Tratamiento térmico de grandes piezas forjadas: cómo los hornos de solera móvil manejan componentes de viento, energía y presión.
Un rotor de generador de 200 toneladas forjado no se introduce en un horno convencional. Se introduce en un horno de solera móvil de 30 metros de largo y 6 metros de ancho, con tubos radiantes que alcanzan los 1050 °C, ventiladores de recirculación que mueven 200 000 metros cúbicos de aire por hora y una uniformidad de temperatura de más o menos 5 °C de esquina a esquina. La pieza permanece en la solera móvil de 5 a 10 días, sometiéndose a un proceso gradual de austenización, manteniendo la temperatura durante horas y enfriándose a un ritmo controlado. Si se omite algún paso, la pieza falla durante su funcionamiento. Si se cumplen todos los pasos, la pieza funciona durante 30 años en una central eléctrica.
Así es como funciona realmente el tratamiento térmico de las piezas forjadas de gran tamaño.
El punto de partida es la especificación de forjado.
Los ejes principales de las turbinas eólicas, los rotores de los generadores, los rotores de las turbinas, las carcasas de los recipientes a presión y los componentes de los reactores nucleares cuentan con una especificación de tratamiento térmico establecida en el código de diseño. Las secciones I y VIII de la ASME, la EN 10028, la EN 10222 y diversas especificaciones del cliente (Siemens, GE, MAN, Mitsubishi) definen las propiedades mecánicas requeridas, el rango de temperatura, el tiempo de mantenimiento, la velocidad de enfriamiento y los requisitos de ensayo.
La especificación determina el ciclo de tratamiento térmico. Un ciclo típico de tratamiento térmico para forja de gran tamaño se ve así:
Precalentamiento (aumento gradual de la temperatura ambiente a 400-600 °C a un ritmo de 50-100 °C por hora). Este aumento gradual evita el choque térmico en piezas forjadas en frío.
2. Calentar hasta la temperatura de austenización (normalmente de 850 a 950 °C para la normalización, y de 950 a 1050 °C para el recocido o el temple). La velocidad de calentamiento en esta fase es de 100 a 150 °C por hora.
3. Mantener a temperatura constante (de 1 a 4 horas por cada 100 mm de espesor de sección, a veces más). Este mantenimiento homogeneiza la temperatura en toda la pieza forjada.
4. Enfriamiento controlado. Para el normalizado, la pieza forjada se enfría al aire libre. Para el recocido, se enfría en el horno a menos de 400 °C a una velocidad controlada. Para el temple, se sumerge en un baño de agua o aceite.
5. Templado (recalentar a 550-700 grados C, mantener a esa temperatura, enfriar). El paso de templado se repite para algunas especificaciones.
Una pieza forjada de 500 mm de espesor, en este ciclo, tarda de 3 a 5 días desde la carga hasta la descarga. El horno está ocupado durante todo el ciclo; no hay posibilidad de programar una colada más pequeña.
La uniformidad de la temperatura es la especificación clave.
Para un horno de 30 metros de longitud con una pieza forjada de 200 toneladas, la diferencia de temperatura entre el punto más caliente y el más frío de la cámara debe ser de ±5 a 10 grados Celsius durante el mantenimiento de la temperatura. Si la diferencia es mayor, la pieza forjada desarrolla una microestructura irregular. Los puntos fríos se normalizan o recocen de forma incompleta, los puntos calientes presentan un crecimiento de grano y las propiedades mecánicas varían a lo largo de la pieza.
Para lograr esa uniformidad se requiere un sistema de recirculación eficiente. El horno cuenta con ventiladores o chorros de alta velocidad que aspiran el gas caliente desde la parte superior y lo impulsan hacia abajo a través de la pieza de trabajo. Los motores de los ventiladores tienen una potencia de entre 30 y 75 kW cada uno, y hay entre 4 y 8 distribuidos alrededor de la cámara. Los conductos de recirculación están dimensionados para mover entre 150 000 y 300 000 metros cúbicos de atmósfera por hora.
La disposición de los tubos radiantes también está diseñada para lograr uniformidad. Los tubos se organizan en zonas, generalmente de 4 a 6 zonas a lo largo del horno y de 2 a 3 zonas de arriba abajo. Cada zona cuenta con su propio quemador y su propio circuito de control de temperatura. El sistema de control lee múltiples termopares en cada zona y modula la velocidad de combustión del quemador para mantener la temperatura deseada.
