MXPA01006313A - Celda de endurecimiento de gas. - Google Patents

Abstract

Una celda para el endurecimiento de piezas de acero por la circulacion de un gas en un recinto hermetico, incluye por lo menos un aspirador estatico para circular el gas, el gas presente en la entrada del aspirador estatico esta a una presion mayor que la presion atmosferica.

Description

CELDA DE ENDURECIMIENTO DE GAS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Pampr» «je la invención La presente invención se relaciona al tratamiento de piezas de acero, y más específicamente al endurecimiento de piezas que tienen que ser sometidas a tratamientos térmicos, especialmente de cementación, es decir, a la introducción de carbón en la superficie de las piezas para mejorar su dureza. Discusión da la técnica relacionada Un proceso de cementación consiste en someter las piezas para ser procesadas, en una cámara hermética, una alternación de pasos de enriquecimiento en la presencia de un gas de cementación y de los pasos de difusión bajo vacío o bajo una atmósfera neutral. La duración respectiva de los pasos de difusión y de enriquecimiento como también su número dependen especialmente de la concentración de carbón deseada y de la profundidad en la superficie exterior de las piezas, y los mencionados tratamientos son bien conocidos en el arte. Un ejemplo de un proceso de cementación de baja presión es descrito en la solicitud de -la patente Francesa No. 2,678,287 del solicitante. Cualquier proceso de cementación es seguido por al menos un paso de endurecimiento efectuado ya sea en aceite, o en un gas. Un propósito principal del endurecimiento es obtener un enfriamiento rápido de las piezas cementadas sin alterar el estado de la superficie obtenida. Un gas de endurecimiento es frecuentemente preferido ya que le permite obtener directamente piezas cementadas limpias.

La presente invención también se relaciona con la carbonitruración, la única diferencia con respecto a la cementación se encuentra en el gas de enriquecimiento usado, por lo cual el amoniaco es generalmente agregado. El resultado conocido de esto es la formación de nitruro (en lugar de carburo para la cementación) en la superficie de la pieza. Por lo tanto se debe observar que todo esto será discutido más adelante en relación con la cementación también aplica a la carbonitruración.

El proceso de endurecimiento que sigue a la cementación o la carbonitruración debe considerar varias restricciones, entre las que un enfriamiento rápido de la pieza para evitar dañar su superficie. Para incrementar el rango de endurecimiento con un gas dado, se debe incrementar el flujo de la masa del gas, es decir, deben ser incrementadas la presión estática y/o la velocidad del gas de endurecimiento.

Los procesos de cementación y de endurecimiento son generalmente efectuados en instalaciones de tratamientos térmicos por hornadas en las cuales las cargas u hornadas de las piezas a ser procesadas son significantes (frecuentemente de varios cientos de kilogramos) .

La Fig. 1 es una vista de la sección transversal simplificada que muestra un ejemplo convencional de una celda de tratamiento térmico 1 de una instalación de cementación del tipo para la cual aplica la invención presente. La celda 1 ilustrada en la Fig. 1 es una celda doble que puede ser usada para calentar una hornada 2 de piezas para ser tratadas en un proceso de cementación y para someter esta hornada a un endurecimiento, es decir, un enfriamiento rápido. La celda 1 incluye esencialmente un recinto 3 externo hermético (más frecuentemente tubular para mejorar la resistencia mecánica a la diferencia de presiones entre el interior y el exterior del recinto) en la que una cámara 4 para tratamiento térmico es definida por las paredes apropiadas, y que descansan generalmente en tierra por medio de una base 10. los elementos de calentamiento 5 (por ejemplo, barras resistivas eléctricas) son distribuidas en la cual la carga 2 es colocada dentro de la cámara de tratamiento. El recinto 3 también está equipado con una turbina de enfriamiento 6 que puede ser impulsada por un motor 7 para mover el aire o el gas dentro del recinto 3 durante el paso de endurecimiento. Para facilitar la circulación del aire, la cámara 4 está equipada, por ejemplo en sus paredes inferior y superior, con aletas térmicas móviles 8, las cuales tienen por objeto que estén cerradas durante el tratamiento térmico de cementación y que estén abiertas durante el proceso de endurecimiento. La turbina 6 envía el aire generalmente al exterior de la cámara 4 para tenerlo transversal a un intercambiador de calor 9 interpuesto entre las paredes externas de la cámara 4 y las paredes internas del recinto 3. El gas de endurecimiento ^ entra en la cámara de tratamiento 4 a través del fondo del recinto y sale de ella al nivel de la turbina 6 colocada en su parte superior, como se ilustra por las flechas en la Fig. 1. Esto es por supuesto un ejemplo de distribución y de otras estructuras que también son conocidas, en particular, la circulación del gas puede ser invertida. Para simplif cación, ^ 10 no se muestran las entradas y salidas de gas del recinto 3.

