التحكم في الغلاف الجوي في فرن الحزام الشبكي: مخاليط النيتروجين والغازات الماصة للحرارة والهيدروجين
يُعدّ التحكم في الغلاف الجوي العاملَ الحاسم الذي يُميّز فرن المعالجة الحرارية عن فرن التسخين والأكسدة. فالفرن نفسه، إذا كان غلافه الجوي غير مناسب، يُنتج قطعًا ذات قشور سميكة لا تجتاز فحص الجودة. أما مع الغلاف الجوي المناسب، فتخرج القطع لامعة ونظيفة وجاهزة للعملية التالية. وهذا فرقٌ جوهري. إذ تُشكّل تكلفة الغلاف الجوي عادةً ما بين 15 و25 بالمئة من تكلفة تشغيل فرن الحزام الشبكي، بينما يُمثّل نظام التحكم في الغلاف الجوي ما بين 20 و30 بالمئة من التكلفة الرأسمالية للفرن. لذا، فإنّ إتقان هذا النظام يستحق الاستثمار.
لماذا يُعد الغلاف الجوي مهماً؟
عند درجات حرارة تتجاوز 500 درجة مئوية، يتفاعل الفولاذ مع الأكسجين وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون في الهواء. تُشكّل هذه التفاعلات طبقة من أكسيد الحديد، وتُزيل الكربون من السطح، مما يُفسد القطعة في العديد من التطبيقات. يهدف استخدام بيئة مُتحكّم بها إلى إزاحة الهواء وتوفير بيئة كيميائية لا تتفاعل مع الفولاذ.
يلعب الغلاف الجوي دورًا فعالًا في بعض العمليات. فالغاز الماص للحرارة يُضيف الكربون إلى سطح الفولاذ (الكربنة). أما الغلاف الجوي المحتوي على الأمونيا فيُضيف النيتروجين (النترجة). بينما يُقلل الغلاف الجوي المحتوي على الهيدروجين أي أكسيد سطحي موجود (التلدين اللامع). الغلاف الجوي الأمثل هو الذي يُوفر التركيب الكيميائي السطحي المطلوب ويمنع التفاعلات غير المرغوب فيها.
الأجواء القائمة على النيتروجين
يُعدّ النيتروجين أكثر أنواع الغازات الواقية استخدامًا في أفران الحزام الشبكي. فهو رخيص الثمن، ومتوفر بكثرة، وفعّال في العديد من العمليات. ويُناسب النيتروجين النقي عمليات التلدين اللامع للنحاس، وتخفيف الإجهاد في الفولاذ منخفض السبائك، والعمليات التي تُجرى عند درجات حرارة منخفضة تقل عن 700 درجة مئوية.
لا يُعدّ النيتروجين النقي مناسبًا لتصليد الفولاذ الكربوني عند درجات حرارة تتراوح بين 850 و880 درجة مئوية. والسبب هو أن النيتروجين لا يمنع إزالة الكربون في هذا النطاق الحراري، مما يؤدي إلى انخفاض محتوى الكربون في سطح الفولاذ. وتكون الطبقة المُزالة منها الكربون لينة، وقد تتسبب في تلف القطعة أثناء الاستخدام.
لتقوية الفولاذ الكربوني، يُستخدم عادةً غاز ماص للحرارة، مع إضافة كمية قليلة من الغاز الطبيعي أحيانًا لزيادة محتوى الكربون. يُنتج هذا الغاز الماص للحرارة بتفاعل الغاز الطبيعي مع الهواء في معوجة ساخنة عند درجة حرارة تتراوح بين 950 و1000 درجة مئوية، باستخدام عامل حفاز من النيكل. ينتج عن هذا التفاعل غاز يحتوي على حوالي 40% هيدروجين، و20% أول أكسيد الكربون، و40% نيتروجين، بالإضافة إلى كميات ضئيلة من الميثان وبخار الماء.
الغاز الماص للحرارة (الغاز الماص للحرارة)
يُعد الغاز الماص للحرارة الوسط الأساسي في عملية تقوية الفولاذ الكربوني في أفران الحزام الشبكي. ويتم التحكم في نسبة الكربون في الغاز عند القيمة المستهدفة لنوع الفولاذ (عادةً من 0.4 إلى 0.8 بالمئة)، حيث يقوم الغاز بإضافة أو إزالة الكربون من سطح الفولاذ للحفاظ على هذه النسبة المستهدفة.
يتم التحكم في جهد الكربون بواسطة محلل نقطة الندى أو محلل ثاني أكسيد الكربون بالأشعة تحت الحمراء. يقوم جهاز التحكم بتعديل نسبة الهواء إلى الغاز في المولد الماص للحرارة للحفاظ على القيمة المحددة. يعمل المولد الماص للحرارة عند درجة حرارة تتراوح بين 950 و1000 درجة مئوية، ويستهلك من 0.10 إلى 0.15 متر مكعب من الغاز الطبيعي لكل متر مكعب من الغاز الماص للحرارة المنتج.
من عيوب الغازات المستخدمة في عملية التحلل الداخلي تعقيد المولد. فالمفاعل، والمحفز، ونظام خلط الهواء والغاز، وحلقة التحكم في جهد الكربون، جميعها تتطلب صيانة دورية. ورغم أن مولدات الغازات الحديثة موثوقة، إلا أنه لا يزال يتعين على المشغل مراقبة جهد الكربون باستمرار واستبدال المحفز كل سنتين إلى ثلاث سنوات.
