Técnicas para otimizar, controlar e estabilizar a atmosfera de um forno de sinterização

Técnicas para otimizar, controlar e estabilizar a atmosfera de um forno de sinterização

Fig. 1. Interior de um forno contínuo mostrando no centro o tubo injetor de atmosfera para circulação forçada

Existe uma maior compreensão do papel da atmosfera em geral e mais especificamente seu papel e função em cada seção dentro de um forno de sinterização

Uma das principais vantagens da tecnologia da metalurgia do pó é a sua capacidade de fabricar grandes volumes de componentes metálicos com geometrias simples ou complexas, muito próximas do formato final, com reprodutibilidade, propriedades físicas e metalúrgicas idênticas.

Para conseguir as propriedades reprodutíveis precisamos manter constante todas as variáveis que influenciam a fabricação da peça final. Não é suficiente selecionar e usar a composição da atmosfera correta, mas é essencial manter o perfil da atmosfera constante dentro do forno de sinterização. Nos últimos 30 anos, o sistema de atmosfera predominante foi alterado de atmosferas endotérmicas para atmosferas baseada em nitrogênio [10]. Existe uma maior compreensão do papel da atmosfera em geral e mais especificamente seu papel e função em cada seção do forno de sinterização. Em termos muito básicos o forno pode ser considerado feito de três zonas físicas separadas, cada zona exercendo uma função diferente e exigindo uma composição diferente de atmosfera. Há vários trabalhos publicados [1, 2, 9, e 10] que discutem em detalhes a seleção e os benefícios da utilização dos sistemas de atmosfera baseada em nitrogênio. Estes sistemas podem ser feitos sob medida para encontrar os requerimentos específicos dos materiais sinterizados.

Vamos agora examinar pequenas técnicas que podem ser usadas para aperfeiçoar e estabilizar a atmosfera dentro do forno.

Zoneamento da Atmosfera

O conceito de zoneamento da atmosfera [2] foi desenvolvido no início dos anos 80 quando o sistema de atmosfera baseado em nitrogênio foi projetado. A função principal da zona de pré-aquecimento é eliminar todo o lubrificante que é adicionado à mistura de pó. A etapa de de-lubrificação [4,6] requer uma atmosfera oxidante para oxidar os vapores do lubrificante baseado em hidrocarbonetos para que nenhum resíduo de carbono sólido seja deixado para trás e interfira no processo de sinterização. A relação de hidrogênio e umidade determina o potencial de oxidação ou redução, e na zona de altas temperaturas essa proporção deve ser mantida mais alto possível a custos mais baixos. O potencial de oxidação/redução também determina a taxa em que são reduzidos os óxidos superficiais das partículas de pó, que por sua vez influencia diretamente a sinterização ou a ligação entre as partículas.

Este efeito redutor é função do sistema da liga a ser sinterizada e qualquer variação no potencial de oxi-redução da atmosfera zoneada se manifestará nas propriedades finais do produto sinterizado. Nas zonas de resfriamento a função primária da atmosfera é prevenir a oxidação e maximizar as taxas de resfriamento. Em geral, o nitrogênio por si só faz um trabalho eficaz de manter o oxigênio fora do forno. No entanto, tem sido demonstrado que a taxa de resfriamento pode ser intensificada se aumentarmos o teor de hidrogênio e promovermos uma circulação forçada da atmosfera.

O zoneamento da atmosfera torna-se possível pela disponibilidade de utilização dos componentes da atmosfera como o hidrogênio e o nitrogênio individualmente ou misturá-los em proporções desejadas conforme ditado pelas exigências metalúrgicas de cada zona do forno. Para a maioria dos fornos de esteira contínuos uma distribuição de atmosfera ideal consiste em 20% de nitrogênio úmido ou seco introduzido na zona de pré-aquecimento, 60% nitrogênio + hidrogênio para a zona quente e 20% nitrogênio seco dentro da zona de resfriamento. Este tipo de atmosfera zoneada ajuda a minimizar o fluxo total dos gases exigido durante a sinterização e concentrar o hidrogênio onde ele é mais importante. Um esquema simplificado deste tipo de sistema é mostrado na Fig. 2.