V../ La Fig. 2 es una vista de la sección transversal simplificada que muestra otro ejemplo conocido de una celda de endurecimiento 1' la cual está aquí dedicada, es decir que únicamente es usada para el endurecimiento de piezas 15 cementadas. Como una celda l1, por ejemplo, se proporciona una instalación en línea para recibir las hornadas 2 de piezas que para ser procesadas tienen que ser sometidas, en celdas adyacentes, a cementación térmica o tratamientos de \ carbonitruración. La celda l' incluye esencialmente, similar 20 a la anteriormente descrita celda 1, un recinto hermético 3 en el cual la carga 2 es colocada para ser procesada. Una cámara de endurecimiento 1 está definida por paredes que están aquí permanentemente abiertas, en la parte superior y en el fondo del recinto 3. Un motor 7 tiene como objetivo 25 impulsar, por medio de su eje propulsor 7', una turbina 6 a cargo de enviar aire o gas hacia un intercambiador de calor 9 colocado entre la pared externa de la cámara 4 ' y la pared interna del recinto 3. El gas entonces sigue la trayectoria indicada por las flechas en la Fig. 2 para entrar a la cámara de tratamiento 4' a través del fondo del recinto 3 y salir al nivel de la turbina 6. Otros tipos de turbinas permiten la circulación invertida del gas. Estar en celdas dobles o en celdas dedicadas, varios motores y varias turbinas la mayoría de las veces están alineadas en la porción alta del recinto para incrementar el flujo de aire que condiciona la velocidad del endurecimiento.

