Nitretação a Plasma e a Gás: Comparação dos Processos do Ponto de Vista Ambiental

A nitretação a plasma e a gás já são processos essenciais em setores de negócios, como aeroespacial, engenharia mecânica, automotiva, tecnologia de segurança e muito mais. Para acompanhar os crescentes requisitos para o tratamento de superfície de materiais de aço e atualizar continuamente sua liderança em tecnologia, a empresa austríaca Rubig conta com intensa pesquisa e desenvolvimento no campo de equipamentos e na tecnologia de processos.

Como especialista em nitretação, a RUBIG constrói equipamentos para nitretação a gás e a plasma, a fim de aproveitar ao máximo os benefícios específicos do processo e oferecer soluções personalizadas para as aplicações dos clientes. A otimização de equipamentos e processos para atender às necessidades do cliente resulta em uma ampla variedade de recursos tecnológicos, como sistemas de forno sino verticais ou fornos poço, equipamentos de câmara horizontal, etc. e variações de processo especialmente desenvolvidas.

Novos desafios

“Além do aumento da taxa de enchimento, ou seja, o número máximo de peças que podem ser nitretadas ao mesmo tempo em uma única carga e a redução relacionada de custo por peça e o controle direto da temperatura das peças pelo equipamento, a melhoria na energia a eficiência está se mostrando cada vez mais importante”, afirma Thomas Müller, diretor administrativo da Rubig Industrial Furnaces. A tendência está oscilando para a nitretação a plasma, mais econômica.

Portanto, as principais razões para o desenvolvimento adicional da tecnologia de plasma são a eficiência e a preservação do meio ambiente. A empresa familiar austríaca já conseguiu reduzir consideravelmente a demanda de energia na nitretação a plasma, o que traz um alíviocsignificativo na carga ambiental. No entanto, a utilização da tecnologia de nitretação a gás ainda desempenha e desempenhará um papel no futuro para muitas aplicações. Portanto, a Rubig já está trabalhando para encontrar soluções sobre como reduzir o impacto ambiental e os níveis de emissão.

Vantagem econômica – um exemplo real da avaliação de impacto ambiental

O principal objetivo dessa avaliação de impacto ambiental é realizar uma comparação entre a nitretação a gás tradicional e a mais recente tecnologia de nitretação a plasma, a fim de analisar e avaliar todo o processo de produção da peça. O estudo selecionado investiga  efeito ambiental dos procedimentos e, portanto, analisa a capacidade competitiva do ponto de vista ambiental.

Considerando o objetivo, que é realizar uma revisão complexa dos processos, os processos subjacentes de cada método (como matéria-prima e suprimento de energia) também foram incluídos na análise. Ao mesmo tempo, a limpeza da peça não foi levada em consideração, pois não foi levada em consideração no estudo de Bell (1) e é necessário limpar as peças antes de ambos os processos. Igualmente, a parte investigada em si não é objeto do estudo, pois é idêntica para ambos os métodos, bem como para o transporte e a infraestrutura do equipamento de nitretação e dos processos anteriores.

A nitretação da peça de referência investigada, um dispositivo de acoplamento feito com material de classe 42CrMo4, é considerado uma função. Como uma unidade funcional, o “volume nitretado” é definido (volume nitretado [kg] = densidade da peça x profundidade  nitretada x superfície nitretada). O equipamento de nitretação a plasma usado tem uma capacidade volumétrica de 1,4 m3 e pode acomodar aprox. 500 peças de dispositivos de acoplamento para veículos com um fator de utilização de cerca de 80%. Em comparação, o equipamento de nitretação a gás investigado tem uma capacidade volumétrica de 1,1 m3 e pode conter apenas 340 peças por carga com um fator de utilização de aprox. 70% para nitretação.

Para verificar os resultados, foi utilizado um estudo do Prof. Tom Bell (1) para comparação. Este é o estudo que também trata de uma avaliação ambiental dos processos de carbonitrretação. Este estudo já demonstrou que o consumo de gás, bem como os níveis de
emissão do processo de carbonitretação a plasma, são muito mais baixos em comparação com o processo de carbonitretação a gás.

Comparar o consumo de gás de nitretação a plasma e oprocesso de nitretação por gás por unidade funcional [m3 / fE], bem como o consumo de gás por hora [m3 / h] padronizado para uma capacidade de carga padrão (500 dispositivos de acoplamento automotivo), alcançamos uma redução de 4 a 6 vezes. Os valores (consumo de gás por hora e emissões de NOx) de Bell são usados para comparação. As emissões de gases poluentes, como NOx, CO e CO2, são reduzidas em um fator entre 250 e 2.200. Por meio dessa comparação, podemos reconhecer instantaneamente que, no caso da nitretação por plasma, os fluxos de massa nos lados de entrada e de saída são consideravelmente mais baixos e, dessa maneira, essa é a combinação que limita o impacto ambiental negativo.

