Control de la atmósfera en hornos de cinta de malla: mezclas de nitrógeno, gas endotérmico e hidrógeno.
El control de la atmósfera es lo que diferencia un horno de tratamiento térmico de un horno de calentamiento y oxidación. Un horno con una atmósfera deficiente produce piezas con incrustaciones gruesas que no superan la inspección de calidad. Con la atmósfera adecuada, las piezas salen brillantes, limpias y listas para la siguiente operación. Esta diferencia es significativa. El costo de la atmósfera suele representar entre el 15 y el 25 por ciento del costo operativo de un horno de cinta transportadora, y el sistema de control de la atmósfera supone entre el 20 y el 30 por ciento del costo de capital del horno. Lograr un buen control de la atmósfera justifica la inversión.
Por qué importa la atmósfera
A temperaturas superiores a 500 grados Celsius, el acero reacciona con el oxígeno, el vapor de agua y el dióxido de carbono presentes en el aire. Estas reacciones forman una capa de óxido de hierro, descarburizan la superficie y dañan la pieza, inutilizándola para muchas aplicaciones. El objetivo de una atmósfera controlada es eliminar el aire y crear un entorno químico que no reaccione con el acero.
La atmósfera también desempeña un papel activo en algunos procesos. Los gases endotérmicos añaden carbono a la superficie del acero (carburización). Las atmósferas que contienen amoníaco añaden nitrógeno (nitruración). Las atmósferas que contienen hidrógeno reducen cualquier óxido superficial existente (recocido brillante). La atmósfera adecuada es aquella que proporciona la química superficial requerida y previene las reacciones no deseadas.
Atmósferas basadas en nitrógeno
El nitrógeno es la atmósfera protectora más utilizada en los hornos de cinta de malla. Es económico, fácilmente disponible y eficaz para numerosos procesos. El nitrógeno puro es adecuado para: el recocido brillante del cobre, el alivio de tensiones de aceros de baja aleación y procesos a bajas temperaturas inferiores a 700 grados Celsius.
El nitrógeno puro no es adecuado para el endurecimiento del acero al carbono a temperaturas entre 850 y 880 grados Celsius. Esto se debe a que el nitrógeno no previene la descarburación en este rango de temperatura, lo que provoca una disminución del contenido de carbono en la superficie del acero. La capa descarburada es blanda y puede causar fallas en la pieza durante su uso.
Para el endurecimiento del acero al carbono, la atmósfera estándar es un gas endotérmico, a veces con una pequeña adición de gas natural para enriquecer el potencial de carbono. El gas endotérmico se produce mediante la reacción de gas natural con aire en una retorta calentada a 950-1000 grados Celsius, con un catalizador de níquel. La reacción produce un gas con aproximadamente un 40 % de hidrógeno, un 20 % de monóxido de carbono, un 40 % de nitrógeno y trazas de metano y vapor de agua.
Gas endotérmico (Gas Endo)
El gas endotérmico es la atmósfera principal para el endurecimiento del acero al carbono en hornos de cinta de malla. El potencial de carbono del gas se controla al valor objetivo para el tipo de acero (normalmente de 0,4 a 0,8 por ciento de C), y el gas añade o elimina carbono de la superficie del acero para mantener dicho valor.
El potencial de carbono se controla mediante un analizador de punto de rocío o un analizador de CO2 infrarrojo. El controlador modula la relación aire-gas en el generador endotérmico para mantener el punto de ajuste. El generador endotérmico opera a una temperatura de entre 950 y 1000 grados Celsius y consume entre 0,10 y 0,15 metros cúbicos de gas natural por cada metro cúbico de gas endotérmico producido.
La desventaja del gas de endocombustión radica en la complejidad del generador. La retorta, el catalizador, el sistema de mezcla aire-gas y el circuito de control del potencial de carbono requieren mantenimiento. Los generadores de endocombustión modernos son fiables, pero el operador debe seguir controlando el potencial de carbono de forma continua y sustituir el catalizador cada 2 o 3 años.