Cortinas de Gás Nitrogênio

O ar ambiente que contém 20.9% em volume de oxigênio pode entrar nas extremidades de um forno de esteira contínua quando a atmosfera é insuficientemente controlada. Por isso, uma pressão positiva da atmosfera no interior do forno deverá ser garantida para forçar a saída de gás pelas extremidades em uma velocidade determinada através da relação do fluxo injetado e a área da secção transversal da abertura da porta. Para uma determinada largura de esteira e altura da abertura de porta, a velocidade de saída ou arraste aumenta com o acréscimo da taxa de fluxo. Parece lógico assumir que quanto mais elevada é a velocidade, melhor será o bloqueio ao ingresso de ar. No entanto, isto não ocorre necessariamente. Estudos computacionais de dinâmica dos fluídos3 e experiências na produção demonstraram que, acima de uma velocidade ideal, o ingresso de ar é agravado pela formação de vórtices que adicionam moléculas de oxigênio para o interior do forno, principalmente no nível da esteira. Portanto, elevando o fluxo total além do valor ideal pode aumentar em vez de diminuir a contaminação de oxigênio no forno. Ao longo dos anos de experiência com atmosfera baseada em nitrogênio uma regra empírica surgiu indicando que a taxa de fluxo total variando de 2,12 a 2,83 m³/h por polegada de largura da esteira é suficiente para manter os níveis de oxigênio no forno dentro de limites aceitáveis considerando as aberturas de porta não superior a 08 centímetros.

Tem-se demonstrado que usando uma cortina de gás nitrogênio nas extremidades do forno pode reduzir a infiltração de ar. Uma cortina de gás devidamente concebida produz um fluxo laminar transversal em toda a largura do forno funcionando como uma barreira física para o ingresso de ar, permitindo a passagem das peças sem interferência. Um dos tais modelos incorpora o recurso de expelir o nitrogênio por um sistema rotacional que capacita direcionar o fluxo preferencialmente. Essa capacidade de fluxo direcional também ajuda a condicionar a maior parte da atmosfera contra o fluxo de peças. A Fig. 3 mostra um desenho esquemático de um sistema injetor de gás rotacional. Para garantir que o fluxo dos gases seja uniforme em toda a largura do injetor, a área total de todos os furos de distribuição deve ser inferior à metade da área da seção transversal do tubo injetor principal. Também é desejável ter duas linhas de furos com um ângulo de cerca de 30°.

Foi demonstrado que um modelo similar também é benéfico para o principal ponto de introdução de N2 + H2 na seção de resfriamento lento. A linha de centro dos orifícios deve ser apontada em direção ao carregamento do material (carga) do forno para facilitar o fluxo da atmosfera para frente. Um pino soldado sobre a secção do tubo fora do forno pode ser usado para indicar a orientação dos furos. O tubo reforçado com material cerâmico, ou de aço inoxidável e inconel podem ser usados para minimizar a distorção térmica e a flacidez do tubo.

