El horno de forja es el equipo principal en cualquier taller de forja. Recibe lingotes o barras frías y las descarga a la temperatura precisa —normalmente entre 1150 y 1250 °C para la forja de acero— cada 30 a 90 segundos, las 24 horas del día, todos los días. La fiabilidad y la uniformidad de la temperatura son imprescindibles: un horno que se desvíe 30 °C del punto de ajuste puede arruinar la producción de un día, y un horno que se avería detiene la prensa o el martillo y obliga al equipo de forja a irse a casa.
MONTE INTELLIGENCE suministra hornos de forja a gas —tanto discontinuos (de solera móvil) como continuos (de empuje, de viga móvil, de solera rotativa)— a plantas de forja en Asia y Oriente Medio. Este artículo analiza los factores de diseño y operación que determinan el rendimiento de los hornos de forja.
La temperatura de forjado del acero se encuentra en el rango de trabajo en caliente, por encima de la temperatura de recristalización, donde el metal se ablanda y puede deformarse con fuerzas menores. Para aceros de carbono medio y aleados, el rango de temperatura de forjado suele ser de 1150 a 1250 °C. El límite superior viene determinado por la temperatura de fusión (aproximadamente 1250-1300 °C para muchos aceros) y por la velocidad de formación de cascarilla, que aumenta exponencialmente con la temperatura. El límite inferior viene determinado por la fuerza de forjado requerida y el riesgo de agrietamiento de la pieza.
La uniformidad de la temperatura en el horno de forja determina la uniformidad del flujo del metal durante el proceso. Un tocho que se encuentra a 1200 °C en un extremo y a 1150 °C en el otro fluirá de manera diferente en cada extremo, lo que podría causar problemas de llenado del molde, variaciones dimensionales o agrietamiento en el extremo más frío. El requisito estándar para la uniformidad de la temperatura en el horno de forja es de ±14 °C (Clase 5 según AMS 2750) a ±28 °C (Clase 6), lo cual es menos estricto que los requisitos de uniformidad del tratamiento térmico, ya que el proceso de forja posterior redistribuye el metal y cualquier pequeña variación de temperatura se compensa.
La velocidad de calentamiento para el forjado debe equilibrar la productividad con el riesgo de agrietamiento por tensión térmica en la pieza. Un lingote de acero para herramientas de 200 mm de diámetro, calentado desde temperatura ambiente a 100 °C por minuto, puede agrietarse debido a la tensión térmica entre la superficie caliente y el núcleo frío. La velocidad máxima de calentamiento segura depende del grado del acero, la sección transversal y la temperatura inicial. Los aceros con alto contenido de carbono y de alta aleación requieren velocidades de calentamiento más lentas que los aceros al carbono. Los lingotes fríos en invierno (que parten de 0 °C) requieren un calentamiento más lento que los lingotes precalentados mediante almacenamiento en un área cálida.
La formación de cascarilla es la oxidación de la superficie del acero durante el calentamiento en el horno de forja. La capa de cascarilla —óxido de hierro, FeO, Fe3O4, Fe2O3— representa una pérdida de material (normalmente del 1 al 3 % del peso de la pieza), acelera el desgaste de la matriz (la cascarilla es abrasiva y desgasta las superficies de la matriz de forja más rápido que el metal limpio) y supone un problema de acabado superficial (la cascarilla incrustada en la superficie de forja requiere un mayor margen de mecanizado).
La velocidad de formación de cascarilla depende principalmente de la temperatura y el tiempo. A 1200 °C, una palanquilla de acero al carbono expuesta al aire formará aproximadamente 0,1 mm de cascarilla en 15 minutos. Tras 60 minutos, el espesor de la cascarilla puede alcanzar entre 0,3 y 0,5 mm. Esta dependencia exponencial de la temperatura implica que un aumento de 50 °C en la temperatura del horno puede duplicar la velocidad de formación de cascarilla. Por ello, el control preciso de la temperatura tiene un valor económico que va más allá del ahorro energético: reduce directamente la pérdida de material por cascarilla.
La operación en atmósfera reductora —quemar el gas con una cantidad de aire inferior a la estequiométrica, produciendo CO e H₂ en los productos de combustión— puede reducir la formación de incrustaciones. El CO y el H₂ reaccionan con los óxidos de hierro, reduciéndolos a hierro metálico. Sin embargo, operar con exceso de combustible produce hollín, aumenta las emisiones de CO e introduce un riesgo para la seguridad (gases combustibles en el sistema de humos). En algunos hornos de forja se utiliza una condición moderadamente rica en combustible —entre un 5 % y un 10 % por debajo del aire estequiométrico, a menudo denominada llama reductora— para controlar las incrustaciones, pero requiere un ajuste preciso del quemador y una monitorización constante de los gases de combustión.
El rendimiento de un horno de forja continua depende de la longitud de calentamiento del horno, el tamaño de la palanquilla y el tiempo de calentamiento requerido. El tiempo de calentamiento para palanquillas de acero se puede estimar a partir de la sección transversal: aproximadamente 5-6 minutos por cada 25 mm de diámetro para palanquillas redondas calentadas en un horno de gas con agitación constante a 1200 °C. Una palanquilla de 100 mm de diámetro requiere aproximadamente 22-25 minutos para alcanzar una temperatura de forja uniforme. Con una longitud de calentamiento del horno de 6 metros y una separación entre palanquillas de 200 mm en el solera, el horno admite aproximadamente 30 palanquillas, y a 25 minutos por palanquilla, el rendimiento es de 30 / 25 × 60 = 72 palanquillas por hora.
La circulación de la atmósfera del horno —el movimiento de los gases calientes de combustión alrededor de las palanquillas— es el mecanismo de transferencia de calor por convección. La convección natural en un horno caliente proporciona cierta circulación, pero para lograr un calentamiento uniforme a alta velocidad, se necesitan ventiladores de recirculación. Estos ventiladores, generalmente instalados en el techo o las paredes laterales del horno, extraen los gases calientes de la cámara y los descargan de nuevo en ella a alta velocidad, creando un ambiente agitado que calienta uniformemente todas las superficies de las palanquillas.
Los hornos de forja MONTE INTELLIGENCE están diseñados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, con un revestimiento refractario robusto, quemadores de uso industrial y sistemas de control configurados para los ciclos térmicos que exigen las operaciones de forja.
Para obtener una propuesta de horno de forja basada en sus requisitos de producción, póngase en contacto con helenxu@cnlymonte.com.
