Na primeira parte dessa coluna apresentamos as características construtivas e a evolução dos equipamentos de atmosfera controlada para tratamentos térmicos e termoquímicos. Também apresentamos um resumo dos principais riscos e tipos de falhas que foram analisados e comentados na segunda parte da coluna, na edição anterior.
Nesta terceira e última parte faremos uma abordagem focada na manutenção e operação segura desses equipamentos.
Costumo dizer que mesmo com toda a segurança que o mundo da aeronáutica pode oferecer, sempre ouvimos histórias de quedas de avião. Fornos de atmosfera controlada são equipamentos que apresentam uma engenharia de construção formidável, no entanto, precisam ter manutenção e cuidados adequados para operarem em segurança.
Queda ou Falta de Energia Elétrica
Muitas vezes, durante o funcionamento de um equipamento de atmosfera controlada, podem ocorrer panes elétricas ou simplesmente falta de energia na planta em que o mesmo está instalado.
Esse tipo de falha pode provocar nos equipamentos aquecidos por resistência elétrica problemas como: riscos de explosão, combustão da atmosfera e fogo no óleo.
A queda de energia provoca logicamente a queda de temperatura do equipamento e, por isso, a entrada automática (via válvula solenóide NA no rack de gases) ou manual de nitrogênio para a purga é essencial para não provocar combustão da atmosfera abaixo de 750°C (temperatura abaixo da qual a mistura de gases da atmosfera se torna explosiva), principalmente em cargas de carbonitretação, que são realizadas em temperaturas inferiores às de cementação.
A falta de energia elétrica por tempo prolongado pode interromper o fluxo de água de refrigeração, danificando assim componentes vitais do equipamento, como o recirculador de gases (com a deterioração dos retentores e rolamentos).
É importante que esses equipamentos possuam um sistema de água de emergência que atue por gravidade. Os equipamentos atuais possuem a entrada automática de água de emergência na falta de energia, já para os equipamentos mais antigos essa operação é feita manualmente pelo operador, fechando-se o circuito normal e abrindo-se o circuito por gravidade.
A presença de um gerador de energia elétrica a diesel na empresa garante o bom funcionamento do equipamento em caso de falta de energia elétrica. Praticamente não se verifica queda de temperatura ou potencial de carbono na mudança da fonte de energia e a circulação de água não fica prejudicada.
Durante o período de falta de energia todos os queimadores pilotos (tampa de explosão e tubos de saída de gases das câmaras) devem permanecer acesos.
No retorno da energia elétrica, a porta de saída da câmara de resfriamento deve ser aberta durante a retomada de temperatura.
Nunca se deve introduzir os gases na atmosfera do forno com temperaturas abaixo de 750°C. Quando os gases começarem a entrar no equipamento, deve-se fechar a porta de saída da câmara de resfriamento.
Falha na Cortina de Chamas ou Chama Piloto
A cortina de chamas é talvez o dispositivo de segurança mais importante dos fornos de atmosfera controlada do tipo SQ.
Para fornos com entrada e saída distintas, a cortina de chamas na porta de entrada tem função de proteger a atmosfera na câmara de aquecimento e a cortina de chamas da porta de saída tem a função de impedir a combustão da atmosfera presente na câmara de resfriamento, onde a temperatura dos gases é inferior a 750°C.
Para fornos em que a entrada e saída da carga são feitas pela mesma porta, a cortina de chama tem função de proteção contra a combustão.
A ativação da cortina de chama e a checagem desta atuação devem estar intertravadas ao acionamento de abertura das portas do forno.
Deixar a checagem e a ativação da cortina por conta do operador é extremamente arriscado, afinal falhas humanas são imprevisíveis.
Após a remoção da carga e fechamento da porta (com a extinção do fogo da cortina), existe forte “contração” da atmosfera da câmara de resfriamento, num efeito similar ao que experimentamos quando fechamos a porta de um congelador (freezer).
A Fig. 1 apresenta o momento exato da explosão de uma porta em equipamento do tipo SQ, captado pelo circuito interno de câmeras de segurança da empresa.
A figura mostra que não houve a abertura da cortina de chama, possivelmente sob comando do operador, ocasionando forte explosão.
Pressão Interna do Forno
Todo equipamento de atmosfera controlada (SQ) deve trabalhar com pressão interna superior à pressão atmosférica.
Com a pressão levemente superior à atmosférica, evitamos que haja a entrada de oxigênio para dentro do forno e/ou tanque de óleo, evitando riscos de explosão e incêndio.
Essa pressão interna, geralmente entre 8 a 10 mmH2O, é oriunda do processo e é mantida como mais um auxiliar na segurança.
