ES2214571T3 - Aparato de carburacion por gas. - Google Patents

Abstract

PROCEDIMIENTO DE CEMENTACION CON GAS, EN EL QUE SE TRATA UN ARTICULO MEDIANTE ALIMENTACION DE UN HIDROCARBURO GASEOSO Y UN GAS OXIDANTE DE MATERIALES GASEOSOS EN BRUTO, DIRECTAMENTE EN UN HORNO DE TRATAMIENTO DE CALOR ATMOSFERICO, CARACTERIZADO PORQUE, CUANDO LA PRESION EN EL INTERIOR DEL HORNO ES NEGATIVA, SE SUMINISTRA CO SUB,2} AL INTERIOR DE DICHO HORNO, COMO MEDIO PARA DISIPAR LA PRESION NEGATIVA. SE DESCRIBE ASIMISMO UN APARATO DE CEMENTACION CON GAS, EN EL QUE SE PROPORCIONA UN ORIFICIO DE ENTRADA DE GAS PARA SUMINISTRAR UN GAS HIDROCARBONADO Y UN GAS OXIDATIVO, DISPUESTO EN LA ZONA SUPERIOR DEL HORNO DE TRATAMIENTO DE CALOR ATMOSFERICO, PROVISTO DE UN ELEMENTO DE ALIMENTACION DE CO SUB,2}, PARA DISIPAR LA PRESION NEGATIVA EN EL INTERIOR DEL HORNO.

Description

Aparato de carburación por gas.

Esta invención se refiere a un proceso y aparato de carburación de gas para endurecer la superficie de una pieza de acero por la difusión de carbono en la capa superficial de la pieza de acero.

En un proceso general de carburación de gas, no solamente se ha requerido un horno de tratamiento de calor atmosférico (denominado, de aquí en adelante, horno de tratamiento de calor) sino también un horno de transformación.

Un horno de transformación de este tipo, necesario para obtener un gas transformado para el tratamiento de calor atmosférico, es cargado con un catalizador y es alimentado con un gas hidrocarburo y aire en una retorta calentada desde el exterior.

El gas obtenido del horno de transformación mencionado anteriormente, es alimentado al horno de tratamiento de calor mencionado anteriormente y es añadido al gas un gas de carburación para ajustar el potencial de carbono del gas atmosférico dentro del horno de tratamiento de calor.

No obstante, con el proceso convencional mencionado anteriormente, han continuado problemas tales como que no solamente se requiere un horno de tratamiento de calor sino también un horno de transformación, son necesarios una energía térmica y un catalizador costosos, y además, es costoso mantener y controlar el calefactor y la retorta.

Por tanto, teniendo en cuenta los costes que acompañan al uso del horno de transformación mencionado anteriormente, la Firma solicitante de la presente invención ha proporcionado un proceso para alimentar un gas hidrocarburo y gas oxidativo directamente dentro de un horno de tratamiento de calor sin utilizar un horno de transformación (Publicación de Patente Japonesa Nº 38870/1989).

En este proceso, un gas hidrocarburo y una cantidad pequeña de oxígeno puro son introducidos en un horno de tratamiento de calor mantenido por encima de 730ºC, y es excluido gas nitrógeno para llevar a cabo el proceso de carburación.

Es decir, cuando se introducen un gas hidrocarburo y oxígeno puro en un horno de tratamiento de calor mantenido a una temperatura predeterminada, se producirá una atmósfera necesaria para carburación para llevar a cabo la carburación.

De acuerdo con este proceso, puesto que solamente se alimenta el gas que contribuye directamente a la carburación dentro del horno de tratamiento de calor, la presión parcial aparente de CO en la atmósfera no será reducida por el gas que no contribuye directamente a la carburación, y, por tanto, la eficiencia de carburación es alta. Adicionalmente, no se requiere ningún horno de transformación, la cantidad utilizada del gas de hidrocarburo es pequeña y el proceso es muy económico.

