Proces znany od ponad stu lat – azotowanie gazowe – doczekał się technologii, która jest prawdziwym „game changerem” w zakresie obróbki cieplnej metali. Metoda ZeroFlow® wdrożona do globalnego przemysłu przez SECO/WARWICK we współpracy z naukowcami z jednej z najlepszych uczelni technicznych w Polsce – Politechniki Poznańskiej – ogranicza koszty procesu i jest kilkukrotnie bardziej ekologiczna.
O tym, dlaczego piece ZeroFlow® z technologią azotowania są tak dużą rewolucją technologiczną oraz które branże najbardziej na tej metodzie mogą skorzystać, opowiada dr inż. Maciej Korecki, wynalazca i promotor nowoczesnej obróbki cieplnej, a w Grupie SECO/WARWICK, Wiceprezes Segmentu Pieców Próżniowych.
Azotowanie gazowe stali to proces, który liczy sobie ponad 100 lat. Jak proces ten proces wyglądał kiedyś, a jak wygląda dziś?
Maciej Korecki: To prawda. Azotowanie jest jednym z najpowszechniej stosowanych procesów obróbki cieplno-chemicznej do wytwarzania powierzchniowych warstw utwardzonych. Dziś używane jest wszędzie tam, gdzie produkuje się części stalowe np.: koła zębate, tuleje, wałki, matryce, stemple czy formy, głównie w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym, lotniczym, wydobywczym czy narzędziowym itp.
Historycznie zaczęło się od azotowania w czystym amoniaku, lecz napotkano trudności w kontroli i powtarzalności wyników procesu. Następnie przez ponad 100 lat, do czasów obecnych dodawano różne gazy do amoniaku, aby proces kontrolować, zresztą z sukcesem. Współcześnie, do azotowania gazowego używa się regulowanej w składzie mieszaniny amoniaku i gazów „rozrzedzających”, przede wszystkim w postaci zdysocjowanego amoniaku lub azotu, dzięki którym kontroluje się potencjał azotowy, stanowiący podstawowy „napęd” procesu azotowania. Cechą charakterystyczną jest konieczność zapewnienia ciągłego przepływu atmosfery przez piec, czyli dopływu i odpływu. Najnowszym osiągnięciem technologicznym w tym procesie jest azotowanie gazowe metodą ZeroFlow®. Jest to metoda, która pozwala znacznie redukować koszty procesu, a jednocześnie chronić środowisko naturalne.
Na czym polega azotowanie gazowe metodą ZeroFlow®?
M.K.: Azotowanie metodą ZeroFlow jest azotowaniem gazowym na bazie amoniaku. Wyróżnia się tym, że potencjał azotowy regulowany jest poprzez wprowadzenie odpowiedniej porcji amoniaku w odpowiednim czasie i tylko amoniaku, zamiast ciągłego przepływu mieszanki amoniaku i gazu rozrzedzającego. W konsekwencji metoda ZeroFlow zużywa minimalną ilość amoniaku, potrzebną do uzyskania wymaganego potencjału azotowego i uzupełnienia azotu w atmosferze, z uwzględnieniem sytuacji, kiedy to amoniak nie jest dostarczany do pieca w ogóle, brak przepływu, stąd sugestywna nazwa rozwiązania Zero (brak) Flow (przepływ). Użycie samego amoniaku w procesie azotowania, powoduje, że mamy do czynienia z reakcją stechiometryczną (w przeciwieństwie do niektórych metod tradycyjnych), czyli jednoznacznie zdefiniowaną i przewidywalną, dodatkowo, na podstawie monitorowania jednego składnika atmosfery. Dlatego proces ZeroFlow kontroluje bardzo precyzyjnie analizator tylko jednego gazu, uzyskując poprawę jakości i powtarzalności rezultatów w porównaniu do różnych metod tradycyjnych.
Skąd wziął się pomysł na metodę ZeroFlow – jak długo SECO/WARWICK pracowało nad tą technologią?
M.K.: Można stwierdzić, że ZeroFlow to powrót do źródeł, do podstaw procesu azotowania, poprzez użycie samego amoniaku bez żadnych dodatkowych gazów. Wynalazcą metody jest prof. Leszek Małdziński z Politechniki Poznańskiej, który opracował podstawy teoretyczne i potwierdził je w badaniach. Następnie, ponad 10 lat temu, w ramach partnerskiej współpracy pomiędzy SECO/WARWICK i Politechniką Poznańską rozpoczęto projekt opracowania i budowy pierwszego przemysłowego pieca, przeznaczonego do realizacji procesów azotowania metodą ZeroFlow. Piec został uruchomiony w dziale badań i rozwoju SECO/WARWICK (SECO/LAB®), gdzie metoda została wdrożona i potwierdzona na dziesiątkach procesów w skali przemysłowej. Projekt trwał kilka lat i zaangażowanych w niego było kilkudziesięciu naszych inżynierów oraz pracowników naukowych z Politechniki Poznańskiej.
