La problematica del trattamento termico di camere chiuse

Lo spunto per l’approfondimento di una problematica sui trattamenti termici di particolari che abbiano delle camere non opportunamente forate viene da un fatto realmente accaduto all’interno della nostra azienda. Il trattamento termico di un cilindro metallico cavo lungo 172 cm con diametro 17,5 cm non opportunamente dotato di fori di sfiato dal costruttore, ha provocato lo scoppio del tubo stesso, con danneggiamento sia alla carica, che all’infrastruttura del forno.

Quantificati i danni, fortunatamente solo materiali, la priorità rimaneva l’approfondire quali fossero state le cause dell’esplosione in un trattamento termico eseguito in aria (senza atmosfera controllata e senza la presenza di gas carburante o miscele esplosive).

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Il fatto

Nel corso di una ricottura in forno a 580°C si e verificata una rottura del forno in varie zone con danneggiamenti alle pareti interne fino allo sfondamento di una zona, si è costatato in particolare il grave danno a un rullo privo dei due tappi saldati e con un’estremità lacerata a margherita per più di metà della sua circonferenza.

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Considerazione sull’evento

Sulla base delle osservazioni dei danni del tubo e di quelli del forno riportati nelle foto, che riconducono in ogni caso ad un aumento di pressione all’interno del rullo presente sulla carica di ricottura, l’evento può essere stato generato da:

1- Presenza di sostanze esplosive,

2- Esplosione di miscela gassosa (gas, vapori, nebbie),

3- Scoppio per raggiungimento della massima pressione di resistenza originata dalla presenza di liquidi all’interno del tubo,

4- Presenza di sostanze reattive

Lo studio realizzato da un ente specializzato in danneggiamenti generati da “fenomeni esplosivi” ha dimostrato che la causa più probabile e quella del punto 3. Di seguito un estratto di questo studio dove si elencano in modo dettagliato le cause del evento.

Per comprendere come possa essersi verificato l’incidente con il danneggiamento del tubo e del forno di ricottura riportiamo la serie degli eventi che verosimilmente lo hanno concretizzato:

  • il tubo contiene del liquido e/o delle polveri rimaste casualmente all’interno,
  • il progressivo aumento della temperatura del forno, fino a circa 580°C, genera la vaporizzazione del liquido con il valore di pressione corrispondente alla tensione di vapore. Considerando la quantità di liquido (3578 cm3) calcolata dalle tracce all’interno del tubo si può raggiungere un valore di pressione di centinaia di bar (almeno superiore a 160 bar a 345,7°C considerando il volume specifico del vapore saturo di 0,00955 m3/kg calcolato supponendo il liquido costituito da acqua, il volume del tubo pari a 34163 cm3 e il peso di acqua pari a 3578 g),
  • le polveri di alluminio e ossido di ferro all’interno del tubo, potrebbero essere state localizzate anche tra tappo e flangia, sono innescati dall’alta temperatura del forno,
  • l’accensione delle polveri tenendo conto della temperatura di circa 2700°C che raggiunge la reazione tra le polveri genera un aumento significativo della pressione che fa saltare i tappi,
  • l’aumento di pressione tra il tappo e la flangia raggiunge valori che provocano la deformazione a ombrello rovesciato del tappo e della flangia considerando le polveri localizzate in questa zona,
  • la pressione all’interno del tubo avendo superato quella di resistenza dei due tappi genera l’espulsione degli stessi,
  • la fuoriuscita dell’atmosfera gassosa interna determina lo spostamento del tubo per reazione. Il tubo si sposta in direzione opposta allo squarcio della parete dato che l’estremità verso lo squarcio è tutta libera mentre l’altra estremità non è del tutto libera per la conformazione del Il tappo pur essendo stato espulso non riesce a rendere disponibile l’area di sfogo a causa della vicinanza di un altro manufatto metallico oltre ad avere attaccata anche la flangia,
  • l’elevato valore della pressione nella zona tra tappo e flangia un attimo prima della rottura dei tappi genera l’apertura a margherita dell’estremità facilitata anche dallo spostamento del tubo che toccando altri pezzi ha innescato alcune fratture,
  • il tappo dell’estremità lacerata dopo l’espulsione impatta sul pezzo vicino come chiaramente mostrano le impronte,
  • l’altro tappo all’estremità non lacerata impatta violentemente sulla parte inferiore del manufatto a forma di bidone producendo a sua volta con la parte inferiore opposta lo squarcio sulla parete del forno,
  • la fuoriuscita dell’atmosfera gassosa dal tubo genera una reazione del tubo ossia una forza che smuove il fascio dei rulli che a sua volta smuove di conseguenza tutti i manufatti vicini che essendo adiacenti alle pareti del forno rendono facile la rottura del refrattario delle pareti,
  • il vigoroso flusso gassoso dal tubo completa la rottura e la caduta dei pannelli di refrattario con le relative resistenze.

Raccomandazioni:

 – Evitare assolutamente le camere chiuse all’interno dei pezzi che devono subire trattamenti termici ad alta temperatura.

 – E un obbligo di tutti i progettisti avere la consapevolezza del pericolo, e per conseguenza controllare che i manufatti con camere chiuse non siano consegnati in trattamento termico.

 

Bibliografia e referenze:

[1] Relazione tecnica su cilindro cavo danneggiato – Ing. Nicola Mazzei