ES2297138T3 - Procedimiento de enfriamiento rapido de piezas mediante transferencia por conveccion y radiacion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de enfriamiento rápido de piezas metálicas con ayuda de un gas de enfriamiento a presión, procedimiento en el que se ponen en práctica las medidas siguientes: - el gas de enfriamiento comprende un contenido comprendido entre el 5% y el 80% en volumen, preferiblemente entre el 20% y el 80% en volumen, de uno o varios gases que absorben la radiación infrarroja, seleccionado(s) del grupo formado por hidrocarburos saturados o insaturados, de CO 2, CO, H 2O, NH 3, NO, N 2O, NO 2, y sus mezclas, de manera que se mejora la transferencia térmica a la pieza conjugando los fenómenos de transferencia por radiación y por convección, y de manera que se mejora el coeficiente de transferencia por convección con respecto a las condiciones tradicionales de enfriamiento en nitrógeno; - el gas de enfriamiento comprende igualmente un gas aditivo que presenta una buena capacidad para la transferencia de calor por convección seleccionado de entre el helio o el hidrógeno o sus mezclas; ajustándose igualmente la composición del gas de enfriamiento de manera que se obtiene una densidad media del gas de enfriamiento así constituido que es próxima a la del nitrógeno.
Description
Procedimiento de enfriamiento rápido de piezas
mediante transferencia por convección y radiación.
La presente invención se refiere de manera
general al tratamiento térmico de los metales y más particularmente
a la operación de temple gaseoso de piezas de acero que se han
sometido previamente a un tratamiento térmico (tal como
calentamiento antes del temple, recocido, revenido) o termoquímico
(tal como cementación, carbonitruración). Tales temples gaseosos se
realizan generalmente haciendo circular un gas a presión en
circuito cerrado entre una carga y un circuito de enfriamiento. Por
motivos prácticos, las instalaciones de temple con gas funcionan
generalmente a presiones comprendidas entre cuatro y veinte veces
la presión atmosférica (de 4 a 20 bares o de 4000 a 20000
hectopascales). Para designar la presión, se utilizará en la
presente descripción como unidad el bar, entendiéndose que un bar
es igual a 1000 hPa.
La figura 1 representa de manera muy esquemática
un ejemplo de instalación de temple gaseoso. Esta instalación 1
contiene una carga 2 para enfriar dispuesta en un recinto 3
estanco. La carga está normalmente rodeada por placas 4 de
deflexión para guiar la circulación de gas. Una entrada 5 de gas
permite introducir a presión una mezcla gaseosa deseada
entendiéndose que pueden introducirse, por ejemplo, los gases de
enfriamiento en forma de una mezcla formada previamente o que
pueden preverse varias entradas de gas diferenciadas para
introducir por separado diversos gases de enfriamiento.
Habitualmente se prevé un acceso de puesta a vacío del recinto (no
representado). Una turbina 6 accionada por un motor 7 permite
garantizar la circulación de los gases, por ejemplo haciendo pasar
de un circuito 9 de enfriamiento hacia la carga 2 que va a
enfriarse. El circuito 9 de enfriamiento está habitualmente
constituido por tuberías en las que circula un fluido de
enfriamiento.
La instalación de la figura 1 sólo se ha
representado a título de ejemplo de una de las numerosas
estructuras posibles y existentes para garantizar la circulación de
un gas de enfriamiento en un recinto. De manera clásica, la
presión es del orden de 4 a 20 bares durante la fase de
enfriamiento. Hay numerosas variantes posibles, en cuanto a la
disposición de la carga, al sentido de la circulación de los gases
y al modo de puesta en circulación de estos gases.
Por motivos prácticos, el gas utilizado más
habitualmente para garantizar el enfriamiento es el nitrógeno,
teniendo en cuenta que se trata de un gas inerte y poco costoso.