Cortinas de Fibra

Uma cortina física feita de fibra como cordéis atuará como uma barreira para o ar (O2) quando instalado no final da saída do forno. Materiais de cortina incluem fibra de vidro, Refrasil® e Siltemp®. Cortinas compostas de várias linhas de cordões finos ajudam a reduzir a perda de calor e minimizar a infiltração de oxigênio e permitir que as peças saiam do forno livremente. A vantagem de usar cortinas flexíveis é que as peças processadas atravessam as fibras sobrepostas e não criam uma abertura visível, como no caso dos materiais tradicionais das cortinas de fitas. Uma cortina de fibra no final da saída também fornece uma barreira física aos gases de exaustão e promove o fluxo desejado da atmosfera do final do forno para frente. Tipicamente 80% dos gases devem fluir no sentido contrário a marcha das peças durante a sinterização. Isso ajuda a maximizar a interação da atmosfera redutora com a peça e aprimorar a ação protetora contra os vapores de lubrificantes formados na zona de pré aquecimento e contra a umidade gerada pela redução de óxidos na zona quente onde ocorre a sinterização. Este “fluxo de arraste” da atmosfera é essencial para minimizar os problemas de deposição de fuligem, descarbonetação e oxidação. Um artigo mais detalhado sobre técnicas para avaliação e solução de defeitos foi publicado [4, 8] anteriormente.

Como exemplo, a Fig. 4 mostra chapas e tubos recozidos saindo de dois fornos contínuos de rolos. É importante assegurar que a cortina esteja de cima para baixo até o nível da esteira. Uma variação do projeto visando reduzir o espaço da cortina até a esteira é utilizar um mecanismo extensor de comprimento via parafuso para garantir que a cortina continua a tocar a esteira quando a mesma estiver desgastada, ampliando sua vida útil e evitando paradas para substituição.

Em alguns casos, instala-se um segundo grupo de cortinas na seção de resfriamento e adiciona uma nova entrada de nitrogênio entre essas duas cortinas. Este projeto de cortina dupla com injeção de nitrogênio entre elas promove uma zona tampão, aumentando a segurança operacional, protegendo contra infiltração de contaminantes externo e estabilizando a atmosfera em todo o forno.

Cortinas de Chamas

Não é prático instalar uma cortina física de fibra na frente do forno por causa das altas temperaturas produzidas pela queima de hidrogênio e dos vapores do lubrificante. Em vez disso, uma cortina de chama tem sido usada para limitar efetivamente o ingresso de ar pela frente do forno.

É prática comum instalar um tubo com furos em baixo da esteira para produzir uma cortina de chama lenta de gás natural surgindo por baixo da esteira. Essa cortina de chama não é muito eficiente porque quando a peça caminha sobre a chama, ela bloqueia a frente da chama e permite que o ar entre no forno. Um projeto mais eficaz deve fixar a cortina de chama na parte de baixo da porta e deixar que a chama dispare para baixo criando um plano vertical que cobre a seção transversal total da frente. Adicionalmente, usando um modelo de queimador com ar comprimido irá produzir um plano forte de chama que pode se estender por vários centímetros abaixo do nível da esteira. Isto irá criar uma barreira mais eficaz contra a entrada de ar. Um projeto simples consiste de um tubo com ranhuras com várias fileiras onduladas conforme mostrado na Fig. 5. Várias versões comerciais estão disponíveis com diferentes capacidades de BTU.

A cortina de chama também ajuda a queimar os vapores lubrificantes durante a saída do forno e auxilia no processo de delubrificação durante a etapa de pré-aquecimento da peça P/M. A frente da chama também atua como um indicador importante da pressão da atmosfera e a estabilidade dentro do forno. A frente da chama que sopra para fora ligeiramente indica uma pressão positiva desejada dentro do forno. Uma frente de chama que recua para dentro do forno conforme mostrado na Fig. 6 indica um fluxo de atmosfera total insuficiente e pode levar a uma condição conhecida como superfícies foscas sobre as peças. Se a frente da chama oscila, então temos uma atmosfera instável que pode resultar em propriedades não uniformes das peças processadas pela metalurgia do pó.

A composição dos gases e as vazões de hidrogênio e nitrogênio na atmosfera de um forno de sinterização são relativamente estáveis se garantimos reguladores de pressão e medidores de fluxos adequados. No entanto, a composição no interior do forno pode se alterar significativamente devido a fatores como integridade do forno, vazamentos na mufla, mudanças na pressão do ambiente externo, geometria da peça, aberturas de porta, decomposição do lubrificante e impurezas no pó compacto. O potencial de redução ou oxidação da atmosfera dentro de um forno é função da temperatura e da relação da pressão parcial de hidrogênio com a pressão parcial de umidade presente na atmosfera.

