De atmosfeer in een bandoven is niet zomaar hete lucht; het is een nauwkeurig gecontroleerde chemische omgeving die bepaalt of de onderdelen glanzend en schoon of geoxideerd en ontkoold uit de oven komen. De beheersing van de atmosfeer is het verschil tussen een kwalitatief goede en een middelmatige warmtebehandelaar.
De gaasbandovens van MONTE INTELLIGENCE werken met verschillende atmosfeersystemen, afhankelijk van de procesvereisten. Dit artikel behandelt de drie meest voorkomende typen gecontroleerde atmosfeer, de apparatuur die ze genereert en de regelparameters die de atmosfeerkwaliteit bepalen.
Endotherm gas — "endo gas" in warmtebehandelingsruimtes — is de meest gebruikte atmosfeer voor neutraal harden, carboneren en carbonitreren van stalen onderdelen. Het wordt geproduceerd door aardgas (of propaan) te laten reageren met lucht in een externe generator bij ongeveer 1050 °C, met een nikkelkatalysator. De reactie is ongeveer CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, waarbij een gas ontstaat dat ruwweg bestaat uit 20% CO, 40% H2 en 40% N2 in volume.
Het koolstofpotentieel van endogas – het vermogen om koolstof aan het staaloppervlak toe te voegen of ervan te verwijderen – hangt af van de CO/CO2-verhouding en de oventemperatuur. Bij 850 °C heeft endogas met een dauwpunt van +5 °C een koolstofpotentieel van ongeveer 0,35% C. Door het dauwpunt te verlagen naar -5 °C stijgt het koolstofpotentieel naar ongeveer 0,60% C. Deze relatie wordt bepaald door de watergasverschuivingsreactie: CO + H2O ↔ CO2 + H2, wat betekent dat het beheersen van het waterdampgehalte (dauwpunt) het koolstofpotentieel bepaalt.
De endotherme generator zelf is een cruciaal onderdeel van de installatie. Deze bestaat uit een verhitte retort gevuld met een nikkelkatalysator, waar het lucht-gasmengsel doorheen stroomt. De reactie is endotherm – er wordt warmte geabsorbeerd – vandaar de naam. De retort werkt bij temperaturen van 1000-1100 °C en moet gemaakt zijn van een hittebestendige legering, meestal RA330 of Incoloy 800HT, met een verwachte levensduur van 3-5 jaar bij continu gebruik. Storingen aan de retort zijn een veelvoorkomende oorzaak van ongeplande stilstand van de oven, en elke warmtebehandelingsinstallatie met endogas zou een reserve-retort op voorraad moeten hebben.
De katalysator in de generator degradeert na verloop van tijd door koolstofafzetting (coking) en zwavelvergiftiging door het aardgas. Zwavel is het grootste probleem: nikkelkatalysatoren worden permanent vergiftigd door zwavel bij concentraties van slechts enkele delen per miljoen. De specificaties voor aardgas staan doorgaans maximaal 30 ppm zwavel toe, wat ver boven de tolerantiegrens van de katalysator ligt. Een zwavelverwijderingsbed – actieve kool of zinkoxide – vóór de generator is essentieel en dit bed moet elke 6-12 maanden worden vervangen, afhankelijk van het zwavelgehalte in het gas.
Een stikstof-methanolatmosfeer is het alternatief voor endogas voor installaties die geen endogenerator willen gebruiken. De atmosfeer wordt gecreëerd door vloeibare methanol (CH3OH) en stikstofgas rechtstreeks in de oven te injecteren. Bij oventemperatuur dissocieert methanol: CH3OH → CO + 2 H2, waardoor dezelfde CO:H2-verhouding van 1:2 ontstaat als bij endogas. De stikstof verdunt het mengsel om het gewenste koolstofpotentieel te bereiken.