La presente invención aplica más específicamente a las celdas de endurecimiento como las ilustradas en las Figuras 1 y 2 donde el gas recircula sobre la carga que se procesará en un circuito cerrado, calentándose al contacto de la carga, entonces pierden estas calorías a través de un intercambiador . Dichas celdas son usadas especialmente cuando el gas de endurecimiento no es aire sino un gas (por ejemplo, nitrógeno u otro gas neutral) , las cantidades usadas que se desea sean economizadas. Una desventaja de las celdas de tratamiento convencional es que los rangos de flujo requeridos para el endurecimiento rápido fatigan los motores debido a que para impulsar las turbinas deben girar a muy altas velocidades. Por ejemplo, para obtener una presión de endurecimiento del orden de 20 bars con un flujo de aproximadamente 5 m3/s, se usan motores con una potencia mayor de 100 KW que giran a varios miles de revoluciones por minuto. Dichas velocidades de rotación aceleran el desgaste de los motores, en particular de las piezas mecánicas que giran. Compendio de la invención La presente invención tiene como objetivo superar las desventajas de las celdas de tratamiento térmico y/o endurecimiento conocidas. La presente invención tiene como objetivo más específicamente evitar los problemas asociados con el uso del motor en el impulso de las turbinas de una celda de enfriamiento térmico. La presente invención también tiene como objetivo proporcionar una solución que sea compatible con una operación de circuito cerrado de la celda de endurecimiento, en particular, si el gas de endurecimiento usado no es aire por lo tanto debe ser economizado. La presente invención también tiene como objetivo mantener, o aún mejorar, la velocidad de endurecimiento. Para alcanzar estos objetos, la presente invención proporciona una celda de endurecimiento de piezas de acero por la circulación de un gas en un recinto cerrado, el cual incluye por lo menos un aspirador estático para hacer circular el gas presente en la entrada del aspirador estático está a una presión mayor que la presión atmosférica. De conformidad con una modalidad de la presente invención, la circulación del gas en el recinto se realiza en circuito cerrado excepto por el flujo de aire secundario inyectado a como un inductor de fluido dentro del aspirador estático. De conformidad con una modalidad de la presente invención, la circulación del gas en un circuito cerrado pasa a través de los medios de intercambio térmico encargados de enfriarlo . De conformidad con una modalidad de la presente invención, la celda incluye los medios para reciclar el flujo de aire inductor secundario. De conformidad con una modalidad de la presente invención, el fluido inductor es inyectado dentro de los aspiradores estáticos con una presión que varía de 20 a 80 bars . De conformidad con una modalidad de la presente invención, la celda incluye un recinto hermético; una cámara de enfriamiento dentro de dicho recinto, proyectado para recibir una carga de piezas de acero para ser enfriadas,- un medio intercambiador térmico sobre la trayectoria de circulación de un gas de enfriamiento entre una pared externa de la cámara de enfriamiento y una pared interna del recinto hermético; una pluralidad de aspiradores estáticos de gas en una pared superior de la cámara de tratamiento. Lo último que es abierto en una pared opuesta para evacuar el gas de procesamiento; y los conductos del gas inductor bajo una presión mayor que la presión del gas contenido en el recinto.

De conformidad con una modalidad de la presente invención, la celda es asociada con un compresor para inyectar el fluido inductor dentro de los aspiradores estáticos. De conformidad con una modalidad de la presente invención, el gas es escogido entre nitrógeno, helio, y aire.

Los anteriores objetos, características y ventajas de la presente invención, se discutirán en detalle en la siguiente descripción sin limites de las modalidades específicas en conexión con los dibujos adjuntos. Breve descripción de los dibujos La Fig. 1 es una vista de la sección transversal simplificada de un ejemplo de una celda de tratamiento térmico convencional del tipo para el cual la presente invención aplica. La Fig. 2 es una vista de la sección transversal simplificada de un ejemplo de una celda de endurecimiento convencional del tipo para el cual la presente invención aplica. La Fig. 3 es una vista muy simplificada de la sección transversal, una primera modalidad de una celda de endurecimiento de conformidad con la presente invención. La Fig. 4 es una vista de la sección transversal de un aspirador estático de una celda de endurecimiento de conformidad con una modalidad de la presente invención; y La Fig. 5 muestra, en una vista similar a esa de la Fig. 3, una segunda modalidad de la presente invención. Descripción detallada Los mismos elementos han sido designados con las mismas referencias en los diferentes dibujos. Para claridad, únicamente aquellos elementos de una celda de endurecimiento, y más generalmente de una instalación térmica, que son necesarios para el entendimiento de la presente invención son mostrados en los dibujos y serán descritos de aquí en adelante . Una característica de la presente invención es usar, como elementos para forzar la circulación del gas o del aire en la celda de endurecimiento, multiplicadores del flujo asociados con una fuente de aire comprimido que proporcionan un flujo relativamente bajo de aceleración del gas. De conformidad con la presente invención, se usan los multiplicadores de flujo del llamado efecto $$ venturi¾ , los cuales son conocidos por incrementar el flujo del aire ambiente por medio de aire comprimido. Este tipo de dispositivo también es conocido como un aspirador estático. La Fig. 3 es una vista de sección transversal simplificada que muestra una modalidad de una celda de enfriamiento de conformidad con la presente invención. Una celda de endurecimiento de gas 20 incluye un recinto hermético 23 soportado por una base 30 y proyectado para recibir una carga 2 para ser enfriada. La carga 2 es introducida dentro de la cámara 24 la cual está abierta sobre un solo lado. Por ejemplo, en su porción baja, en el lado opuesto para abrir la cámara 24, se proporciona por lo menos un aspirador estático 26, en que la entrada para el gas que se introduce se localiza en la parte exterior de la cámara 24 y la salida del gas inducido es dirigido hacia la carga 2 para ser procesada. Preferiblemente, varios aspiradores estáticos son usados debido a los volúmenes que van a ser procesados. Los aspiradores 26 reciben, como un fluido de trabajo, aire o gas bajo presión que viene de los conductos 27' originada desde un compresor de gas o de aire 27. El compresor 27 es preferencialmente externo al recinto 23. La celda 20 también incluye un intercambiador de calor 9 de estructura convencional . Aunque este no ha sido mostrado en los dibujos, el íntercambiador 9 usa, un fluido que conduce el calor, un fluido líquido o gaseoso y se comunica con el lado exterior del recinto 23 para enfriar este fluido conductor de calor.