A oxidação do ferro e, em geral de qualquer metal pela umidade na atmosfera, pode ser representada pelas seguintes reações:

3 Fe + 4H2O –> Fe3O4 + 4H2 (1)

Fe + H2O –> FeO + H2 (2)

x Me + yH2O –> MexOy + yH2 (3)

Estas reações são reversíveis e a direção é determinada pela relação da pressão parcial do hidrogênio e a pressão parcial de umidade (Kp), conforme representado pela seguinte expressão, assumindo que as atividades do metal e óxido são unidade.

Kp = pH2/pH2O

O potencial de oxidação/redução determina a velocidade na qual os óxidos superficiais das partículas de pó são reduzidos, que influencia diretamente a sinterização ou a ligação entre as partículas. O diagrama de Ellingham nos fornece as condições de equilíbrio entre metais e seus óxidos mostrando os efeitos da temperatura, dos constituintes e pressões parciais de pH2/pH2O.>

É sabido que qualquer oxigênio presente na atmosfera do forno está em equilíbrio com hidrogênio de acordo com a seguinte reação:

2H2O*** –> 2H2 + O2 (4)

Desde que o valor da constante de equilíbrio (K) para a reação (4) é conhecido através de intervalos de temperatura, uma sonda de oxigênio baseado em Zircônia pode ser usada para controlar a composição da atmosfera do forno. Especificamente a sonda permite a medição da constante Kp e o ponto de orvalho à umidade, de acordo com a seguinte equação:

K= p2H2 * pO2 / p2H2O (5)

ou

Kp= pH2O/pH2 e Kp= (pO2/k)1/2 (6)

pH2O=pH2 (pO2/K)1/2 (7)

O sistema de controle de atmosfera interativo consiste de um painel de controle de fluxo de gás nitrogênio e hidrogênio, uma sonda de oxigênio e um controlador tipo CLP que regula as taxas de fluxo de nitrogênio e hidrogênio introduzido no forno (ver Fig. 7). O painel de controle de fluxo de gás também está equipado com um medidor de fluxo para adicionar um componente oxidante em determinadas seções do forno para operações que exigem manter um nível desejado de um potencial de oxidação na atmosfera, como na zona de pré aquecimento para a de lubrificação. A sonda de oxigênio é usada para determinar ou calcular o valor de Kp na atmosfera presente no interior do forno. Como alternativa, um sistema de monitoramento de ponto de orvalho com um analisador de hidrogênio pode ser usado para determinar o valor de Kp, ou com um analisador de hidrogênio e sonda de oxigênio pode determinar o nível de ponto de orvalho.

Um dos controles algoritmos mais popular envolve o ajuste da vazão de hidrogênio e ou do componente oxidante baseado no potencial de oxi-redução (valor do Kp) requerido para manter o potencial de oxi-redução desejado em cada zona do forno de sinterização.

Projeto de Exaustores

Na maioria dos fornos de sinterização é típico ter um sistema de exaustão e ventilação com tubulações na frente ou em ambas as extremidades do forno. A função destes sistemas de exaustão é ventilar com segurança a atmosfera que sai do forno. Os exaustores na frente também estão aptos para extrair parte do calor gerado pela cortina de chamas e por produtos lubrificantes que queimam na entrada. Em muitas plantas estes exaustores são estendidos para baixo e conectados ao forno para se tornar uma parte do forno contínuo. Tal concepção pode, às vezes, ser problemática para a estabilidade da atmosfera porque qualquer corrente de ar para cima ou para baixo irá causar uma mudança no perfil da atmosfera dentro do forno. Neste caso, é susceptível causar um puxar preferencial provocando a infiltração de ar atmosférico no extremo oposto do forno. Modelos mais elaborados separam o capô de exaustão da mufla do forno para que algum ar também suba na tubulação de ventilação juntamente à atmosfera. A atmosfera ideal deve ser tal que ela crie uma pressão ligeiramente positiva dentro do forno e empurre levemente ou arraste os gases contaminantes para fora do forno, e não seja extraída ou puxada pelo sistema de ventilação para fora do forno. Um modelo de exaustor separado da mufla é mostrado esquematicamente na Fig. 8, neste caso, terá um menor efeito de extração sobre a atmosfera no interior do forno.

