração ou neutras.