Mezclas de hidrógeno y nitrógeno para recocido brillante
Las piezas de acero inoxidable y acero para herramientas que requieren una superficie brillante y libre de óxido se recocen en mezclas de hidrógeno y nitrógeno, con un contenido de hidrógeno que suele oscilar entre el 25 y el 75 por ciento. El hidrógeno actúa como agente reductor para convertir cualquier óxido superficial de nuevo en metal, y el nitrógeno actúa como gas portador y diluyente de seguridad.
Las atmósferas de hidrógeno puro también se utilizan para obtener el acabado más brillante, pero requieren un diseño de horno a prueba de explosiones y sistemas de seguridad exhaustivos. Las mezclas de hidrógeno entre el 25 y el 75 por ciento son más seguras y ofrecen la mayor parte del beneficio en cuanto a brillo con un menor costo de inversión.
La mezcla de hidrógeno y nitrógeno se suministra como gas premezclado procedente de un proveedor o como gases separados que se mezclan a la entrada del horno. La proporción de la mezcla se controla mediante reguladores de flujo másico y el punto de rocío de la mezcla se monitoriza continuamente. Un punto de rocío elevado (superior a -40 °C) indica una fuga o un suministro de gas contaminado, por lo que se debe apagar el horno hasta que se resuelva el problema.
Las atmósferas que contienen hidrógeno son explosivas a concentraciones superiores al 4 % en el aire. El horno de cinta transportadora debe diseñarse con secuencias de purga adecuadas, pruebas de fugas y ventilación de emergencia. MONTE INTELLIGENCE diseña hornos de cinta transportadora para servicio con hidrógeno con sistemas de seguridad redundantes y un ciclo de purga previa que limpia el aire del horno antes de cada ciclo de calentamiento.
Atmósferas a base de amoníaco para la nitruración
Para la nitruración de piezas especiales, se utilizan amoníaco o mezclas de amoníaco y nitrógeno. El amoníaco se descompone a la temperatura de nitruración (de 500 a 600 grados Celsius) liberando nitrógeno atómico, que se difunde en la superficie del acero. El resultado es una capa superficial dura y resistente al desgaste, sin necesidad de temple.
En los hornos de cinta transportadora de malla se utilizan atmósferas de amoníaco para la nitruración de piezas pequeñas en grandes volúmenes. El consumo de amoníaco suele ser de 0,5 a 1,5 metros cúbicos por hora en un horno pequeño. Los gases residuales de la salida del horno deben tratarse para eliminar el amoníaco no reaccionado antes de su descarga.
Monitoreo y control de la atmósfera
En un horno de cinta transportadora de malla, la atmósfera debe ser monitoreada continuamente. Los parámetros clave son: sonda de oxígeno (para el contenido de oxígeno), analizador de punto de rocío (para el vapor de agua), analizador infrarrojo (para CO y CO₂) y caudalímetros (para los caudales de suministro de gas). Los datos se registran continuamente y se utilizan para el control de procesos y la documentación de calidad.
Los modernos sistemas de control de hornos de cinta transportadora integran la monitorización de la atmósfera con el control de temperatura. Si la composición química de la atmósfera se desvía de las especificaciones, el controlador puede ajustar el flujo de gas, modificar el punto de ajuste del potencial de carbono o activar una alarma. Esta integración reduce la carga de trabajo del operario y mejora la consistencia del proceso.
Criterios de selección
Para los compradores que especifican el sistema de atmósfera controlada, las preguntas clave son: ¿qué acabado superficial se requiere?, ¿qué tipo de acero se utiliza?, ¿cuál es la temperatura del proceso? y ¿cuál es el suministro de gas disponible? El sistema de atmósfera controlada se adapta a estos parámetros, especificando el tipo de gas, el caudal, el sistema de control y los sistemas de seguridad.
Hable con MONTE INTELLIGENCE sobre sistemas atmosféricos.
Para los compradores que evalúan sistemas de atmósfera controlada para un horno de cinta de malla, la ingeniería de MONTE INTELLIGENCE puede recomendar una configuración que se ajuste al proceso y a los requisitos de acabado superficial. Visitewww.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Para estudios de caso. Para hablar sobre un proyecto, envíe un correo electrónico a helenxu@cnlymonte.com con el asunto "atmósfera de cinta de malla" e incluya detalles sobre su proceso y acabado superficial.