Además, su densidad está bien adaptada a las instalaciones
sencillas con ventiladores o turbinas y su coeficiente de
transferencia térmica es lo suficientemente satisfactorio. De
hecho, en los sistemas de temple gaseoso se sabe que la reducción
de la temperatura debe ser lo más rápida posible para que la
transformación del acero se haga de manera satisfactoria de la fase
austenítica a la fase martensítica sin pasar por fases perlítica
y/o bainítica.
No obstante, se constata que en ciertos casos
críticos, las instalaciones de temple con nitrógeno no permiten
obtener una velocidad de reducción de la temperatura suficiente.
Por tanto se han intentado temples con hidrógeno o con helio. Un
inconveniente del uso de estos gases es que las instalaciones
existentes, dimensionadas para el temple con nitrógeno, en
particular en lo que se refiere a la potencia de ventilación, no
están optimizadas para el uso de gas de densidad sensiblemente
diferente. Además, el helio es un gas sensiblemente más costoso que
el nitrógeno, mientras que el hidrógeno presenta riesgos de
inflamabilidad y su uso necesita tomar precauciones
particulares.
Además, debe observarse que todos estos enfoques
anteriores (tales como los que recomiendan el uso de hidrógeno o
de helio) se basaban en una búsqueda de mejorar sólo la
transferencia por convección en el interior de la cámara de
tratamiento.
Para ilustrar la técnica anterior, puede
mencionarse igualmente el enfoque particular del documento
EP-1 050 592, que prevé la presencia de gases tales
como CO_{2} o NH_{3} en el gas de temple, pero no observa la
mejora suplementaria en la eficacia del temple con respecto a las
mezclas inertes ya puestas en práctica, estando principalmente
relacionada la utilidad de su presencia según el documento con dos
aspectos, por una parte la obtención simultánea de efectos
termoquímicos (oxidación, nitruración, etc.) lo cual se concibe, y
por otra parte la integración física facilitada en un procedimiento
global de tratamiento térmico (por ejemplo, en un procedimiento de
cementación) ya que el temple aguas abajo puede utilizar entonces
los mismos gases que el tratamiento propiamente dicho situado
aguas
arriba.
arriba.
Puede mencionarse igualmente el caso del
documento EP-1 211 329 en el que están presentes
accidentalmente CO_{2} o CO, pero sin que se realice ninguna
consideración activa ni investigación de optimización de los
coeficientes de transferencia.
Sin salirse del campo del CO_{2}, podrá
hacerse referencia igualmente a los dos documentos siguientes en
los que cuando se menciona el CO_{2} en operaciones de temple es
en una aplicación totalmente distinta (por ejemplo en la
transformación del plástico como en el documento WO 00/07790) o
incluso en forma líquida como en el documento WO 97/15420.
En este contexto, uno de los objetivos de la
presente invención es prever un procedimiento de temple que utilice
un gas de enfriamiento térmicamente más eficaz que el nitrógeno
pero que sea poco costoso y fácil de utilizar, que permita
garantizar el enfriamiento de los materiales más exigentes.
Otro objetivo de la presente invención es prever
un procedimiento de enfriamiento que utilice un gas compatible con
las instalaciones existentes que funcionan actualmente con
nitrógeno (y por tanto que no necesite ninguna modificación
significativa de la instalación).
Para lograr estos objetivos, la presente
invención prevé, en un procedimiento de enfriamiento rápido de
piezas metálicas con ayuda de un gas de enfriamiento a presión, el
uso de un gas de enfriamiento que comprende uno o varios gases que
absorben la radiación infrarroja según la reivindicación 1 a
continuación.
Se concibe que el concepto de "mejora con
respecto a las condiciones tradicionales de enfriamiento con
nitrógeno" debe entenderse según la invención como que compara
condiciones idénticas de presión, temperatura o incluso instalación
de temple.
