Uma atmosfera com gás exotérmico pode prevenir a oxidação da superfície durante o tratamento térmico de metais. Esta coluna mostra como calcular a composição de uma atmosfera exotérmica em cada estágio da preparação e o potencial de oxidação da atmosfera em relação ao ferro. Os detalhes são mostrados na planilha em Excel ExoCalc.xlsx, disponível para download no nosso website www.industrialheating.com/ExoCalc.
A Equação 1 mostra a reação de combustão do metano com menos ar do que o estequiométrico. O valor de X deve ser suficiente para que o calor da reação seja o bastante para manter a temperatura da câmara entre 1.000 e 1.400°C. A evolução do calor produzido para este fim representa o nome de “exotérmico” aplicado a esta classe de atmosferas [1,2].
A composição da mistura do gás de combustão pode ser calculada pelo balanço de material mais a constante de equilíbrio da Equação 2, a reação de deslocamento gás-água (WGS – water – gas shift):
Geração da Atmosfera Exotérmica
Um gerador de gás exotérmico queima o gás natural (GN) na presença de um catalisador para um estado de quase equilíbrio, consumindo, desse modo, todo o oxigênio e praticamente todo o CH4. O gás quente é temperado por resfriamento para remover a maior parte do vapor de água. A Fig. 1 ilustra o fluxograma. As atmosferas exotérmicas são classificadas como “pobres” quando produzidas em proporções de ar/GN entre cerca de 85% e 95% da estequiométrica, e “ricas” quando a proporção de ar/GN é entre cerca de 50% e 85% da estequiométrica.
Procedimento de Cálculo
O exemplo aqui é para uma atmosfera rica que está queimando metano com 57% de ar estequiométrico (ar/CH4 com razão molar de 5,43) a 1.120°C. O exogás é preparado pela condensação de água do gás quente a 20°C, e então utilizado para recozer um aço a 1.050°C. Aqui se está como calcular a composição da atmosfera do forno e a sua tendência a oxidar o aço.
Primeiro, utilize a base de dados FREED [3] para obter as equações de calor contido, ponto de orvalho, log Kequil e ?H0form das substâncias a 25°C. Este procedimento é o mesmo utilizado nas colunas anteriores “Conceitos de Combustão” [4,5].
Depois, escreva um balanço de material e estabeleça uma relação de equilíbrio. Há quatro incógnitas (M, D, Y e X), então, precisamos de quatro equações. A Equação 1 mostra a estequiometria: M + D = 1, W + Y = 2 e M + 2D + W = 2X = 0,21(5,43) = 1,14. A Equação 2 equilibra as quatro espécies de gás de acordo com o valor de Kequil para o WGS.
A planilha de trabalho ExoCalc, mostra como resolver estas quatro equações para encontrar a composição do gás aquecido a 1.120°C. Resfriando o gás a 20°C (pH2O = 0,0226 atm) são removidos 0,825 moles de água, reduzindo o valor de W para 0,146. O aquecimento do exogás no forno de tratamento térmico reequilibra o gás pelo WGS. A Tabela 1 mostra as composições do gás e do exogás no forno.
A Equação 3 expressa o potencial de oxidação do exogás (pressão parcial de oxigênio ou pO2). A Equação 4 mostra a tendência à oxidação pela pO2 de equilíbrio ferro/wustita. A Tabela 2 indica a situação de oxidação para o gás quente do queimador e as condições do exogás.
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[1] ASM Committee on Furnace Atmospheres, Furnace Atmospheres and Carbon Control, Metals Park, Ohio [1964].
[2] Neme´nyi, Rezso, Controlled Atmospheres for Heat Treatment, edited by G.H.J. Bennett; [translated from the Hungarian by B. Gebora], Pergamon Press, [1984].
[3] www.thermart.net.
[4] Arthur Morris, “Calculating the Heat of Combustion of Natural Gas,” Industrial Heating, September 2012.
[5] Arthur Morris, “Making a Heat Balance,” Industrial Heating, December 2012.