Outro efeito a considerar é que, como a concentração de hidrogênio é aumentada na zona de pré-aquecimento com a elevação da exaustão, o calor gerado nesta extremidade também aumenta provocando um acréscimo na velocidade de drenagem da atmosfera. Isto provoca uma pressão negativa no forno, causando um aumento na infiltração de ar pela extremidade final oposta à entrada do forno. Isso pode ser compensado através do reequilíbrio dos fluxos de atmosfera usando os injetores de nitrogênio giratórios instalados no final das zonas de resfriamento. Este efeito negativo é representado esquematicamente na Fig. 9.

Referências

1. Thomas Phillips, Zbigniew Zurecki and John J. Dwyer Jr. “Controlling Properties of Sintered- Steel P/M Components Using Atmosphere” Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials 2006, published by Metal Powder Industries Federation, Princeton, N.J.;
2. H.S.Nayar, “The Concept of Furnace Zoning”, Presented at the International P/M conf, Florence, Italy June 1982. Associazione Italiana di Metallurgia, Italy;
3. Tom Philips, Neeraj Saxena, Harb Nayar and Mark Kirschner, “Computer Modeling and design of Sintering furnace atmospheres”, Proceedings of the PM2TEC-94 Conference, Vol. 7, pg. 143-152;
4. Deepak Saha and Diran Apelian, “Optimization of De-Lubrication during Sintering”, Proceedings of the 2000 International Conference on Powder Metallurgy and Particulate Materials, New York City, Vol. 5, Page 183 – 190;
5. Harb, Nayar “Delubrication problems and solutions in the P/M industry”, “Advances in Powder Metallurgy (1994), pp. 117–123.;
6. Dwyer, J., et al. Comparative studies of P/M lubricants under different atmospheres using TGA techniques, in Proceedings of the 1992 Powder Metallurgy World Congress. Part 3 (of 9), Jun 21-26 1992. 1992. San Francisco, CA, USA: Publ by Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ, USA;
7. Guido Plicht and Diwakar Garg, “Advanced Atmosphere Control System for Improving Annealing of Steel Components “Proceedings of the 5th ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conference in Europe Incorporating the 3rd International Conference on HT with Atmospheres Published: Nov 2000 P.433-440;
8. T. Philips, Trouble-Shooting Guide for Sintering Furnace Atmospheres, Int. J. Powder Vol 26 (No.3), 1990, p 245-6250 ;
9. H. Nayar, “Nitrogen-Based Atmospheres for Sintering of PM Parts”, Heat Treatment ’79 Conference Proceedings, 1979, Birmingham, U.K., p. 156;
10. D. J. Bowe, K. R. Berger, J. G. Marsden, and D. Garg, “Optimization of Nitrogen/Hydrogen Sintering Atmosphere Composition for Carbon Steel”, The International Journal of Powder Metallurgy, 1995, vol. 31, no. 1, p. 29.

Para mais informações, contate: Gian Ricardo Correa Silva, Engenheiro de Desenvolvimento & Aplicações da Air Products do Brasil, telefone (11) 97144-5577 ou e-mail silvagc@airproducts.com.

 

1 Comentário

  1. Luiz Roberto Hirschheimer disse:

    Artigo muito bem escrito e de aplicação prática imediata. Parabéns.

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