مخاليط الهيدروجين والنيتروجين للتلدين الساطع
تُخضع قطع الفولاذ المقاوم للصدأ وفولاذ الأدوات التي تتطلب سطحًا لامعًا وخاليًا من الأكسيد لعملية تلدين في مخاليط من الهيدروجين والنيتروجين، حيث تتراوح نسبة الهيدروجين عادةً بين 25 و75 بالمئة. يعمل الهيدروجين كعامل مختزل لتحويل أي أكسيد سطحي إلى معدن، بينما يعمل النيتروجين كغاز حامل ومخفف آمن.
تُستخدم أجواء الهيدروجين النقي أيضًا للحصول على ألمع التشطيبات، لكنها تتطلب تصميمًا مقاومًا للانفجار للأفران وأنظمة أمان شاملة. أما مخاليط الهيدروجين التي تتراوح نسبتها بين 25 و75% فهي أكثر أمانًا وتوفر معظم فوائد اللمعان بتكلفة رأسمالية أقل.
يُزوَّد خليط الهيدروجين والنيتروجين إما كغاز مُسبق الخلط من مُورِّد أو كغازات منفصلة تُخلط عند مدخل الفرن. تُتحكَّم نسبة الخلط بواسطة مُتحكِّمات تدفق الكتلة، وتُراقَب نقطة ندى الخليط باستمرار. تشير نقطة الندى المرتفعة (أكثر من -40 درجة مئوية) إلى وجود تسريب أو تلوث في إمدادات الغاز، ويجب إيقاف تشغيل الفرن حتى حل المشكلة.
تُصبح الأجواء الحاملة للهيدروجين قابلة للانفجار عند تركيزات تزيد عن 4% في الهواء. لذا، يجب تصميم فرن الحزام الشبكي بتسلسلات تنظيف مناسبة، واختبارات تسريب، وتهوية طارئة. تُصمم شركة مونتي إنتليجنس أفران الحزام الشبكي للعمل بالهيدروجين بأنظمة أمان احتياطية ودورة تنظيف مسبقة تُزيل الهواء من الفرن قبل كل عملية تسخين.
أجواء أساسها الأمونيا لعملية النترجة
في عملية النترجة للأجزاء المتخصصة، يُستخدم الأمونيا أو مخاليط الأمونيا والنيتروجين. يتحلل الأمونيا عند درجة حرارة النترجة (من 500 إلى 600 درجة مئوية) ليطلق النيتروجين الذري، الذي ينتشر في سطح الفولاذ. والنتيجة هي طبقة سطحية صلبة مقاومة للتآكل دون الحاجة إلى التبريد السريع.
تُستخدم أجواء الأمونيا في أفران الحزام الشبكي لإجراء عمليات النترجة بكميات كبيرة على الأجزاء الصغيرة. ويتراوح استهلاك الأمونيا عادةً بين 0.5 و1.5 متر مكعب في الساعة في الأفران الصغيرة. ويجب معالجة غازات العادم الخارجة من الفرن للتخلص من الأمونيا غير المتفاعلة قبل تصريفها.
مراقبة الغلاف الجوي والتحكم فيه
يجب مراقبة جو فرن الحزام الشبكي باستمرار. تشمل المعايير الرئيسية ما يلي: مسبار الأكسجين (لقياس نسبة الأكسجين)، وجهاز تحليل نقطة الندى (لقياس بخار الماء)، وجهاز تحليل الأشعة تحت الحمراء (لقياس أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون)، ومقاييس التدفق (لقياس معدلات إمداد الغاز). تُسجل البيانات باستمرار وتُستخدم في مراقبة العمليات وتوثيق الجودة.
تدمج أنظمة التحكم الحديثة في أفران الحزام الشبكي مراقبة الغلاف الجوي مع التحكم في درجة الحرارة. في حال انحراف التركيب الكيميائي للغلاف الجوي عن النطاق المحدد، يمكن لجهاز التحكم تعديل تدفق الغاز، أو تغيير نقطة ضبط جهد الكربون، أو إطلاق إنذار. يقلل هذا التكامل من عبء العمل على المشغل ويحسن من اتساق العملية.
معايير الاختيار
بالنسبة للمشترين الذين يحددون نظام التحكم في الغلاف الجوي، تتمثل الأسئلة الرئيسية فيما يلي: ما نوع التشطيب السطحي المطلوب، وما هي درجة الفولاذ، وما هي درجة حرارة العملية، وما هو مصدر الغاز المتاح. بعد ذلك، يتم اختيار نظام التحكم في الغلاف الجوي بناءً على هذه المعايير، مع تحديد نوع الغاز ومعدل تدفقه ونظام التحكم وأنظمة السلامة.
تحدث إلى مونتي إنتليجنس حول أنظمة الغلاف الجوي
بالنسبة للمشترين الذين يقيّمون أنظمة التحكم في الغلاف الجوي لأفران الحزام الشبكي، يمكن لشركة مونتي إنتليجنس الهندسية أن توصي بتكوين يتناسب مع العملية ومتطلبات تشطيب السطح. تفضل بزيارةwww.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html للاطلاع على دراسات الحالة. لمناقشة مشروع، يُرجى إرسال بريد إلكتروني إلى helenxu@cnlymonte.com مع كتابة "أجواء حزام الشبكة" في خانة الموضوع، بالإضافة إلى تفاصيل حول عملية التصنيع والتشطيب السطحي.
