Sistemas de combustión para hornos de hogar móvil: tubos radiantes, quemadores y recirculación.
Un horno de solera móvil es un recipiente para tratamiento térmico, no una cámara de combustión. La combustión se produce dentro de tubos radiantes o detrás de paredes refractarias, y el calor llega a la pieza de trabajo por radiación, convección o una combinación de ambas. La elección del sistema de combustión determina la atmósfera del horno, la uniformidad de la temperatura, la eficiencia energética y el coste de mantenimiento. Si se elige incorrectamente, el tratamiento térmico fallará: descarburación, incrustaciones, dureza irregular. Si se elige correctamente, el funcionamiento será fiable durante décadas.
Así es como funciona realmente el sistema de combustión.
Comience con el tubo radiante.
Un tubo radiante es un tubo sellado de metal o cerámica que contiene el proceso de combustión. El quemador se enciende dentro del tubo, los gases calientes de la combustión fluyen a través de él y el tubo irradia calor a la cámara del horno. La pieza de trabajo nunca está expuesta directamente a los gases de combustión. La atmósfera en la cámara del horno se controla de forma independiente, generalmente mediante la inyección de un gas protector como el nitrógeno o manteniendo una ligera presión positiva para evitar la entrada de aire.
Los tubos radiantes están fabricados con tres materiales principales.
Los tubos de aleación fundida, generalmente HK40 (25 % Cr, 20 % Ni, el resto Fe) o HU (18 % Cr, 38 % Ni, el resto Fe), soportan temperaturas de hasta 1050 °C en servicio continuo. Son pesados, costosos y tienen una vida útil limitada (normalmente de 5 a 10 años en un horno bien operado). Los tubos de aleación fundida son la herramienta fundamental de la industria del tratamiento térmico.
Los tubos cerámicos, generalmente de carburo de silicio (SiC) o alúmina, soportan temperaturas más elevadas (hasta 1250 °C para el SiC y 1400 °C para algunos grados de alúmina). Son más ligeros y térmicamente más eficientes que las aleaciones fundidas, pero también más frágiles y costosos. Se utilizan en hornos de alta temperatura (superiores a 1050 °C) y en aplicaciones donde el peso del tubo es un factor importante (tubos de gran tamaño, montaje en techo).
Los tubos metálicos, generalmente de Inconel 600 o 601, se utilizan en hornos de baja temperatura (por debajo de 950 °C) o en aplicaciones donde el tubo es recto y las condiciones de funcionamiento son suaves. Los tubos metálicos son la opción más económica, pero tienen una vida útil más corta a altas temperaturas.
La geometría de los tubos depende de la disposición del horno.
Los tubos rectos, que suelen medir entre 1,5 y 3 metros de largo y entre 100 y 200 mm de diámetro, son el diseño más sencillo. El quemador se enciende en un extremo, los gases de escape salen por el otro y el tubo irradia calor a lo largo de su longitud. Los tubos rectos son adecuados para hornos pequeños y medianos.
Los tubos en U o en W, que suelen medir entre 2 y 4 metros de largo y cuentan con uno o dos codos de retorno, permiten instalar tubos de mayor longitud en un espacio reducido. El quemador se enciende en un extremo, los gases de escape salen por el mismo extremo y el tubo se pliega sobre sí mismo. Los tubos en U son comunes en hornos de mayor tamaño.
El diseño del quemador es la segunda variable principal.
Los quemadores atmosféricos, la opción más sencilla y económica, mezclan aire y gas en el quemador y lo introducen en el tubo. El aire proviene de un soplador de baja presión. El gas suele ser gas natural o propano. Los quemadores atmosféricos son sencillos, fiables y fáciles de mantener. Sin embargo, también son los menos eficientes (con una eficiencia térmica típica del 50 al 60 % en el tubo) y los que producen más NOx.
Los quemadores de alta potencia, el estándar moderno, utilizan un ventilador de tiro forzado o un sistema de gas a presión positiva para impulsar el aire y el gas a través del quemador a mayor velocidad. Estos quemadores alcanzan una eficiencia del 70 al 85 % en el tubo y producen menos NOx. La llama es más estable, el rango de modulación (la gama de velocidades de combustión) es más amplio y el control es más preciso.