No obstante, en el proceso mencionado anteriormente, la cantidad de gas alimentado dentro del horno es mucho menor que en el caso del proceso que utiliza el gas de carburación transformado en el horno de transformación mencionado anteriormente que con la apertura y de cierre de una puerta de entrada, puerta intermedia o puerta de salida, cuando es colocado dentro o es retirado un artículo que debe tratarse, la presión dentro del horno se vuelve negativa, se aspirará el aire atmosférico (oxígeno) a través de la pieza de empaquetadura de la puerta y la atmósfera dentro del horno será alterada provocando un peligro de explosión o similar.

Por tanto, la Firma solicitante de la presente solicitud ha proporcionado un aparato de ajuste de presión del horno atmosférico donde, cuando la presión dentro del horno es negativa, se enciende un quemador anular previsto en una trayectoria de introducción de aire atmosférico para alimentar el gas de combustión dentro del horno para disolver la presión negativa dentro del horno (Solicitud del Modelo de Utilidad Japonés, Nº de Publicación 16766/1989).

Si se utiliza este aparato, cuando la presión dentro del horno es negativa, no se introducirá el oxígeno y el horno estará seguro, pero el gas N_{2} que no contribuye directamente a la carburación mencionada anteriormente, será introducido reduciendo así la presión parcial del CO dentro del horno.

La reacción básica del gas de carburación es como sigue:

......(1)\frac{CO}{CO_{2}} = K \ \frac{H_{2}}{H_{2}O}

......(2)2CO\rightarrow[C]+CO_{2}

Es decir, el gas que contribuye directamente a la carburación es CO, cuanto mayor es la presión de CO parcial, más activa es la carburación, y puede formarse una capa carburizada de una dureza y profundidad requeridas dentro de un tiempo más corto. Adicionalmente, puede reducirse la dispersión de la carburación de un artículo tratado de una forma complicada y puede carburizarse de forma efectiva un poro o similar.

El proceso anterior que es el objeto de la Patente Europea 0465226 proporciona un proceso de carburación de gas más económico donde, como se menciona anteriormente, cuando la presión dentro de un horno de tratamiento de calor es negativa, el gas N_{2} o similar que no contribuye directamente a la carburación será prevenido de ser introducido, de manera que la presión parcial de CO en la atmósfera puede no reducirse y puede mejorarse la calidad del artículo tratado.

Es decir, en el proceso, cuando la presión dentro de un horno de tratamiento de calor es negativa (es decir, por debajo de la presión atmosférica), se alimentará CO_{2} de manera que puede contrarrestarse la presión negativa dentro del horno y puede incrementarse la presión parcial de CO en la atmósfera.

Se describen otros hornos de carburación en los documentos JP-A-56/05976 y JP-A-60/50159. Un sistema de entrada común para hornos de carburación se describe en los documentos US-A-4.472.209 y US-A-4.386.972.

De acuerdo con la presente invención, está previsto un aparato de carburación del gas que comprende un horno de tratamiento de calor dispuesto para funcionar a presión atmosférica, comprendiendo dicho horno una cámara de calentamiento provista con al menos una puerta de entrada y una entrada de gas común conectada directamente a una fuente de un gas de hidrocarburos, una fuente de gas oxidativo y una fuente de gas CO_{2} para introducir dichos gases dentro de la cámara de calentamiento, estando dicha entrada de gas común en forma de un tubo común que se extiende a través de una pared de la cámara de calentamiento, estando conectadas las fuentes de gas en un extremo de la misma que está fuera del horno, caracterizado porque al menos dicha puerta de entrada está provista con un orificio de apertura y de cierre para descargar los gases desde el interior de la cámara de calentamiento, cuando dicha puerta de entrada está cerrada, comprendiendo dicho aparato adicionalmente una cámara de refrigeración con una puerta de salida, estando conectada la cámara de refrigeración a dicha cámara de calentamiento por una puerta intermedia que tiene un orificio, y porque el orificio de apertura y de cierre de la puerta de entrada es inferior en resistencia al orificio de la puerta intermedia.

Además, en el aparato de la presente invención, sin utilizar un horno de transformación, son alimentados un gas de hidrocarburo y oxidativo directamente dentro del horno de tratamiento de calor y, cuando la presión dentro del horno de tratamiento de calor está por debajo de la presión atmosférica, el CO_{2} puede alimentarse rápidamente.

