El blog sobre Los nuevos hornos de tratamiento térmico aumentan la eficiencia industrial

Imagine gigantes de acero renacidos en llamas, piezas metálicas transformadas bajo calor extremo: esta metamorfosis es posible gracias a los hornos de tratamiento térmico industrial. Sin embargo, los hornos tradicionales enfrentan desafíos en la selección de combustible, la eficiencia energética y el control de procesos. Con el avance de la tecnología y la creciente conciencia ambiental, está surgiendo una nueva generación de hornos de tratamiento térmico, que ofrecen mayor eficiencia y sostenibilidad.

En el vasto panorama de la producción industrial, los hornos de tratamiento térmico desempeñan un papel fundamental. Vienen en diversas formas, como calentadores distribuidos en refinerías, hornos de empuje y de viga móvil para recalentamiento, y hornos de fusión en la industria metalúrgica o hornos túnel para cocción de cerámica. A diferencia del equipo industrial con requisitos estrictos de combustible, estos hornos "universales" se adaptan a múltiples tipos de combustible e incluso pueden operar con sistemas de combustible paralelos (por ejemplo, quemadores multcombustible).

Si bien el cambio de combustible generalmente requiere modificaciones en los quemadores y la infraestructura relacionada (por ejemplo, sistemas de almacenamiento y distribución), esta flexibilidad otorga a las empresas una mayor libertad operativa. Las calderas de vapor generalmente proporcionan calor bajo a medio (hasta 500 °C), mientras que los hornos de tratamiento térmico generan temperaturas superiores a 1000 °C, siendo el rango de 500 °C a 1000 °C el más común. Estas tecnologías a menudo se denominan "horizontales" debido a su aplicabilidad intersectorial.

Entre los métodos de tratamiento térmico, los quemadores radiantes se destacan por su precisión. Al quemar combustible dentro de tubos y radiar calor a las cámaras que contienen las piezas, permiten un control exacto de la temperatura. Crucialmente, los quemadores radiantes permiten atmósferas de gas no combustibles, ampliando las posibilidades de optimización de piezas metálicas. El Gas Technology Institute (Chicago, IL), en colaboración con Timken (Bucyrus, OH) y Progressive Heat Treating (Cleveland, OH), probó quemadores radiantes en forma de U que combinan tubos rectos de SiC monolítico de INEX y tubos curvos de SiC/SiC CVI de 3M.

Los resultados mostraron que estos tubos cerámicos híbridos superaron a los tubos de aleación metálica con tiempos de ciclo más rápidos y una salida térmica un 50% mayor, lo que aumentó la productividad en un 14% en un horno. Su menor peso simplificó la instalación y su vida útil (36-48 meses) duplicó la de los tubos metálicos (18-24 meses).

El PWHT es fundamental para la fiabilidad de los recipientes a presión. Omitirlo o ejecutarlo incorrectamente conlleva el riesgo de fallas catastróficas. Durante el PWHT, se deben monitorear suficientes termopares en los recipientes para garantizar que se cumplan las temperaturas mínimas, con variaciones que no excedan los 28 °C (50 °F). Las tasas de calentamiento/enfriamiento deben mantenerse por debajo de los 83 °C (150 °F) para evitar daños por estrés térmico.

Para recipientes de gran tamaño, se permite el PWHT localizado en soldaduras individuales, siempre que los gradientes térmicos eviten daños inducidos por el estrés. La soldadura posterior al PWHT en componentes que soportan presión está prohibida; si se sueldan inadvertidamente accesorios externos, es obligatorio un segundo PWHT. Los inspectores deben verificar el cumplimiento para prevenir la soldadura posterior al tratamiento.

La recuperación de calor residual aprovecha la energía térmica excedente de la generación de energía o de los procesos industriales. Los sistemas tradicionales pierden entre el 24% y el 45% de la energía durante la producción, el 3% en la distribución, entre el 10% y el 50% en la conversión y entre el 30% y el 35% en los sistemas de vapor. Las fuentes clave de calor residual industrial incluyen gases de escape, gases de combustión y aire caliente de sistemas de calefacción, que van desde emisiones de quemadores de alta temperatura hasta salidas de menor temperatura de hornos, secadores o intercambiadores de calor. Capturar esta energía mejora la eficiencia general del sistema.

El acabado limpia las superficies del acero laminado en caliente antes del laminado en frío o el recubrimiento. Métodos como la limpieza con solventes, agua a presión, abrasivos, agentes alcalinos o decapado eliminan óxido, óxidos, aceites y contaminantes. El decapado utiliza vapor generado por combustible para calentar baños y prealimentar la banda de acero, mientras que la electricidad alimenta equipos auxiliares (por ejemplo, ventiladores de extracción, unidades de recuperación de ácido).

Después del decapado, el acero se somete a laminado en frío para lograr perfiles más delgados y lisos para carrocerías de automóviles, latas de hojalata o tuberías. Las demandas de energía incluyen combustible para el recalentamiento/tratamiento térmico de las planchas y electricidad para los trenes de laminación/lechos de enfriamiento. Los hornos de recalentamiento de laminado en caliente modernos consumen ~1,400 MJ/ton (arranque en frío), en comparación con las unidades más antiguas de ~1,800 MJ/ton, y los sistemas de vanguardia alcanzan ~1,000 MJ/ton.

El proceso TRD (Deposición Termo-Reactiva) produce recubrimientos densos de carburo/nitruro mediante tratamiento térmico. Aprovechando el equipo de horno convencional, crea recubrimientos más gruesos y adherentes que los métodos PVD, compuestos por partículas finas compactadas.

Las aleaciones de fundición de precisión a menudo requieren tratamiento térmico para aliviar tensiones, mejorar la homogeneidad química o alterar la microestructura. Los perfiles de tiempo-temperatura varían según la aleación y el tamaño de la pieza. Las piezas fundidas a presión generalmente se excluyen debido a riesgos de porosidad (los gases atrapados pueden expandirse, causando grietas). Los principios de transferencia de calor guían las duraciones de calentamiento, mientras que los diagramas de fases y la cinética de transformación en estado sólido informan el diseño del proceso. Los ejemplos incluyen aceros de medio carbono, hierro dúctil y aleaciones de aluminio.

Para el endurecimiento por inducción para formar superficies martensíticas, la austenización debe preceder al temple. Los ciclos de calentamiento cortos significan que la austenización depende en gran medida de la microestructura inicial: nucleando en los límites de grano de ferrita, carburos esferoidizados o colonias de perlita. El crecimiento rápido ocurre en la perlita debido a las capas de cementita ricas en carbono y a las cortas rutas de difusión en la ferrita.

Un descubrimiento de 1964, el proceso de Temple Intensivo (IQ), enfría las piezas de acero a velocidades múltiples veces superiores a los métodos convencionales. Esto genera tensiones compresivas superficiales beneficiosas, reduciendo la distorsión y los riesgos de agrietamiento, a diferencia del temple tradicional, que a menudo deja tensiones superficiales de tracción o neutras.