El procedimiento según la invención podrá
adoptar además una o varias de las siguientes características
técnicas:
- el gas de enfriamiento comprende además un gas
complementario;
- la composición del gas de enfriamiento está
ajustada igualmente de manera que se optimiza el coeficiente de
transferencia por convección con respecto a los coeficientes de
transferencia por convección de cada uno de los constituyentes del
gas de enfriamiento tomados individualmente;
- la operación de enfriamiento se realiza en el
interior de un recinto en el que están dispuestas las piezas que
van a tratarse, dotado de un sistema de agitación de gas, y la
composición del gas de enfriamiento está ajustada de manera que se
obtiene una densidad media del gas de enfriamiento así constituido
que está adaptada a dicho sistema de agitación del recinto, sin que
sea necesario aportar modificaciones significativas;
- la composición del gas de enfriamiento está
ajustada igualmente de manera que, durante la fase de enfriamiento
de las piezas, puedan producirse reacciones químicas endotérmicas
entre el o uno de los gases absorbentes y otro de los
constituyentes del gas de enfriamiento;
- dicho gas que absorbe la radiación infrarroja
es el CO_{2};
- dicho gas que absorbe la radiación infrarroja
se selecciona del grupo formado por hidrocarburos saturados o
insaturados, CO, H_{2}O, NH_{3}, NO, N_{2}O, NO_{2} y sus
mezclas;
- el gas de enfriamiento es una mezcla binaria
de CO_{2}-He, cuyo contenido en CO_{2} está
comprendido entre el 30 y el 80%;
- el gas de enfriamiento es una mezcla binaria
de CO_{2}-H_{2}, cuyo contenido en CO_{2}
está comprendido entre el 30 y el 60%;
- se realiza una operación de reciclado del gas
de enfriamiento tras su uso, apta para volver a comprimir el gas
antes de un uso posterior, y según el caso igualmente para separar
y/o depurar para así recuperar todos o parte de los constituyentes
del gas de enfriamiento.
La invención se refiere igualmente al uso en una
instalación de enfriamiento rápido de piezas metálicas con ayuda de
un gas de enfriamiento a presión, de un gas de enfriamiento que
comprende del 20 al 80% de un gas que absorbe la radiación
infrarroja y del 80 al 20% de hidrógeno o de helio o de sus
mezclas, tal como se reivindica en la reivindicación 11 a
continuación.
Tal como se habrá entendido las nociones según
la invención de "selección" del o de los gases absorbentes, o
incluso de "ajuste" para alcanzar las propiedades deseadas de
coeficiente de transferencia, o de densidad o incluso de carácter
endotérmico, deben entenderse como que se refieren a la naturaleza
de los constituyentes de la mezcla y/o su contenido en esa
mezcla.
Por tanto, es mérito de la presente invención el
haberse desmarcado del enfoque tradicional de la técnica anterior
de mejora sencilla de las condiciones de transferencia por
convección, para constatar que la parte de transferencia por
radiación en la transferencia térmica global está situada entre
aproximadamente el 7 y el 10% (en el intervalo que va de 400 a
1050ºC), por tanto muy significativa, y que por tanto era
totalmente ventajoso interesarse por este aspecto de la
transferencia para tenerla en cuenta y explotarla.
Estos objetivos, características y ventajas, así
como otros, de la presente invención se expondrán en detalle en la
siguiente descripción de modos de realización particulares
realizada a título no limitativo en relación con las figuras
adjuntas en las que:
- la figura 1, descrita anteriormente,
representa un ejemplo de instalación de temple con gas;
- las figuras 2A y 2B representan el coeficiente
de transferencia térmica por convección de diferentes mezclas de
gas a diferentes presiones, en el caso de un fluido en flujo
paralelo entre cilindros; y
- la figura 3 representa curvas de variación de
temperatura en función del tiempo para diversos gases de temple
utilizados en las mismas condiciones. Según la presente invención,
se propone utilizar como gas de temple un gas que absorbe la
radiación infrarroja o una mezcla a base de tales gases que
absorben la radiación infrarroja (denominado en lo sucesivo gas
absorbente), tal como dióxido de carbono (CO_{2}), y con adición
de uno o varios gases que presentan una buena capacidad para la
transferencia de calor por convección (denominado a continuación
gas aditivo) seleccionados del helio o el hidrógeno.