Los quemadores recuperativos, de diseño más avanzado, precalientan el aire de combustión aprovechando el calor residual de los gases de escape. Un intercambiador de calor metálico o cerámico, ubicado en el interior del quemador, transfiere el calor de los gases de escape al aire de admisión. El aire de combustión puede precalentarse entre 400 y 600 °C, lo que reduce el consumo de combustible entre un 20 y un 30 %. Si bien los quemadores recuperativos son más caros que los quemadores convencionales, el ahorro de combustible amortiza la inversión en un plazo de 1 a 3 años en una caldera de alta utilización.
Los quemadores regenerativos, el diseño más avanzado, utilizan dos lechos de quemadores que alternan entre la combustión y la extracción de gases. Cada lecho cuenta con un regenerador cerámico que absorbe el calor de los gases de escape y lo transfiere al aire de entrada. El aire de combustión puede precalentarse a entre 800 y 1000 °C, con un ahorro de combustible del 40 al 50 %. Los quemadores regenerativos son la opción más eficiente, pero también la más cara y la que requiere mayor mantenimiento. Se utilizan en grandes hornos continuos (de empuje, de viga móvil, de solera rotatoria), pero rara vez en hornos de solera móvil, ya que el ciclo de combustión es demasiado corto para amortizar el coste del regenerador.
La relación de reducción es importante para la operación por lotes.
Un horno de solera móvil funciona con una amplia gama de velocidades de combustión durante el ciclo. El quemador funciona a alta velocidad durante el calentamiento inicial (para llevar la carga de frío a la temperatura deseada), y luego disminuye a baja velocidad durante el mantenimiento de la temperatura. La relación de modulación del quemador es la relación entre la velocidad de combustión máxima y mínima. Una relación de modulación de 10:1 es estándar. Una relación de modulación de 20:1 o 30:1 es mejor, especialmente para secciones gruesas que requieren un mantenimiento prolongado a baja velocidad de combustión.
Un control de modulación deficiente obliga al operador a encender y apagar el quemador a baja potencia, lo que provoca fluctuaciones de temperatura, aumenta el desgaste del quemador y desperdicia energía. Un buen control de modulación permite que el quemador funcione de forma fluida en todo su rango de operación.
La recirculación es el tercer sistema principal.
Un horno de solera móvil requiere una temperatura uniforme en toda la cámara. Los tubos radiantes calientan el gas cerca de las paredes y el techo, pero el gas en el centro de la cámara, donde se coloca la pieza de trabajo, puede estar entre 30 y 50 grados Celsius más frío que cerca de los tubos. Ventiladores o chorros de recirculación mezclan el gas caliente de la parte superior de la cámara con el gas más frío del centro, igualando así la temperatura.
Los diseños de recirculación varían. Algunos hornos utilizan un único ventilador grande en la pared posterior, que aspira el gas caliente desde la parte superior y lo impulsa hacia abajo a través del centro. Otros utilizan varios ventiladores más pequeños distribuidos alrededor de la cámara. Otros emplean chorros de alta velocidad (sin ventilador) que arrastran el gas circundante mediante el efecto Venturi. La elección depende del tamaño del horno, del tamaño de la pieza de trabajo y del requisito de uniformidad de temperatura.
La especificación típica de uniformidad para un horno de tratamiento térmico con solera móvil es de ±10 °C a temperatura ambiente. Se pueden lograr especificaciones más estrictas (±5 °C) con un buen diseño de recirculación. Las especificaciones menos estrictas (±20 °C) son comunes en hornos de gama baja y pueden causar variabilidad en el tratamiento térmico.
El control de la atmósfera es la variable final.
Un horno de solera móvil para alivio de tensiones o recocido suele funcionar con una atmósfera ligeramente oxidante: suficiente fuga de aire para evitar que la pieza absorba carbono o hidrógeno, pero no tanta como para que la cascarilla superficial se convierta en un problema. La atmósfera se controla manteniendo una ligera presión positiva en el horno (normalmente de 0,5 a 2 mbar) e introduciendo una pequeña cantidad de aire a través de una entrada controlada.
Para procesos que requieren atmósfera protectora (recocido brillante, soldadura fuerte, carburación), el horno se sella herméticamente y se introduce un gas inerte (nitrógeno o argón) para desplazar el aire. Algunos hornos cuentan con una mufla completa —una cámara interior separada de la sección del tubo radiante—, lo que permite aislar completamente los gases de combustión y la atmósfera protectora. Los hornos de mufla son más caros, pero permiten un control preciso de la atmósfera.
Autor: Equipo de ingeniería de tratamiento térmico de MONTE INTELLIGENCE. Para auditorías y mejoras de sistemas de combustión, contacte con helenxu@cnlymonte.com.