Las formas de realización preferidas de la invención se describen a continuación con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista en sección verticalmente de un horno de tratamiento de calor del tipo discontinuo.

La figura 2 es una vista en sección verticalmente de un horno de tratamiento de calor del tipo continuo.

La figura 3 es una vista en alzado ampliada, parcialmente en sección, de una entrada de gas; y

La figura 4 es un gráfico que muestra la relación entre el tiempo del ciclo y la profundidad de carburación.

Se muestra un horno discontinuo en la figura 1, en la que el número de referencia 1 representa una cámara de calentamiento, 2 representa una cámara de refrigeración (cámara de enfriamiento rápido), 3 representa una puerta de entrada de la cámara de calentamiento 1, 3a representa un orificio de apertura y de cierre previsto en la puerta de entrada 3, 4 representa una puerta intermedia, 4a representa un orificio de flujo de salida previsto en la puerta intermedia 4, 5 representa una puerta de salida de la cámara de refrigeración 2, 6 representa un aceite de refrigeración, 7 representa un aparato de ajuste de presión del horno del horno atmosférico mencionado anteriormente, 8 representa una llama de cortina encendida cuando la puerta de salida 5 está abierta, 9 representa un ventilador de agitación que está soportado en la parte del techo por un árbol de ventilador 10 y gira por un motor (no ilustrado) previsto fuera y 11 representa una entrada de gas prevista en la parte del techo adyacente al ventilador de agitación mencionado anteriormente 10 para alimentar con un gas de hidrocarburo y gas oxidativo.

En el mismo dibujo, el número de referencia 12 representa un orificio de alimentación de gas hidrocarburo, 13 representa un orificio de alimentación de gas oxidativo, 15 representa una fuente de gas hidrocarburo, 16 representa una válvula de apertura y de cierre que controla la cantidad alimentada del gas hidrocarburo mencionado anteriormente, 17 representa una fuente de gas oxidativo y 18 representa una válvula de apertura y de cierre que controla la cantidad de gas oxidativo mencionado anteriormente.

En el aparato de carburación de la presente invención, se forma un orificio de alimentación de CO_{2} en la entrada de gas mencionada anteriormente 11.

Un orificio de alimentación de CO_{2} 14 se forma en el extremo fuera del horno de la entrada de gas mencionada anteriormente 11 y, una fuente de CO_{2} 19 está conectada al orificio de alimentación de CO_{2} mencionado anteriormente a través de una válvula de apertura y de cierre 20 que controla la cantidad de alimentación de CO_{2}.

Si el aparato está formado de manera que puede alimentarse CO_{2} de alta presión, como se requiere a partir del orificio de alimentación 14, el hollín depositado en la entrada de gas 11 mencionada anteriormente como se detalla más tarde, puede ser retirado sin alterar la atmósfera dentro del horno. Además, el número de referencia 21 representa una trayectoria de alimentación a la cámara de refrigeración 2 y 22 presenta una válvula de apertura y de cierre que controla la cantidad alimentada de CO_{2} mencionado anteriormente.

En la formación mencionada anteriormente, cuando la puerta de entrada 3 de la cámara de calentamiento 1 está abierta, se coloca un artículo que debe tratarse en la cámara de calentamiento 1 y se cierra la puerta de entrada 3, tendrá que introducirse gran cantidad de aire en la cámara de calentamiento.

Ni que decir tiene que la temperatura dentro de la cámara de calentamiento 1 es demasiado alta, de manera que el O_{2} en el aire será consumido perfectamente por la combustión con el hidrocarburo y permanecerá el gas N_{2}.

Por tanto, en la presente invención, se abre la válvula de apertura y de cierre 20, CO_{2} es alimentado dentro de la cámara de calentamiento 1 y, al mismo tiempo, el orificio de apertura y de cierre 3a previsto en la puerta de entrada 3 se abre para descargar el gas N_{2} dentro de la cámara de calentamiento fuera del horno.