Os equipamentos do tipo SQ estão munidos com uma tampa de explosão no teto da câmara de resfriamento, sendo a selagem feita pelo próprio peso da tampa de modo que um pequeno aumento na pressão interna seja suficiente para abri-la.
A tampa é guiada no eixo com mola e após a abertura e alívio da sobrepressão, a mesma retorna para a posição anterior, mantendo a selagem. Além da tampa de explosão na câmara de resfriamento, existe uma saída lateral na tampa, com tubo e uma válvula gaveta com orifício calibrado para saída de gases da atmosfera. A passagem dos gases é feita pelo orifício calibrado (Fig. 2).
Além da tampa de explosão existe ainda montado no teto do forno, na câmara de aquecimento, um tubo com válvula gaveta para saída dos gases da atmosfera, esta válvula deve ser ajustada para manter o controle da pressão interna do forno. Pequenos entupimentos produzem aumento da pressão interna do equipamento, rapidamente acusados no painel de comando.
Os gases que saem são queimados pelo queimador piloto, que deve estar aceso constantemente. A equipe de manutenção deve periodicamente inspecionar a tampa de explosão, as válvulas gaveta e o tubo de saída para verificar se os mesmos estão funcionando livremente, limpos e isentos de fuligem/materiais estranhos.
Durante o mergulho da carga no tanque de óleo ocorre depressão na câmara de resfriamento, promovendo a entrada de oxigênio (do ar exterior) na câmara e, com isso, riscos de explosão.
Para evitar essa queda de pressão, recomenda-se a instalação de tubulação de nitrogênio com válvula solenóide para compensar a pressão negativa. O nitrogênio é injetado automaticamente comandado por um transdutor de pressão instalado na câmara de resfriamento.
Outro sistema de segurança presente nos fornos de atmosfera controlada do tipo SQ é o tubo sifão, localizado na caixa das correntes transportadoras, na parte inferior da câmara de aquecimento, que deve estar sempre cheio de óleo de têmpera.
Esse tubo sifão serve para a proteção da câmara de aquecimento no caso de transbordamento de óleo (Fig. 3). É importante salientar que a caixa das correntes, diferente do que alguns pensam, não deve ter presença de óleo para “lubrificação das correntes”, isso provoca fuligem na atmosfera e atrapalha o controle de potencial de carbono.
A falta de óleo no tubo sifão logicamente permitirá a entrada de oxigênio no forno em caso de depressão.A conexão T do tubo sifão deve estar sempre aberta e no mesmo nível do fundo da caixa das correntes transportadoras.
Vedação Deficiente
Os fornos SQ que estamos analisando nesse texto recebem o nome “Sealed Quench” (Têmpera Fechada/Vedada, em português) porque são exatamente isso, fornos vedados.
Vazamentos são comuns nesse tipo de equipamento e devem ser rapidamente encontrados e eliminados.Os vazamentos vão se formando com o tempo por diversas causas: vibrações, temperatura, falta de manutenção, erros operacionais etc.
Devido a vedações deficientes, pode ocorrer combustão da atmosfera e/ou óleo de resfriamento, pois o oxigênio pode estar presente quando do primeiro momento da têmpera, conforme visto anteriormente. Todo e qualquer manual de instruções para fornos dessa família recomenda a verificação periódica do assentamento das portas com os batentes, substituição de gaxetas de selagem e avaliação do funcionamento dos sensores de fim de curso de posição das portas.
Problema no Trocador de Calor do Óleo
Os equipamentos de atmosfera controlada possuem trocadores de calor para manter o óleo de têmpera na temperatura planejada e para baixar a temperatura do mesmo entre uma carga e outra (Fig. 4).Problemas ou entupimentos na tubulação de água do trocador de calor e/ou entre as placas do trocador podem prejudicar a eficiência do mesmo.
Um trocador de calor não atuante pode permitir a elevação da temperatura do óleo, acima do máximo permitido, iniciando a combustão.É muito importante a avaliação constante do fluxo e temperatura da água do sistema de resfriamento na lateral do forno. Todo operador deve ser treinado a checar, até várias vezes ao dia, o bom funcionamento desse sistema.
Recomenda-se que pelo menos uma vez por ano faça-se uma verificação das condições do trocador de calor do óleo, através da abertura, avaliação e limpeza das placas (Fig. 5).
Baixo Nível do Óleo de Têmpera
Caso não exista um programa de acompanhamento diário de um operador experiente, o nível de óleo no tanque de têmpera pode cair sensivelmente. Neste caso pode ocorrer o não “cobrimento” total da carga durante a têmpera, gerando superaquecimento superficial, e combustão no óleo.