Una mezcla de este tipo presenta la ventaja, con
respecto a los gases o mezclas de gases de temple tradicionales
que utilizan gases transparentes a las radiaciones infrarrojas,
como el nitrógeno, el hidrógeno y el helio, de absorber calor a la
vez mediante fenómenos de convección y de radiación, aumentando así
el flujo de calor global extraído de una carga que debe
enfriarse.
Eventualmente pueden añadirse a esta mezcla
otros gases, denominados a continuación gases complementarios,
tales como el nitrógeno, considerado tanto sencillamente como gas
portador como, en un papel más activo, que permite, tal como se
verá a continuación, optimizar las propiedades de la mezcla de
gases como la densidad, la conductividad térmica, la viscosidad,
etc.
Según modos de realización de la presente
invención, tal como se ilustra en las figuras 2A y 2B, se propone
utilizar ciertas mezclas de gases tal como se definieron
anteriormente, que presentan además mejores coeficientes de
transferencia térmica por convección (k_{H}) en vatios por metro
cuadrado y por kelvin que cada uno de los gases tomados por
separado. De hecho, tal como se observó anteriormente, según uno de
los modos ventajosos de puesta en práctica de la invención, se
ajustará la composición del gas de enfriamiento de manera que se
"optimice" el coeficiente de transferencia por convección con
respecto a los coeficientes de transferencia por convección de cada
uno de los constituyentes del gas de enfriamiento tomados
individualmente. Debe entenderse entonces aquí por
"optimización" el hecho de situarse en el máximo de la curva
considerada, o bien más abajo (por ejemplo por motivos económicos)
pero, en cualquier caso, que se dispone de un coeficiente de
transferencia por convección que es mejor que cada uno de los
coeficientes de transferencia por convección de cada uno de los
constituyentes del gas de enfriamiento tomados individualmente.
Según otro modo ventajoso de puesta en práctica
de la presente invención, se propone utilizar una mezcla de gas
absorbente (y según el caso de gas aditivo), eventualmente con
adición de gases complementarios, en condiciones optimizadas de
densidad tales que puede realizarse un temple en instalaciones de
temple habitualmente previstas y optimizadas para funcionar en
presencia de nitrógeno. Para ello, con el dióxido de carbono se
mezcla por ejemplo helio, tomado como gas aditivo, de tal manera
que se combina una optimización del coeficiente de transferencia
de calor por convección y una densidad media de la mezcla que es
del mismo orden de magnitud que la del nitrógeno. Entonces pueden
utilizarse las instalaciones existentes con velocidades y potencias
de ventilación comparables y las estructuras de ventilación y de
deflexión de gas existentes, sin tener que aportar modificaciones
significativas a la instalación.
Esto presenta la ventaja de que, en una
instalación dada, optimizada para un temple con nitrógeno, el
usuario podrá, en tiempo normal, cuando resulta conveniente para
los materiales considerados, utilizar nitrógeno como gas de temple
y, únicamente en casos particulares de materiales más exigentes, es
decir, cuando las condiciones específicas de las piezas o de los
aceros que van a tratarse necesiten tratamientos particulares,
utilizar por ejemplo la mezcla de dióxido de carbono y helio
facilitada en el ejemplo o incluso la mezcla de dióxido de carbono
e hidrógeno indicada igualmente como ejemplo en el presente
documento.
Por supuesto, tal como resultará claro para el
experto en la técnica, aunque la invención se ha ilustrado de
manera muy particular en lo anterior con ayuda del CO_{2}, pueden
considerarse igualmente en el presente documento otros gases que
absorben la radiación IR sin salir en ningún momento del marco de
la presente invención, tales como los hidrocarburos saturados o
insaturados, CO, H_{2}O, NH_{3}, NO, N_{2}O, NO_{2} y sus
mezclas.