Czy azotowanie metodą ZeroFlow® umożliwia uzyskanie takich samych rezultatów jak przy innych metodach azotowania gazowego?
M.K.: Zdecydowanie tak. Metoda ZeroFlow jest kompletną i wszechstronną alternatywą każdego procesu azotowania gazowego. Można wytworzyć warstwę o dowolnej strukturze i grubości oraz realizować różnie opcje technologiczne, jak azoto-nawęglanie ferrytyczne i utlenianie. Jednocześnie jest to metoda, która zapewnia ogromne benefity tym, którzy zdecydują się z niej skorzystać. Najważniejszą zaletą jest minimalizacja zużycia amoniaku i emisji gazów po-procesowych. Uproszczona instalacja gazowa i pomiarowa oraz zwiększona dokładność kontroli procesu przekłada się w bezpośredni sposób na zmniejszenie kosztów procesu i dbałość o ochronę środowiska naturalnego, przy jednoczesnej poprawie jakości produkcji.
Co wpływa na zapotrzebowanie gazów w procesach azotowania oraz na koszty procesów azotowania?
M.K.: Jeśli chodzi o koszty, to wpływ ma przede wszystkim zużycie energii do osiągnięcia i utrzymania podwyższonej temperatury procesu oraz gazów do azotowania. Na zapotrzebowanie gazów główny wpływ ma sposób i jakość regulacji potencjału azotowego. W tradycyjnych rozwiązaniach zadany potencjał azotowy otrzymuje się stosując, ciągły przepływ atmosfery w ilości wynikającej z przyjętej metody i kondycji pieca, generalnie z dużym nadmiarem w porównaniu do zapotrzebowania wsadu. Można to porównać do utrzymania stałego poziomu wody w dziurawym wiadrze, gdzie musi być zapewniony ciągły dopływ wody zależny od wielkości dziury. Metoda ZeroFlow, zużywa optymalną i minimalną ilość amoniaku, konieczną do dostarczenia wymaganej ilości azotu do powierzchni obrabianych części. W tym przypadku wiadro jest szczelne, nie ma wycieku. Bazując na przykładach – Jeden z naszych klientów – renomowana firma z branży motoryzacyjnej – zużywała rocznie ok. 160 ton amoniaku w procesach azotowania tradycyjnego. Po wdrożeniu ZeroFlow zużycie spadło do ok. 20 ton rocznie. To oznacza zmniejszenie zużycia amoniaku aż o 87,5%.
Czy to oznacza, że azotowanie metodą ZeroFlow jest procesem ekonomicznym i ekologicznym?
M.K.: Zdecydowanie tak. Zużywa wielokrotnie mniej amoniaku, jednego z głównych czynników kosztowych procesu oraz podobnie emituje wielokrotnie mniej gazów wylotowych w tym finalnie tlenków azotu (NOx), co istotnie wpływa na proekologiczny charakter ZeroFlow.
O rozmówcy
Maciej Korecki
Jest absolwentem Uniwersytetu Zielonogórskiego, gdzie w 1988 r. uzyskał tytuł magistra inżyniera elektrotechniki. Uzyskał tytuł doktora inżyniera na Wydziale Mechanicznym Politechniki Łódzkiej w 2008 r. w obszarze projektowania i badania pieców próżniowych. Jest autorem licznych międzynarodowych patentów SECO/WARWICK i regularnie prowadzi techniczne prelekcje na międzynarodowych konferencjach, specjalizując się w technologii próżniowej obróbki cieplnej. Swoją karierę rozpoczął w Eltermie w 1988 roku jako inżynier serwisu pieców próżniowych. W 1991 dołączył do SECO/WARWICK, gdzie zdobywał kompetencje w obszarze techniki i procesów oraz rozwoju i innowacji, specjalizując się w nawęglaniu próżniowym i hartowaniu w gazie pod wysokim ciśnieniem.
Aktualnie Wiceprezes Segmentu Pieców Próżniowych, na które to stanowisko został powołany przez Zarząd SECO/WARWICK w 2012 r. Dr inż. Maciej Korecki aktywnie działa na rzecz rozwoju i doskonalenia urządzeń i procesów próżniowej obróbki cieplnej i ich zastosowania w nowych obszarach przemysłowych i technologicznych. Jest wynalazcą i promotorem próżniowej obróbki cieplnej metodą „single-piece flow”.
