Atmosfeerregeling in een bandoven: mengsels van stikstof, endotherm gas en waterstof.
De juiste atmosfeerregeling is wat een warmtebehandelingsoven onderscheidt van een gloei- en oxidatieoven. Dezelfde oven met een slechte atmosfeer produceert onderdelen met een dikke aanslag die de kwaliteitscontrole niet doorstaan. Met de juiste atmosfeer komen de onderdelen helder, schoon en klaar voor de volgende bewerking uit de oven. Dit is geen klein verschil. De kosten voor de atmosfeer bedragen doorgaans 15 tot 25 procent van de bedrijfskosten van een bandoven, en het atmosfeerregelsysteem vertegenwoordigt 20 tot 30 procent van de investeringskosten van de oven. Een goede atmosfeerregeling is de investering waard.
Waarom de atmosfeer ertoe doet
Bij temperaturen boven de 500 graden Celsius reageert staal met zuurstof, waterdamp en kooldioxide in de lucht. Deze reacties vormen een ijzeroxidehuid, ontkolen het oppervlak en maken het onderdeel onbruikbaar voor veel toepassingen. Het doel van een gecontroleerde atmosfeer is om de lucht te verdringen en een chemische reactie te creëren die niet met het staal plaatsvindt.
De atmosfeer speelt ook een actieve rol in sommige processen. Endotherm gas voegt koolstof toe aan het staaloppervlak (carburatie). Ammoniakhoudende atmosferen voegen stikstof toe (nitreren). Waterstofhoudende atmosferen reduceren eventueel aanwezige oppervlakteoxide (glanzend gloeien). De juiste atmosfeer is degene die de gewenste oppervlaktechemie oplevert en ongewenste reacties voorkomt.
Stikstofhoudende atmosferen
Stikstof is de meest gebruikte beschermende atmosfeer in bandovens. Het is goedkoop, gemakkelijk verkrijgbaar en effectief voor veel processen. Zuivere stikstof is geschikt voor: het heldergloeien van koper, het spanningsarm maken van laaggelegeerd staal en processen bij lage temperaturen onder de 700 graden Celsius.
Zuivere stikstof is niet geschikt voor het harden van koolstofstaal bij temperaturen tussen 850 en 880 graden Celsius. De reden hiervoor is dat stikstof in dit temperatuurbereik de ontkoling niet voorkomt, waardoor het koolstofgehalte aan het staaloppervlak daalt. De ontkolde laag is zacht en kan leiden tot defecten aan het onderdeel tijdens gebruik.
Voor het harden van koolstofstaal wordt standaard een endotherm gas gebruikt, soms met een kleine toevoeging van aardgas om het koolstofpotentieel te verhogen. Het endotherme gas wordt geproduceerd door aardgas te laten reageren met lucht in een verhitte retort bij 950 tot 1000 graden Celsius, met een nikkelkatalysator. De reactie produceert een gas dat voor ongeveer 40 procent uit waterstof, 20 procent uit koolmonoxide, 40 procent uit stikstof en sporen van methaan en waterdamp bestaat.
Endotherm gas (Endogas)
Endotherm gas is de meest gebruikte atmosfeer voor het harden van koolstofstaal in een bandoven. Het koolstofgehalte van het gas wordt geregeld op de gewenste waarde voor de staalsoort (doorgaans 0,4 tot 0,8 procent C), en het gas voegt koolstof toe aan of verwijdert koolstof van het staaloppervlak om deze waarde te behouden.
Het koolstofpotentieel wordt gecontroleerd door een dauwpuntanalysator of een infrarood CO2-analysator. De regelaar moduleert de lucht-gasverhouding in de endotherme generator om het ingestelde punt te handhaven. De endotherme generator werkt bij een temperatuur van 950 tot 1000 graden Celsius en verbruikt 0,10 tot 0,15 kubieke meter aardgas per kubieke meter geproduceerd endothermisch gas.
Het nadeel van endogas is de complexiteit van de generator. De retort, de katalysator, het lucht-gasmengsysteem en de regelkring voor de koolstofpotentiaal vereisen allemaal onderhoud. Moderne endogasgeneratoren zijn betrouwbaar, maar de operator moet nog steeds de koolstofpotentiaal continu controleren en de katalysator om de 2 tot 3 jaar vervangen.