La figura 2A representa, para presiones de 5, 10
y 20 bares, el coeficiente de transferencia térmica por convección
k_{H} de una mezcla de CO_{2} y de helio, para diversas
proporciones de CO_{2} en la mezcla. Por tanto, las abscisas
proporcionan la razón entre la concentración de CO_{2},
c(CO_{2}), y la concentración total de CO_{2} y He,
c(CO_{2}+He). Se constata que el coeficiente de
transferencia térmica por convección presenta un máximo para
valores de concentración de CO_{2} comprendidos entre
aproximadamente el 40 y el 70%, en este caso de aproximadamente 650
W/m^{2}/K a 20 bares para una concentración del orden del 60%.
Por tanto, la mezcla no solamente presenta la ventaja de tener una
densidad próxima a la del nitrógeno sino que además presenta un
coeficiente de transferencia térmica por convección superior al de
CO_{2} puro.
La figura 2B representa curvas similares para
mezclas de dióxido de carbono (CO_{2}) y de hidrógeno (H_{2}).
Se constata que existe un máximo del coeficiente de transferencia
térmica por convección k_{H} para valores de concentración de
CO_{2} comprendidos entre aproximadamente el 30 al 50%, en este
caso de aproximadamente 850 W/m^{2}/K a 20 bares para una
concentración del orden del 40%. Además, se observa que el
coeficiente de transferencia térmica por convección k_{H} es
mejor para una mezcla de dióxido de carbono y de hidrógeno que para
una mezcla de CO_{2} y de helio.
Otra ventaja del uso de una mezcla de este tipo
de dióxido de carbono y de hidrógeno es que, en las condiciones
habituales de temple de piezas de acero, se producen reacciones
químicas endotérmicas entre el CO_{2} y el hidrógeno, lo que
contribuye aún más a la rapidez del enfriamiento. Por otro lado, se
constata que, en presencia de CO_{2}, el riesgo de explosión
asociado al hidrógeno se reduce sensiblemente, incluso aunque se
produzca una desafortunada introducción de oxígeno.
La figura 3 ilustra el resultado de cálculos que
simulan el enfriamiento mediante transferencia por convección de
un cilindro de acero con diversos gases de enfriamiento en el caso
del flujo de la mezcla paralelo a la longitud de los cilindros
(simulando los cilindros el caso de piezas alargadas). Se han
representado las curvas para el nitrógeno puro (N_{2}), para una
mezcla al 60% de CO_{2} y al 40% de helio, para hidrógeno puro y
para una mezcla al 40% de CO_{2} y al 60% de hidrógeno. Se
constata que es ésta última mezcla la que proporciona los mejores
resultados, es decir, la mayor velocidad de enfriamiento entre 850
y 500ºC. Para ésta última mezcla, la mejora de la velocidad de
temple es del orden del 20% con respecto al hidrógeno solo y del
orden del 100% con respecto al nitrógeno solo.
Por supuesto, tal como ya se indicó
anteriormente, la presente invención es susceptible de diversas
variantes y modificaciones que se le ocurrirán al experto en la
técnica, especialmente en lo que se refiere a la selección de los
gases, la optimización de las proporciones de cada gas,
entendiéndose que podrán utilizarse, si se desea, mezclas
terciarias tales como
CO_{2}-He-H_{2} y que
eventualmente podrán añadirse otros gases, denominados
anteriormente gases complementarios.