Está previsto un orificio de apertura y de cierre 3a en la puerta de entrada 3 mencionada anteriormente con el fin de elevar la eficiencia de descarga del gas N_{2} dentro de la cámara de calentamiento 1, puesto que en el caso de que no esté previsto el orificio de apertura y de cierre 3a mencionado anteriormente, el gas N_{2} dentro de la cámara de calentamiento 1 entrará en la cámara de refrigeración 2 a través del orificio de flujo de salida 4a o similar de la puerta intermedia 4, empujará la válvula de apertura y de cierre (no ilustrada) del aparato de ajuste de presión del horno 7 de la atmósfera mencionada anteriormente y será descargado fuera del horno.

No obstante, de hecho, permanecerá una gran cantidad de gas N_{2} dentro de la cámara de refrigeración 2, se fugará adicionalmente a través de la pieza de empaquetadura de la puerta intermedia 4 y se pondrá en circulación dentro de la cámara 1 en algún caso.

Por tanto, el orificio de apertura y de cierre 3a es de menor resistencia que el orificio de flujo de salida 4a de la puerta intermedia 4 y mayor que el orificio de flujo de salida 4a, de forma que el gas N_{2} puede descargarse preferentemente a través del orificio de apertura y de cierre mencionado anteriormente 3a.

Además, la alimentación del CO_{2} mencionada anteriormente es para prevenir que se produzca un fenómeno de presión negativa temporalmente en el caso de que un artículo que debe tratarse sea colocado a la temperatura normal en la cámara de calentamiento 1 y se cierre la puerta de entrada 3. Después, en el enfriamiento rápido del artículo a tratar, en el caso que se abra la puerta intermedia 4 y se transfiera el artículo a la cámara de refrigeración, el aire dentro de la cámara de refrigeración 2 será expandido por el calor de radiación de la cámara de calentamiento 1 y el artículo calentado pero, cuando se cierra la puerta intermedia 4, el calor de radiación procedente de la cámara de calentamiento 1 será interrumpido y, cuando se sumerge entonces el artículo dentro del aceite de refrigeración, será negativa la presión de la cámara de refrigeración 2.

Con el fin de disolver esta presión negativa, se abre la válvula de apertura y de cierre 2 y se alimenta CO_{2} a la cámara de refrigeración 2 para prevenir el fenómeno de presión negativa.

Después, se abre la puerta de la salida 5, se enciende la llama de cortina 8 y el artículo tratado se lleva a cabo en el horno. Cuando la puerta de salida 5 se cierra y se extingue la llama de cortina 8, la presión dentro de la cámara de refrigeración 2 será negativa de nuevo y se aspirará el aire atmosférico a través del aparato de ajuste de la presión del horno mencionado anteriormente 7 de la atmósfera, la pieza de la puerta de salida 5 y similar es probable que provoquen una explosión.

Por tanto, la válvula de apertura y de cierre 22 se abre de nuevo y se alimenta CO_{2} a la cámara de refrigeración 2 para disolver la presión negativa.

Se ha confirmado que el CO dentro del horno puede mantenerse substancialmente a aproximadamente 40% en la operación mencionada anteriormente.

Es decir, CO en % en la atmósfera en el aparato preferido de la presente invención es como en el cálculo:

1

Ni que decir tiene que, en la operación actual, los valores calculados mencionados anteriormente serán reducidos por la entrada de aire a través de la pieza de empaquetadura de la puerta, la entrada de aire en el momento de la presión negativa provocada por el funcionamiento del horno y similar.

Por ejemplo, en el caso de la fórmula mencionada anteriormente (3), CO en % en la operación real fue aproximadamente 40%.

Además, CO en % en el cálculo de la invención mencionada en la Solicitud de Patente Japonesa mencionada anteriormente Nº de Publicación 38870/1999 fue como sigue:

2

Ni que decir tiene que el % de CO en la operación real fue aproximadamente 30%. Adicionalmente, en el caso de que se añada aire en lugar de oxígeno puro, el % de CO en el cálculo es como sigue:

3

Como se ha mencionado anteriormente, de acuerdo con la presente invención, a diferencia de los procesos convencionales respectivos, se previene que el CO contenido en la atmósfera se diluya en la mayor medida posible, la capacidad de carburación no es reducida, puede formarse una capa carburizada de una dureza y profundidad requeridas dentro de un tiempo más corto y el proceso es económico.

