لا يقتصر جو فرن الحزام الشبكي على الهواء الساخن فحسب، بل هو بيئة كيميائية مضبوطة بدقة تحدد ما إذا كانت القطع ستخرج لامعة ونظيفة أم مؤكسدة ومنزوعة الكربون. ويُعدّ التحكم في هذا الجو عاملاً حاسماً في تمييز مُعالج حراري عالي الجودة عن غيره.
تعمل أفران الحزام الشبكي من مونتي إنتليجنس بأنظمة تحكم جوي متنوعة تبعًا لمتطلبات العملية. تتناول هذه المقالة الأنواع الثلاثة الأكثر شيوعًا من أنظمة التحكم الجوي، ومعدات توليدها، ومعايير التحكم التي تحدد جودة الغلاف الجوي.
الغاز الماص للحرارة - أو ما يُعرف في ورش المعالجة الحرارية باسم "غاز "endo gas"" - هو الوسط الأساسي لعمليات التصليد المحايد، والكربنة، والكربنة النيتروجينية لأجزاء الصلب. يُنتج هذا الغاز عن طريق تفاعل الغاز الطبيعي (أو البروبان) مع الهواء في مولد خارجي عند درجة حرارة تقارب 1050 درجة مئوية، باستخدام عامل حفاز من النيكل. وتكون معادلة التفاعل تقريبًا كالتالي: CH4 + 2.38 (0.21 O2 + 0.79 N2) → CO + 2 H2 + 1.88 N2، لينتج غازًا يتكون حجمه تقريبًا من 20% CO، و40% H2، و40% N2.
تعتمد قدرة غاز الصهر على إضافة أو إزالة الكربون من سطح الفولاذ على نسبة أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون ودرجة حرارة الفرن. عند 850 درجة مئوية، تبلغ قدرة غاز الصهر ذي نقطة الندى +5 درجات مئوية على إضافة الكربون حوالي 0.35%. ويؤدي خفض نقطة الندى إلى -5 درجات مئوية إلى رفع قدرة إضافة الكربون إلى حوالي 0.60%. وتخضع هذه العلاقة لتفاعل تحويل الماء والغاز: CO + H2O ↔ CO2 + H2، مما يعني أن التحكم في محتوى بخار الماء (نقطة الندى) يتحكم في قدرة إضافة الكربون.
يُعدّ مولد التفاعل الماص للحرارة قطعة أساسية من المعدات. يتكون من وعاء تسخين مملوء بمحفز النيكل، يمر عبره خليط الهواء والغاز. التفاعل ماص للحرارة، أي أنه يمتص الحرارة، ومن هنا جاءت التسمية. يعمل وعاء التسخين عند درجة حرارة تتراوح بين 1000 و1100 درجة مئوية، ويجب أن يُصنع من سبيكة تتحمل درجات الحرارة العالية، عادةً RA330 أو Incoloy 800HT، بعمر تصميمي يتراوح بين 3 و5 سنوات من التشغيل المتواصل. يُعدّ تعطل وعاء التسخين سببًا شائعًا لتوقف الفرن غير المخطط له، لذا ينبغي على كل مصنع معالجة حرارية يستخدم غازًا ماصًا للحرارة الاحتفاظ بوعاء تسخين احتياطي.
يتدهور أداء المحفز في المولد بمرور الوقت نتيجة ترسب الكربون (التكويك) وتسمم الغاز الطبيعي بالكبريت. ويُعدّ الكبريت المشكلة الأكبر، إذ يتسمّم محفز النيكل بشكل دائم بالكبريت حتى عند تركيزات منخفضة تصل إلى بضعة أجزاء في المليون. تسمح مواصفات الغاز الطبيعي عادةً بنسبة تصل إلى 30 جزءًا في المليون من الكبريت، وهي نسبة أعلى بكثير من الحد الأقصى المسموح به للمحفز. لذا، يُعدّ وجود طبقة لإزالة الكبريت - من الكربون المنشط أو أكسيد الزنك - قبل المولد أمرًا ضروريًا، ويجب تغيير هذه الطبقة كل 6 إلى 12 شهرًا حسب محتوى الكبريت في الغاز.
يُعدّ جوّ النيتروجين والميثانول بديلاً لغاز الإندو في المصانع التي لا ترغب بتشغيل مولد الإندو. يُحضّر هذا الجوّ بحقن الميثانول السائل (CH3OH) وغاز النيتروجين مباشرةً في الفرن. عند درجة حرارة الفرن، يتفكك الميثانول: CH3OH → CO + 2 H2، مُنتجًا نفس نسبة CO:H2 (1:2) الموجودة في غاز الإندو. يُخفف النيتروجين الخليط للوصول إلى تركيز الكربون المطلوب.
