El ambiente dentro de un horno de cinta transportadora no es simplemente aire caliente, sino un entorno químico controlado con precisión que determina si las piezas salen brillantes y limpias o oxidadas y descarburizadas. El control de la atmósfera distingue a un proveedor de tratamientos térmicos de calidad de uno mediocre.
Los hornos de cinta de malla MONTE INTELLIGENCE funcionan con diversos sistemas de atmósfera controlada según los requisitos del proceso. Este artículo describe los tres tipos de atmósfera controlada más comunes, sus equipos de generación y los parámetros de control que determinan la calidad de la atmósfera.
El gas endotérmico —o gas endotérmico en los talleres de tratamiento térmico— es la atmósfera principal para el endurecimiento neutro, la carburación y la carbonitruración de piezas de acero. Se produce mediante la reacción de gas natural (o propano) con aire en un generador externo a unos 1050 °C, sobre un catalizador de níquel. La reacción es aproximadamente CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, produciendo un gas con una composición aproximada de 20 % de CO, 40 % de H2 y 40 % de N2 en volumen.
El potencial de carbono del gas de endo —su capacidad para añadir o eliminar carbono de la superficie del acero— depende de la relación CO/CO₂ y de la temperatura del horno. A 850 °C, un gas de endo con un punto de rocío de +5 °C tiene un potencial de carbono de aproximadamente 0,35 % C. Reducir el punto de rocío a -5 °C aumenta el potencial de carbono a alrededor de 0,60 % C. Esta relación se rige por la reacción de desplazamiento del gas de agua: CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂, lo que significa que controlar el contenido de vapor de agua (punto de rocío) controla el potencial de carbono.
El generador endotérmico es un componente fundamental. Consiste en una retorta calentada, rellena de catalizador de níquel, por donde circula la mezcla de aire y gas. La reacción es endotérmica (absorbe calor), de ahí su nombre. La retorta opera a 1000-1100 °C y debe estar fabricada con una aleación de alta temperatura, generalmente RA330 o Incoloy 800HT, con una vida útil prevista de 3 a 5 años de funcionamiento continuo. La falla de la retorta es una causa común de paradas no planificadas del horno, por lo que toda planta de tratamiento térmico que utilice gas endotérmico debería tener una retorta de repuesto.
El catalizador del generador se degrada con el tiempo debido a la deposición de carbono (coquización) y al envenenamiento por azufre del gas natural. El azufre es el principal problema: el catalizador de níquel se envenena permanentemente con azufre incluso a concentraciones tan bajas como unas pocas partes por millón. Las especificaciones del gas natural suelen permitir hasta 30 ppm de azufre, lo que supera con creces la tolerancia del catalizador. Es fundamental instalar un lecho de eliminación de azufre —de carbón activado u óxido de zinc— antes del generador, y este lecho debe cambiarse cada 6 a 12 meses, según el contenido de azufre del gas.
La atmósfera de nitrógeno-metanol es la alternativa al gas endo para plantas que no desean operar un generador de endo. Esta atmósfera se crea inyectando metanol líquido (CH3OH) y nitrógeno gaseoso directamente en el horno. A la temperatura del horno, el metanol se disocia: CH3OH → CO + 2 H2, produciendo la misma proporción 1:2 de CO:H2 que el gas endo. El nitrógeno diluye la mezcla para lograr el potencial de carbono deseado.
La ventaja del metanol-nitrógeno radica en su simplicidad: no requiere generador, catalizador ni retorta. El sistema consta de un tanque de almacenamiento de metanol líquido, un suministro de nitrógeno (tanque de nitrógeno líquido o generador de nitrógeno de membrana), paneles de control de flujo y boquillas de inyección en el horno. El arranque se realiza en minutos, en lugar de las horas necesarias para calentar un generador de nitrógeno endotelial.
La desventaja radica en el costo. El metanol líquido es más caro por unidad de atmósfera producida que el gas natural. Con precios típicos de metanol de entre 0,40 y 0,60 dólares por litro, el costo por atmósfera para un horno de cinta transportadora que consume 40 litros de metanol por hora es de entre 16 y 24 dólares por hora, o entre 380 y 580 dólares por día de operación continua. Un generador de endo que utiliza gas natural produce el mismo volumen de atmósfera por un 30-40% menos. La elección entre ambos se reduce a la relación entre el costo de capital y el costo operativo, y a si la planta cuenta con la capacidad de mantenimiento necesaria para operar un generador de endo de manera confiable.
El amoníaco disociado se utiliza para el recocido brillante de acero inoxidable, cobre y latón, procesos en los que la atmósfera debe ser reductora pero no carburizante. El amoníaco anhidro (NH3) se disocia en una unidad externa: 2 NH3 → N2 + 3 H2, produciendo un gas compuesto por un 75 % de hidrógeno y un 25 % de nitrógeno en volumen. Esta atmósfera es fuertemente reductora (el alto contenido de hidrógeno reduce cualquier óxido metálico en la superficie de la pieza) y no contiene carbono, por lo que no existe riesgo de carburización ni descarburación.
El disociador opera a unos 950 °C con un catalizador de hierro-níquel en una retorta similar a un generador endotérmico, pero de menor tamaño, ya que la reacción de disociación del amoníaco es más sencilla y rápida. El suministro de amoníaco requiere un manejo cuidadoso: el amoníaco anhidro es un producto químico peligroso que requiere almacenamiento específico, detección de fugas y procedimientos de respuesta ante emergencias. El gas disociado es inflamable debido a su alto contenido de hidrógeno y debe manipularse siguiendo las prácticas de seguridad de gases adecuadas.
La instrumentación para el control de la atmósfera ha evolucionado desde la medición manual del punto de rocío hasta el control automatizado del potencial de carbono. El método moderno utiliza una sonda de oxígeno (sensor de circonia) insertada directamente en la zona caliente del horno. La sonda mide la presión parcial de oxígeno en la atmósfera del horno, a partir de la cual se calcula el potencial de carbono en función del contenido de CO y la temperatura del horno. La señal de la sonda controla la adición de gas de enriquecimiento (gas natural o propano) para mantener el punto de ajuste del potencial de carbono.
Las sondas de oxígeno requieren mantenimiento periódico. La punta de la sonda debe limpiarse de hollín y depósitos de carbono, generalmente cada 1 a 3 meses, según el potencial de carbono que se esté manteniendo. La sonda debe calibrarse con una referencia —ya sea mediante análisis de carbono de láminas de ajuste o con un medidor de punto de rocío portátil— al menos trimestralmente. Una sonda con una desviación del 0,05 % en la lectura del potencial de carbono puede producir piezas con una dureza HRC entre 1 y 2 puntos inferior a la deseada, lo que puede marcar la diferencia entre un lote aprobado y uno reprobado.
MONTE INTELLIGENCE suministra hornos de cinta transportadora con sistemas de atmósfera integrados, que incluyen generadores endotérmicos, paneles de nitrógeno-metanol y disociadores de amoníaco. También proporcionamos instrumentación para el control de la atmósfera y asistencia para la puesta en marcha.
Para obtener las especificaciones del sistema de atmósfera para su proceso de tratamiento térmico, póngase en contacto con helenxu@cnlymonte.com.