Se muestra un horno continuo en la figura 2, en la que las mismas partes que en la figura 1 llevan los números de referencia.

En la figura 2, el número de referencia 23 representa una cámara incorporada y 24 representa una puerta incorporada.

En esta forma de realización, después de terminar la carburación, se ajustará una operación continua y después, cuando la puerta incorporada 24, la puerta de entrada 3, la puerta intermedia 4 y la puerta de salida 5 se cierren, se producirán los respectivos fenómenos de presión negativa.

Ni que decir tiene que si la puerta de entrada 3 y la puerta intermedia 4 se abren simultáneamente mientras se cierra la puerta incorporada 24, puede reducirse uno de los fenómenos de presión negativa mencionados anteriormente. Además, puesto que el horno es continuo, incluso si se alimenta CO_{2} a cualquier cámara incorporada 23, la cámara de calentamiento 1 y la cámara de refrigeración 2, puede disolver la presión negativa.

Por tanto, en la forma de realización mostrada en el dibujo, la cámara incorporada 23 está provista con una trayectoria de alimentación CO_{2} 25 y una válvula de apertura y de cierre 26 que controla la cantidad alimentada de CO_{2}.

Además, en la forma de realización de este horno continuo, lo mismo que en la forma de realización del horno discontinuo mencionado anteriormente, el CO_{2} fue alimentado a la cámara de refrigeración 2 y se observó el proceso. No obstante, se ha confirmado que, si se alimenta CO_{2} a la cámara de refrigeración 2, la oxidación del campo de grano incrementará y no es conveniente.

En esta forma de realización, el caso de apertura de la válvula de apertura y de cierre 26 y la alimentación en CO_{2} es cuando la puerta de entrada 3 y la puerta intermedia 4 están cerradas y cuando la puerta de salida 5 está cerrada, excepto en el caso mencionado anteriormente.

Además, en esta forma de realización, solamente el gas hidrocarburo se hace fluir en la cámara de calentamiento 1 y se ha confirmado que el gas oxidativo es suficiente solamente con el gas de purga CO_{2} de la cámara incorporada.

En la figura 4, se muestra una relación entre el tiempo del ciclo y la profundidad de carburizada en el caso de que, sin utilizar un horno de transformación (gas), un gas hidrocarburo y un gas oxidativo fueron alimentados directamente dentro de un horno para carburizar un engranaje y, en el caso de que el mismo engranaje fue tratado por un proceso convencional.

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En el gráfico de la figura 4, las líneas (a) y (b) representan un proceso preferido de la presente invención, es decir, el caso de tratamiento con:

Ejemplo 1

Gas enriquecido (CH_{2})	30 l/min.
CO_{2}	3 l/min.
Gas de purga CO_{2}	300 l/min.

La línea (a) muestra el estado de la parte de la superficie del diente y la línea (b) muestra el estado de la pieza inferior del diente.

Las líneas (c) y (d) representan el tratamiento para el mismo tiempo que en la presente invención mencionada anteriormente con un proceso convencional, es decir,

Ejemplo 2

Gas enriquecido (CH_{2})	30 l/min.
Aire	3 l/min.

La línea (c) muestra el estado de la parte de la superficie del diente y la línea (d) muestra el estado de la pieza inferior del diente. Como se menciona anteriormente, utilizando el aparato de la presente invención, si el tiempo es el mismo, puede obtenerse una profundidad carburizada más profunda, y en el caso de obtener la misma profundidad carburizada, el tiempo puede acortarse.

Se describirá a continuación la eliminación del hollín depositado dentro de la entrada de gas 11 mencionada anteriormente.

En el proceso de carburación de gas preferido, es decir, si un gas hidrocarburo y un gas oxidativo son mezclados dentro de la entrada de gas 11 y son alimentados dentro del horno, se pirolizarán de forma incompleta en un intervalo de temperaturas de formación de hollín antes de alcanzar el horno una alta temperatura, y se depositará como hollín 27 dentro de la entrada de gas 11, como se muestra en la figura 3, estrechando de esta manera la trayectoria de alimentación del gas dentro de la entrada de gas 11 y las partículas de polvo caerán sobre la superficie superior del artículo que debe tratarse para generar un producto maloliente en muchos casos.