Waterstof-stikstofmengsels voor helder gloeien
Onderdelen van roestvrij staal en gereedschapsstaal die een glanzend, oxidevrij oppervlak vereisen, worden gegloeid in waterstof-stikstofmengsels, waarbij het waterstofgehalte doorgaans 25 tot 75 procent bedraagt. De waterstof fungeert als reductiemiddel om eventuele oppervlakteoxiden weer om te zetten in metaal, en de stikstof dient als draaggas en verdunningsmiddel voor de veiligheid.
Voor een zeer glanzende afwerking worden ook zuivere waterstofatmosferen gebruikt, maar deze vereisen een explosieveilige ovenconstructie en uitgebreide veiligheidssystemen. Mengsels met 25 tot 75 procent waterstof zijn veiliger en leveren het grootste glansvoordeel op tegen lagere investeringskosten.
Het waterstof-stikstofmengsel wordt aangevoerd als een voorgemengd gas van een leverancier of als afzonderlijke gassen die bij de oveninlaat worden gemengd. De mengverhouding wordt geregeld door massastroomregelaars en het dauwpunt van het mengsel wordt continu bewaakt. Een hoog dauwpunt (meer dan -40 graden Celsius) duidt op een lek of een verontreinigde gastoevoer, en de oven moet worden stilgelegd totdat het probleem is opgelost.
Waterstofhoudende atmosferen zijn explosief bij concentraties boven de 4 procent in de lucht. De gaasbandoven moet ontworpen zijn met de juiste spoelprocedures, lektesten en noodventilatie. MONTE INTELLIGENCE ontwerpt gaasbandovens voor waterstofverwerking met redundante veiligheidssystemen en een voorspoelcyclus die de lucht uit de oven verwijdert vóór elke verwarmingscyclus.
Ammoniakatmosferen voor nitrering
Voor het nitreren van speciale onderdelen worden ammoniak of ammoniak-stikstofmengsels gebruikt. De ammoniak ontleedt bij de nitreertemperatuur (500 tot 600 graden Celsius) en daarbij komt atomaire stikstof vrij, die in het staaloppervlak diffundeert. Het resultaat is een harde, slijtvaste oppervlaktelaag zonder dat afkoeling nodig is.
In bandovens met gaasbanden wordt een ammoniakatmosfeer gebruikt voor het nitreren van grote hoeveelheden kleine onderdelen. Het ammoniakverbruik bedraagt doorgaans 0,5 tot 1,5 kubieke meter per uur in een kleine oven. Het afvalgas dat uit de oven komt, moet worden behandeld om de niet-gereageerde ammoniak te vernietigen voordat het wordt afgevoerd.
Atmosfeerbewaking en -controle
De atmosfeer in een bandoven moet continu worden bewaakt. De belangrijkste parameters zijn: zuurstofsonde (voor het zuurstofgehalte), dauwpuntanalysator (voor waterdamp), infraroodanalysator (voor CO en CO2) en debietmeters (voor de gastoevoer). De gegevens worden continu geregistreerd en gebruikt voor procescontrole en kwaliteitsdocumentatie.
Moderne besturingssystemen voor gaasbandovens integreren de atmosfeerbewaking met de temperatuurregeling. Als de chemische samenstelling van de atmosfeer buiten de specificaties valt, kan de regelaar de gasstroom aanpassen, het ingestelde koolstofpotentiaal wijzigen of een alarm activeren. Deze integratie vermindert de werkdruk voor de operator en verbetert de procesconsistentie.
Selectiecriteria
Voor kopers die het atmosfeersysteem specificeren, zijn de belangrijkste vragen: welke oppervlakteafwerking is vereist, wat is de staalkwaliteit, wat is de procestemperatuur en wat is de beschikbare gastoevoer? Het atmosfeersysteem wordt vervolgens afgestemd op deze parameters, waarbij het gastype, de stroomsnelheid, het besturingssysteem en de veiligheidssystemen worden gespecificeerd.
Neem contact op met MONTE INTELLIGENCE over atmosfeersystemen.
Voor kopers die atmosfeersystemen voor een bandoven overwegen, kan de engineeringafdeling van MONTE INTELLIGENCE een configuratie aanbevelen die aansluit op het proces en de gewenste oppervlakteafwerking. Bezoek de website.www.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Voor casestudies. Voor een projectbespreking kunt u een e-mail sturen naar helenxu@cnlymonte.com met als onderwerp 'mesh belt atmosphere' en details over uw procesrecept en oppervlakteafwerking.