Het voordeel van stikstof-methanol is de eenvoud: geen generator, geen katalysator, geen retort. Het systeem bestaat uit een opslagtank voor vloeibare methanol, een stikstoftoevoer (vloeibare stikstoftank of membraanstikstofgenerator), stroomregelpanelen en injectiemondstukken in de oven. Opstarten duurt slechts enkele minuten, in plaats van de uren die nodig zijn om een endogenerator op te warmen.
Het nadeel is de kosten. Vloeibare methanol is per geproduceerde atmosfeer duurder dan aardgas. Bij een gemiddelde methanolprijs van $ 0,40-0,60 per liter bedragen de atmosfeerkosten voor een bandoven die 40 liter methanol per uur verbruikt $ 16-24 per uur, oftewel ongeveer $ 380-580 per dag bij continu bedrijf. Een endogenerator op aardgas produceert hetzelfde atmosfeervolume voor ongeveer 30-40% minder. De keuze tussen de twee hangt af van de investeringskosten versus de operationele kosten, en of de fabriek over de onderhoudsmogelijkheden beschikt om een endogenerator betrouwbaar te laten werken.
Gedissocieerde ammoniak wordt gebruikt voor het helder gloeien van roestvrij staal, koper en messing – processen waarbij de atmosfeer reducerend, maar niet-carburiserend moet zijn. Watervrije ammoniak (NH3) wordt in een externe eenheid gedissocieerd: 2 NH3 → N2 + 3 H2, waarbij een gas ontstaat dat voor 75% uit waterstof en voor 25% uit stikstof bestaat (volumepercentage). Deze atmosfeer is sterk reducerend – het hoge waterstofgehalte reduceert eventuele metaaloxiden op het oppervlak van het onderdeel – en bevat geen koolstof, waardoor er geen risico is op carburisatie of decarburisatie.
De dissociator werkt bij ongeveer 950 °C met een ijzer-nikkelkatalysator in een retort die lijkt op een endogenerator, maar kleiner is omdat de ammoniakdissociatiereactie eenvoudiger en sneller verloopt. De ammoniaktoevoer vereist zorgvuldige behandeling: watervrije ammoniak is een gevaarlijke chemische stof die speciale opslag, lekdetectie en noodprocedures vereist. Het gedissocieerde gas is brandbaar vanwege het hoge waterstofgehalte en moet worden behandeld met de juiste gasveiligheidsvoorschriften.
De instrumentatie voor atmosfeerregeling is geëvolueerd van handmatige dauwpuntmeting naar geautomatiseerde regeling van het koolstofpotentieel. De moderne aanpak maakt gebruik van een zuurstofsonde (zirconia-sensor) die rechtstreeks in de hete zone van de oven wordt geplaatst. De sonde meet de partiële zuurstofdruk in de ovenatmosfeer, op basis waarvan het koolstofpotentieel wordt berekend aan de hand van het CO-gehalte en de oventemperatuur. Het signaal van de sonde stuurt de toevoeging van verrijkingsgas (aardgas of propaan) aan om het ingestelde koolstofpotentieel te handhaven.
Zuurstofsondes vereisen periodiek onderhoud. De punt van de sonde moet worden gereinigd van roet en koolstofafzettingen, doorgaans elke 1-3 maanden, afhankelijk van de te handhaven koolstofpotentiaal. De sonde moet minstens elk kwartaal worden gekalibreerd met een referentie – ofwel een koolstofanalyse van vulplaatjes of een draagbare dauwpuntmeter. Een sonde die 0,05% afwijkt in de koolstofpotentiaalmeting kan onderdelen produceren die 1-2 HRC-punten afwijken van de beoogde hardheid, wat het verschil kan betekenen tussen een goedgekeurde en een afgekeurde partij.
MONTE INTELLIGENCE levert bandovens met geïntegreerde atmosfeersystemen, waaronder endogeneratoren, stikstof-methanolpanelen en ammoniakdissociatoren. We leveren tevens instrumentatie voor atmosfeerregeling en bieden ondersteuning bij de inbedrijfstelling.
Voor specificaties van het atmosfeersysteem voor uw warmtebehandelingsproces kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