Como un método para eliminar el hollín 27 mencionado anteriormente, es alimentado un gas oxidativo dentro de la entrada de gas 11 para quemar el hollín 27 o el aire de alta presión es alimentado para eliminar a la fuerza el hollín 27.

No obstante, en cualquier método, la presión parcial de CO dentro del horno se reducirá y disminuirá la calidad del artículo tratado.

No obstante, en el aparato de la presente invención, si se alimenta CO_{2} a alta presión desde el orificio de alimentación de CO_{2} 14, en sincronización con la apertura de la puerta de entrada 3 o la puerta incorporada 24 colocando el artículo que debe tratarse, el hollín 27 mencionado anteriormente depositado dentro de la entrada de gas 11 será capaz de ser eliminado y no se reducirá la presión parcial de CO.

El CO_{2} de alta presión mencionado anteriormente puede ser alimentado cuando la deposición del hollín 27 dentro de la entrada de gas 11 se confirma o periódicamente.

Es decir, en el caso del horno discontinuo mostrado en la figura 1, el CO_{2} de alta presión puede ser alimentado por la válvula de apertura y de cierre 20 en conformidad con la apertura de la puerta de entrada 3.

En el caso del horno continuo en la figura 2, puesto que las entradas de gas 11 están previstas a intervalos regulares en la cámara de calentamiento 1, se eliminará secuencialmente el hollín 27 mencionado anteriormente.

Es decir, lo primero de todo, en el primer ciclo, el CO_{2} de alta presión es alimentado a la entrada de gas 11 más próxima a la cámara incorporada 23 para eliminar el hollín 27, después, en el siguiente ciclo, el CO_{2} de alta presión es alimentado a la segunda entrada de gas 11 para eliminar el hollín 27 y secuencialmente el hollín 27 de la entrada de gas 11 es eliminado de forma que puede prevenirse la deposición del hollín 27 dentro de la entrada de gas 11 y puede prevenirse la generación de un producto maloliente del artículo tratado.

Claims (6)

1. Un aparato de carburación de gas, que comprende un horno de tratamiento del calor dispuesto para ser accionado a presión atmosférica, comprendiendo dicho horno una cámara de calentamiento provista con una puerta de entrada (3) y una entrada de gas común (11) conectada directamente a una fuente de un gas hidrocarburo, una fuente de gas oxidativo y una fuente de gas CO_{2} para introducir dichos gases dentro de la cámara de calentamiento, estando dicha entrada de gas común en forma de un tubo común que se extiende a través de una pared de la cámara de calentamiento, estando conectadas las fuentes de gas en uno de sus extremos que está fuera del horno, caracterizado porque al menos dicha puerta de entrada está provista con un orificio de apertura y de cierre (3a) para descargar los gases desde el interior de la cámara de calentamiento cuando dicha puerta de entrada está cerrada, comprendiendo adicionalmente dicho aparato una cámara de refrigeración (2) con una puerta de salida (5), estando conectada la cámara de refrigeración a dicha cámara de calentamiento por una puerta intermedia (4) que tiene un orificio (4a), y porque el orificio de apertura y de cierre (3a) de la puerta de entrada (3) es inferior en resistencia al orificio (4a) de la puerta intermedia (4).

2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, donde el orificio de apertura y de cierre (3a) de la puerta de entrada (3) es de área mayor que el orificio (4a) de la puerta intermedia (4).

3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, donde dicha cámara de refrigeración (2) está provista con medios (21) para introducir un gas de CO_{2}.

4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, donde dicha fuente de gas CO_{2} está conectada a un orificio de alimentación de CO_{2} del tubo de entrada común (11) a través de una válvula de control (20) para controlar la cantidad de alimentación de CO_{2}.

5. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende adicionalmente una cámara incorporada (23) conectada a dicha cámara de calentamiento.

6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 5, donde dicha cámara incorporada (23) está provista con medios para introducir el gas CO_{2} (25).