La ubicación de los termopares es fundamental. Los termopares de control se colocan normalmente a entre 1,5 y 2 metros de la superficie de la pieza, en el espacio de gas. Los termopares de prueba (o de carga) se insertan en orificios perforados en las piezas de ensayo o en zonas de baja tensión de la pieza forjada. Estos termopares constituyen el registro legal del tratamiento térmico: confirman que la pieza forjada alcanzó la temperatura requerida durante el tiempo necesario.
Para componentes críticos (rotores nucleares de alta presión), la especificación puede requerir múltiples termopares en la pieza forjada, tanto en la sección más gruesa como en la más delgada. El registrador de datos registra la actividad de todos los termopares durante todo el ciclo, y estos datos se integran al paquete de control de calidad de la pieza forjada.
El tiempo de remojo depende del grosor de la sección.
La regla general es de 1 hora por cada 25 mm de espesor de sección para la austenización, a veces 1 hora por cada 20 mm para aceros de alta aleación. Una pieza forjada de 500 mm de espesor requiere de 20 a 25 horas de tiempo de mantenimiento después de que el horno alcance la temperatura programada. Esto se suma al tiempo de calentamiento. El calentamiento en sí tarda de 8 a 12 horas a 100 °C por hora.
El ciclo completo se caracteriza por el calentamiento y el mantenimiento de la temperatura. El enfriamiento suele ser más rápido, especialmente para el normalizado (enfriamiento al aire) o para el temple en aceite (el temple en sí dura de 4 a 8 horas para una forja de 200 toneladas). El enfriamiento en horno hasta 400 °C tarda de 6 a 10 horas, según la velocidad de enfriamiento deseada.
El control de la atmósfera es la variable que determina el estado de la superficie.
Para aliviar tensiones y normalizar la superficie, se acepta una atmósfera ligeramente oxidante: la pieza forjada desarrolla una fina capa de óxido que se elimina mediante granallado tras el tratamiento térmico. Para el recocido o para componentes que requieren un acabado superficial mecanizado, se necesita una atmósfera controlada para minimizar la formación de incrustaciones y la descarburación.
La atmósfera se controla manteniendo una ligera presión positiva en el horno (normalmente de 1 a 5 mbar por encima de la atmosférica) e introduciendo una pequeña cantidad de aire o gas inerte. Algunos hornos de solera móvil de gran tamaño cuentan con un diseño de mufla completa: una cámara interior hermética que aísla la pieza de trabajo de los gases de combustión. La mufla es costosa, pero proporciona un control preciso de la atmósfera.
Para componentes que requieren una superficie libre de descarburación (como los asientos de cojinetes en rotores grandes), la especificación exige una atmósfera protectora, generalmente nitrógeno con un pequeño porcentaje de un gas reductor (hidrógeno o amoníaco disociado). El horno se sella, se purga el aire y se mantiene la atmósfera protectora durante todo el ciclo. En este modo, la profundidad de descarburación suele limitarse a 0,5 mm o menos.
La carga y descarga de piezas forjadas de gran tamaño es una operación importante.
Una pieza forjada de 200 toneladas sobre el carro requiere una grúa de gran capacidad, generalmente de 300 a 500 toneladas con viga de elevación. La operación de carga dura de 30 a 60 minutos con todo el equipo. La forja llega al área de trabajo, la grúa la eleva, se coloca el carro, la pieza se baja al horno y se retira el aparejo de elevación. A continuación, el carro se introduce en el horno, se cierra la puerta y comienza el ciclo de calentamiento.
El dispositivo de sujeción para una pieza forjada de gran tamaño suele ser una base robusta de acero o fundición con elementos de posicionamiento. Para un eje de rotor, el dispositivo puede consistir en una larga bancada de bloques en V espaciados a lo largo, que soportan el eje en varios puntos. Para un anillo o una carcasa, el dispositivo es una base plana con la pieza colocada de canto.
La descarga es el proceso inverso: el bogie se desplaza, la grúa recoge la pieza forjada y esta se traslada a la siguiente etapa (mecanizado, ensayo o tratamiento térmico adicional). El operador de la grúa trabaja desde una cabina con aire acondicionado, ya que el calor radiante de la pieza forjada es intenso: entre 200 y 500 grados centígrados en la superficie, incluso después del ciclo de descarga.
En resumen, el tratamiento térmico de piezas forjadas de gran tamaño es una operación especializada que requiere:
- Un horno de hogar móvil grande y bien instrumentado
- Control preciso de la atmósfera
- Operadores cualificados que comprendan las especificaciones
- Grúas y accesorios para elevación de cargas pesadas
- Documentación detallada del ciclo para cada calor
Autor: Equipo de tratamiento térmico de forja de MONTE INTELLIGENCE. Para estudios de tratamiento térmico de forja y auditorías de hornos, contacte con helenxu@cnlymonte.com.
