HORNOS DE ATMÓSFERA CONTROLADA

Fundamentalmente se usan 6 clases de gas en hornos con atmósfera controlada para el tratamiento de acero. En todos los casos estos gases se generan o producen fuera del horno y se introducen en la cámara del horno con el fin de tener un mejor control. No todos se usan en el templado de herramientas de acero.

Gas endotérmico

Este tipo de atmósfera se produce combinando gas de hidrocarburos (CxHy) y aire en proporción para formar monóxido de carbono. (CO) e hidrógeno (H2) sin exceso para formar bióxido de carbono (CO2) o vapor de agua (H2O). Para que ocurra la reacción química entre los gases se debe aplicar calor externo y esto se logra inyectando la mezcla en un depósito cerrado a presión calentado exteriormente. El gas que resulta consta principalmente de CO, H2 y N2, y se conoce como gas endotérmico; esto significa que la reacción química formada absorbe calor. Algunas veces a esta operación se le llama “cracking”.

Las atmósferas endotérmicas son altamente reductoras y de bajo contenido de humedad, son muy valiosas para el templado de herramientas de acero, libres de descarburación.

Gas exotérmico

Este tipo de atmósfera es generado por la combustión parcial del gas natural o de gases de hidrocarburos (CxHy). La reacción produce su propio calor por la combustión parcial del gas y de ahí el nombre de “exotérmica” que significa producción de calor.

en el recocido de cobre, latón, etc. Se usan muy poco en templado de herramientas de acero.

Nitrógeno

El nitrógeno casi puro se puede generar por un método químico muy complejo y se usa principalmente en operaciones de recocido brillante, requiriendo un gas inerte.

Amoniaco disociado

Para producir esta atmósfera se disocia amoniaco anhidro (NH4) en una mezcla de 75% de H2 y 25% de N2 pasando el amoniaco crudo por una superficie caliente, o catalizador. La atmósfera resultante es valiosa para el recocido brillante de muchos metales, incluyendo acero inoxidable. Se usa muy poco para templar herramientas de acero.

Hidrógeno

El hidrógeno seco puro (H2) se usa extensamente para el recocido de materiales magnéticos y en el procesamiento de algunos carburos metálicos como tungsteno y tantalio.

Argón y Helio

Ambos son no explosivos; gases inertes que se usan en tratamientos térmicos en que se debe evitar la absorción de gas por el metal que está siendo tratado.

4.5 ATMÓSFERAS ENDOTÉRMICAS[19]

Éstas son las más importantes de las atmósferas generadas para el templado de herramientas de acero. El gas de hidrocarburos usado puede ser gas natural que contiene 90 a 95% de metano (CH4); gas propano (C3H8) o “gas de ciudad”. Ya que el gas natural es el más disponible y de menor costo en América es el que se usa más.

La figura 4.4 muestra un diagrama de flujo de un generador de atmósfera endotérmica. El gas crudo y el aire se miden en la bomba, se comprimen a 1 ó 2 lb/plg2 (0.1 kg/cm2) luego se pasan a través de un regulador de fuego a un catalizador calentado en una retorta cerrada a presión calentada externamente mediante gas. Un catalizador se define como una sustancia que acelera una

puede ser carburo de silicio o aleación cromo–níquel, dependiendo de la temperatura empleada, que usualmente es cercana a 1900º F (1038ºC) dentro de la retorta. Antes de que el gas deje la retorta se “congela” la reacción enfriando el gas a 600ºF (316ºC) en la cámara de agua. Esto evita que la reacción sea reversible. Entonces se dirige el gas a la cámara del horno.

Fig. 4.4 Diagrama de flujo de un generador de atmósfera endotérmica. (Cortesía de Lindber Engineering Co.).

La reacción que ocurre en la retorta es como sigue:

2CH4 + O2 + 3.’8N2Æ 2CO + 4H2 + 3.8N2 Un gas típico de este generador tendrá la siguiente composición:

CO2 0.1% CO 19.8 H2 40.5 CH4 0.5 N2 39.1

Esta atmósfera tendrá una fuerte acción reductora cuando esté en contacto con la superficie de la herramienta de acero. Las atmósferas reductoras previenen la escamación, pero deberán estar libres de humedad para evitar la descarburación. Esto se aplica también al bióxido de carbono. Una de las propiedades en las atmósferas endotérmicas es que, el contenido de humedad y el CO2 puedan ser mantenidos a un nivel muy bajo o variarlo entre ciertos límites deseados. Esto hace posible un control cerrado del “potencial de carbono”, que es la tendencia de la atmósfera para carburar, simplemente controlando el contenido de humedad, ya que en este tipo de gas el CO2 contenido ejecuta el control del contenido de humedad.

4.5.1 Contenido de humedad con el punto de rocío

La temperatura a la cual el vapor comienza a depositarse como un líquido (o sólido) se llama punto de rocío. En otras palabras, el punto de rocío nos da la medida del contenido de humedad.

Hay instrumentos para medir el punto de rocío, los hay de control manual y automáticos. El universalmente aceptado es aquel en el cual la muestra de gas es conducida a una cámara en que puede ser observada por una mirilla. Si la muestra de gas se enfría debajo de su punto de rocío aparecerá una nube de humedad en la cámara. En este instrumento el enfriamiento es acompañado de compresión del gas, permitiéndole una expansión en la cámara. Se usan diferentes presiones hasta un punto final, o punto de desaparición de la nube observada, el punto de rocío se lee en un instrumento adecuado.

Otro instrumento que se emplea para el punto de rocío es un espejo enfriado en el que la condensación puede ser observada o medida automáticamente. Otros emplean los principios de la conductividad térmica y del peso específico.