تتميز تقنية النيتروجين-الميثانول بالبساطة، فلا حاجة لمولد أو محفز أو جهاز تقطير. يتكون النظام من خزان لتخزين الميثانول السائل، ومصدر للنيتروجين (خزان نيتروجين سائل أو مولد نيتروجين غشائي)، ولوحات تحكم في التدفق، وفوهات حقن في الفرن. يستغرق بدء التشغيل دقائق معدودة بدلاً من الساعات اللازمة لتسخين مولد النيتروجين.
تكمن المشكلة في التكلفة. فالميثانول السائل أغلى ثمناً من الغاز الطبيعي لكل وحدة ضغط جوي مُنتَجة. عند أسعار الميثانول المعتادة التي تتراوح بين 0.40 و0.60 دولاراً للتر، تبلغ تكلفة الضغط الجوي لفرن حزام شبكي يستهلك 40 لتراً من الميثانول في الساعة ما بين 16 و24 دولاراً في الساعة، أو ما يقارب 380 إلى 580 دولاراً يومياً من التشغيل المتواصل. بينما يُنتج مولد داخلي يعمل بالغاز الطبيعي نفس حجم الضغط الجوي بتكلفة أقل بنحو 30 إلى 40%. ويعتمد الاختيار بينهما على التكلفة الرأسمالية مقابل تكلفة التشغيل، وعلى قدرة المصنع على صيانة المولد الداخلي وتشغيله بكفاءة.
يُستخدم الأمونيا المتفكك في عملية التلدين اللامع للفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس والنحاس الأصفر، وهي عمليات تتطلب بيئة اختزالية غير مؤكسدة. يتفكك الأمونيا اللامائي (NH3) في وحدة خارجية: 2 NH3 → N2 + 3 H2، مُنتجًا غازًا يتكون من 75% هيدروجين و25% نيتروجين حجميًا. هذه البيئة مختزلة للغاية - حيث يُختزل محتواها العالي من الهيدروجين أي أكاسيد معدنية على سطح القطعة - وهي خالية من الكربون، لذا لا يوجد خطر للتكربن أو إزالة الكربون.
يعمل جهاز التفكيك عند درجة حرارة تقارب 950 درجة مئوية باستخدام محفز من الحديد والنيكل في وعاء تقطير مشابه لمولد التفكك الداخلي، ولكنه أصغر حجمًا نظرًا لبساطة وسرعة تفاعل تفكيك الأمونيا. يتطلب إمداد الأمونيا عناية فائقة: فالأمونيا اللامائية مادة كيميائية خطرة تستلزم تخزينًا خاصًا، وكشفًا عن التسرب، وإجراءات استجابة طارئة. الغاز الناتج قابل للاشتعال لاحتوائه على نسبة عالية من الهيدروجين، ويجب التعامل معه وفقًا لممارسات السلامة الغازية المناسبة.
تطورت أجهزة التحكم في الغلاف الجوي من قياس نقطة الندى يدويًا إلى التحكم الآلي في جهد الكربون. يعتمد الأسلوب الحديث على استخدام مسبار أكسجين (مستشعر زركونيا) يُدخل مباشرةً في المنطقة الساخنة للفرن. يقيس المسبار الضغط الجزئي للأكسجين في جو الفرن، ومن ثم يُحسب جهد الكربون بناءً على محتوى أول أكسيد الكربون ودرجة حرارة الفرن. تتحكم إشارة المسبار في إضافة غاز مُخصب (غاز طبيعي أو بروبان) للحفاظ على قيمة جهد الكربون المطلوبة.
تتطلب مجسات الأكسجين صيانة دورية. يجب تنظيف طرف المجس من السخام ورواسب الكربون، عادةً كل شهر إلى ثلاثة أشهر حسب جهد الكربون المطلوب. ينبغي معايرة المجس باستخدام مرجع - إما تحليل الكربون باستخدام رقائق معدنية أو مقياس نقطة الندى المحمول - كل ثلاثة أشهر على الأقل. قد يؤدي انحراف قراءة جهد الكربون للمجس بنسبة 0.05% إلى إنتاج أجزاء تختلف صلابتها بمقدار 1-2 نقطة على مقياس روكويل C عن الصلابة المستهدفة، وهو ما قد يُحدث فرقًا بين قبول المنتج أو رفضه.
تُزوّد شركة مونتي إنتليجنس أفران الحزام الشبكي بأنظمة جوية متكاملة، تشمل مولدات الاحتراق الداخلي، وألواح النيتروجين والميثانول، وأجهزة تفكيك الأمونيا. كما نوفر أجهزة التحكم في الغلاف الجوي وخدمات الدعم التشغيلي.
للحصول على مواصفات نظام الغلاف الجوي لعملية المعالجة الحرارية الخاصة بك، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