Claims (11)
1. Procedimiento de enfriamiento rápido de
piezas metálicas con ayuda de un gas de enfriamiento a presión,
procedimiento en el que se ponen en práctica las medidas
siguientes:
- el gas de enfriamiento comprende un contenido
comprendido entre el 5% y el 80% en volumen, preferiblemente entre
el 20% y el 80% en volumen, de uno o varios gases que absorben la
radiación infrarroja, seleccionado(s) del grupo formado por
hidrocarburos saturados o insaturados, de CO_{2}, CO, H_{2}O,
NH_{3}, NO, N_{2}O, NO_{2}, y sus mezclas, de manera que se
mejora la transferencia térmica a la pieza conjugando los fenómenos
de transferencia por radiación y por convección, y de manera que
se mejora el coeficiente de transferencia por convección con
respecto a las condiciones tradicionales de enfriamiento en
nitrógeno;
- el gas de enfriamiento comprende igualmente un
gas aditivo que presenta una buena capacidad para la transferencia
de calor por convección seleccionado de entre el helio o el
hidrógeno o sus mezclas;
ajustándose igualmente la composición del gas de
enfriamiento de manera que se obtiene una densidad media del gas
de enfriamiento así constituido que es próxima a la del
nitrógeno.
2. Procedimiento de enfriamiento según la
reivindicación 1, caracterizado porque el gas de enfriamiento
comprende además un gas complementario.
3. Procedimiento de enfriamiento según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la composición
del gas de enfriamiento se ajusta igualmente de manera que se
optimiza el coeficiente de transferencia por convección con
respecto a los coeficientes de transferencia por convección de cada
uno de los constituyentes del gas de enfriamiento tomados
individualmente.
4. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
operación de enfriamiento se realiza en el interior de un recinto
en el que se disponen las piezas que van a tratarse, dotado de un
sistema de agitación de gas, y porque dicho ajuste que permite
obtener una densidad media del gas de enfriamiento así constituido
que es próxima a la del nitrógeno permite obtener una densidad
media del gas de enfriamiento así constituido que está adaptada a
dicho sistema de agitación del recinto, sin que sea necesario
aportar modificaciones significativas.
5. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
composición del gas de enfriamiento se ajusta igualmente de manera
que, durante la fase de enfriamiento de las piezas, pueden
producirse reacciones químicas endotérmicas entre el o uno de los
gases absorbentes y otro de los constituyentes del gas de
enfriamiento.
6. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
gas que absorbe la radiación infrarroja es CO_{2}.
7. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho gas
que absorbe la radiación infrarroja se selecciona del grupo
formado por hidrocarburos saturados o insaturados, CO, H_{2}O,
NH_{3}, NO, N_{2}O, NO_{2}, y sus mezclas.
8. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el gas de
enfriamiento es una mezcla binaria de CO_{2}-He,
cuyo contenido en CO_{2} está comprendido entre el 30 y el
80%.
9. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el gas de
enfriamiento es una mezcla binaria de
CO_{2}-H_{2}, cuyo contenido en CO_{2} está
comprendido entre el 30 y el 60%.
10. Procedimiento de enfriamiento según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
realiza una operación de reciclado del gas de enfriamiento tras su
uso, apta para volver a comprimir el gas antes de una utilización
posterior y, según el caso, también para separar y/o depurar para
así recuperar todos o parte de los constituyentes del gas de
enfriamiento.
11. Uso en una instalación de enfriamiento
rápido de piezas metálicas con ayuda de un gas de enfriamiento a
presión, instalación dotada de un sistema de agitación, de un gas
de enfriamiento que comprende del 20 al 80% de un gas que absorbe
la radiación infrarroja seleccionado(s) del grupo formado
por hidrocarburos saturados o insaturados, CO_{2}, CO, H_{2}O,
NH_{3}, NO, N_{2}O, NO_{2}, y sus mezclas, y que comprende
del 80 al 20% de hidrógeno o de helio o de sus mezclas, ajustándose
la composición del gas de enfriamiento para obtener una densidad
media del gas de enfriamiento así constituido que es próxima a la
del nitrógeno, permitiendo así obtener una densidad media del gas
de enfriamiento así constituido que está adaptada a dicho sistema
de agitación para que no sea necesario aportar modificaciones
significativas a la instalación.
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