Como o consumo de energia elétrica desempenha um papel vital, especialmente no processo de plasma, ele é dividido em três áreas, como podemos ver na Figura 3. São consumo de energia elétrica para produção de plasma, energia para elementos de aquecimento e consumo residual de energia elétrica.

A maior proporção de energia elétrica é necessária para o estágio de aquecimento. É necessário menos energia durante o processo de nitretação – que dura muito mais tempo -, pois a energia de aquecimento é fornecida principalmente pelo plasma. O aumento do
consumo de energia elétrica residual no final do processo pode ser explicado pelo ventilador de refrigeração do ar. O consumo total de energia elétrica para esse processo de nitretação a plasma é de 707 kWh. Comparado a isso, o consumo de energia elétrica do processo de nitretação a gás a 1007 kWh é significativamente maior.

Para apresentar o resultado de maneira mais direta e fornecer um valor de referência ao estudo de Bell (1), este estudo também comparou o valor das emissões anuais usando uma frota de automóveis de passageiros como valor de referência. A frota de carros é composta por 100 veículos, com um desempenho médio anual de 15.000 km. O tempo de operação
durante o período de um ano é considerado.

Os resultados já estão fornecendo informações interessantes. Assim, é possível reconhecer que o consumo do equipamento de nitretação a gás é de aprox. 87% do processo de referência e, no caso de equipamento de nitretação a plasma, é de aprox. 36%. Dessa forma, é possível reduzir de maneira realmente impressionante 56% do consumo de energia primária, usando o processo de nitretação a plasma em comparação com a nitretação a gás.

As mudanças climáticas também foram examinadas com mais detalhes. Em comparação mútua, podemos reconhecer muito bem que, por um lado, por meio de uma taxa de fluxo de gás mais alta e, por outro lado, pela subsequente pós-combustão dos gases do processo
usados no procedimento de nitretação a gás, isso implica uma taxa muito mais alta do suprimento e consumo de gás no processo principal, o que resulta em um impacto significativamente maior do que no caso da nitretação a plasma correspondente.

A figura mostra a comparação do potencial de aquecimento global de uma frota de carros com o dos processos de nitretação. Aqui é possível reconhecer mais uma vez que o impacto ambiental de uma frota de 100 automóveis de passageiros com um desempenho anual de 15.000 km cada é consideravelmente mais alto que o do equipamento de nitretação a gás investigado e cerca de 4 vezes maior que o do equipamento de nitretação a plasma.

O instrumento de avaliação ambiental é um excelente método para que essas investigações obtenham mais resultados sobre aspectos ambientais de maneira sistemática e dentro de um período de tempo aceitável e, na maioria dos casos, oferece oportunidades para otimizar e melhorar medidas. O estudo poderia fornecer uma explicação muito clara da diferença de impactos ambientais entre a nitretação a plasma e a gás. A escolha da melhor tecnologia de nitretação para diversas aplicações depende de muitos fatores. No entanto, deve-se enfatizar que o exame dos impactos ambientais desempenhará um papel cada vez maior no campo do tratamento térmico no futuro.

Sobre o Grupo Rubig

Desde a sua criação em 1946, a Rubig evoluiu de uma pequena forjaria para um bem-sucedido centro de excelência em metais. Com instalações na Áustria, Alemanha, Eslováquia, EUA e China, o grupo de empresas forma uma rede de tecnologia internacionalmente eficaz. Cerca de 490 funcionários desempenham o papel do principal fator de incentivo ao desenvolvimento de tecnologia e inovações. A RUBIG Industrial Furnaces produz equipamentos de nitretação a plasma e gás como seu segmento premium, que provou seu valor em muitas aplicações – desde a prestação de serviços pagos de tratamento térmico, passando pela indústria
automotiva até aviação e energia eólica.

Fontes: Bell, Tom, Sun, Y. and Suhadi: A. Environmental and technical aspects of plasma nitrocarburising, Vacuum Surface Engineering, Surface Instrumentation & Vacuum Technologies, Vacuum 59, pp. 14 – 23. 2000

Em Português: Bell, Tom, Sun, Y. e Suhadi: A. Aspectos ambientais e técnicos da nitrocarbonetação a plasma, Engenharia de superfícies a vácuo, Instrumentação de superfície e tecnologias a vácuo, Vacuum 59, pp. 14 – 23. 2000

A RÜBIG é representada no Brasil por Industrial Heating Equipamentos e Componentes Ltda www.industrialheating.com.br
Contato: Ralph ralph@industrialheating.com.br,

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