Os equipamentos mais modernos possuem sistemas de alarmes de nível de óleo, que fornecem sinais ao CLP do equipamento para emissão de alarme áudio/visual. A Fig. 6 apresenta um sistema de detecção do nível de óleo no tanque de resfriamento.
Outra metodologia para avaliação do nível de óleo no tanque pode ser promovida pela checagem diária na caixa de abastecimento na lateral do equipamento com a instalação de marcador do nível de óleo, que indica a altura mínima que o óleo deve estar. A checagem diária do nível de óleo deve ser registrada em check-list de produção, conforme recomendações da Seção 3 da CQI-9.
Problemas no Elevador de Têmpera (Carga Parcialmente Submersa)
Durante a passagem da carga da câmara de aquecimento para a câmara de resfriamento, problemas mecânicos sérios podem acontecer com a corrente transportadora e com o elevador.Erros de regulagem do fim de curso, quebras de corrente ou problemas pneumáticos podem ocasionar a descida do elevador antes da carga estar acomodada sob o mesmo, gerando “capotamento” da carga.
Com a carga parcialmente submersa, o risco de combustão da superfície do óleo é muito elevado. Nesse caso, o operador deve manter as portas fechadas e garantir a injeção de nitrogênio até a remoção completa da atmosfera anterior.
Espaços Confinados
Vazamentos ou gases utilizados na purga podem criar nos fornos ambientes com déficit de oxigênio.Gases também podem ser liberados dos tijolos refratários (onde estavam retidos) e provocar intoxicação do técnico durante a manutenção.
Durante alguns tipos de manutenção interna no forno, como troca de refratários e limpeza periódica do tanque de óleo, deve-se tomar todo o cuidado para que mecânicos não entrem nesses espaços confinados sem a devida autorização da equipe de segurança e portando equipamentos/controles associados à NR-33.
Dentre os principais sintomas da intoxicação por monóxido de carbono e falta de oxigênio podemos destacar: tonturas, irritabilidade, perda de memória, desorientação, dor muscular, náusea, vômitos e dores no peito.
Recomenda-se a ventilação do ambiente por meio de ventiladores externos. Outra recomendação é o total travamento das portas utilizando pinos de segurança e travamento do painel elétrico e entrada de gases com cadeados adequados.
Água no Óleo
Uma das maiores preocupações relacionada aos óleos de têmpera é a presença de água nos mesmos. A presença excessiva de água no óleo é perigosa pelo fato de que durante o resfriamento da carga haverá a formação de vapor, resultando em expansão de volume de aproximadamente 7 vezes. As microbolhas de vapor que saem do tanque estão revestidas de óleo e ao sair do forno em alta pressão acabam se incendiando, resultando grande evolução de chamas.
A presença de água no óleo em grande quantidade também pode gerar um efeito “leite fervendo” durante o resfriamento, fazendo com que o óleo transborde do tanque.
A análise trimestral do óleo deve obrigatoriamente determinar a quantidade de água presente. Para reduzir a quantidade de água presente no óleo, recomenda-se a elevação da temperatura do mesmo acima de 100°C (com recirculação), no equipamento sem gases e com a porta de saída da câmara de resfriamento aberta.
No circuito do trocador de calor a pressão do óleo deve ser ligeiramente maior que a pressão da água para, no caso de vazamento, o óleo entrar na água e não a água entrar no óleo.
Conclusão
Os fornos de atmosfera controlada, principalmente os do tipo SQ, são equipamentos consagrados e extremamente versáteis para o tratamento térmico e termoquímico de peças de diferentes geometria e aplicações. Seu funcionamento aparentemente simples gera nos operadores a falsa impressão de total controle sobre o mesmo e também de que não existem riscos envolvidos.
Os diversos pontos apresentados nesse texto mostram que os equipamentos de atmosfera controlada são extremamente perigosos quando operados ou mantidos por profissionais sem preparo ou sem responsabilidade.
De maneira alguma esse texto buscou esgotar o assunto ligado à segurança de fornos de atmosfera controlada. Seu principal objetivo foi alertar e iniciar discussões sobre o risco existente em empresas que utilizam equipamentos modificados e sem equipe treinada para a operação.
Referências
1. What Should You Know About Atmosphere Technology. Ipsen International GmbH, 2007;
2. Herring, D.H. Health & Safety in the Heat-Treat Shop. Industrial Heating Web Site;
3. Herring, D.H. NFPA 86 and Furnaces Operating Below 1400ºF (760ºC). Industrial Heating, 2009;
4. National Fire Codes. Vol. 5 – Standard for Ovens and Furnaces – NFPA 86 – Report of the Committee on Ovens and Furnaces, 2003.