El flujo de aire o de gas bajo presión en la celda 20 de conformidad con la presente invención es realizado desde los aspiradores estáticos 26, los cuales inyectan el flujo del gas dentro de la cámara 24, desde la cual sale a través de la obertura en la porción inferior y después fluye a través de un intercambiador de calor 9 para ser retirado por los multiplicadores de flujo 26.

De conformidad con la modalidad ilustrada en la Fig. 4, adicionalmente se proporciona una ventila de flujo de aire controlado, que tiene la función de evacuar el exceso del gas inyectado dentro del recinto 23 a través de los conductos 27' 5 para ser usados como un fluido de trabajo.

La Fig. 4 muestra, en una vista de sección transversal simplificada, un aspirador estático de aire comprimido utilizable en una celda de endurecimiento de conformidad con la presente invención. Semejante aspirador estático, también ¦ 10 llamado una tobera venturi, convencionalmente tiene la función de convertir un bajo flujo de gas a presión media en un flujo atmosférico inducido muy grande. De conformidad con la presente invención, este aspirador es usado para convertir un bajo flujo de gas a muy alta presión en un gran flujo de 15 gas a presión media.

Semejante dispositivo usa un flujo de gas de suministro primario introducido por un inductor 41 dentro de una cámara anular 42. La cámara 42 abre por una ranura anular 43 en la v entrada 44 de una tobera venturi. El gas de trabajo sigue la 20 superficie de la tobera venturi por el efecto de superficie, mientras es acelerado. El flujo del gas de trabajo crea una depresión alta en la ranura 45 de la tobera venturi, lo que resulta en reducir el gas presente enfrente de la entrada por el centro. Las mezclas de los flujos de gases inductor e 25 inducido en una tobera divergente 46, para ser expulsados en la salida de la tobera con una velocidad alta. En la salida de la tobera divergente 46, el gas externo a la envoltura 47 del aspirador también se mueve a lo largo. El flujo inductor de la cámara anular 42 puede incluir una ranura anular adicional 48 en la periferia de la salida de la tobera divergente 46 para acelerar adicionalmente el fenómeno. Los multiplicadores de flujo estático hacen posible obtener flujos inducidos que tienen rangos de 5 a 30 veces mayores que el flujo de gas en la entrada de la tobera venturi. El principio de operación y la estructura de una tobera de efecto venturi o de un aspirador de aire son conocidos . La Fig. 4 muestra un ejemplo convencional de la misma pero otras estructuras pueden ser usadas en una celda de conformidad con la presente invención. El uso de aspiradores estáticos en una celda de endurecimiento de piezas de acero toma ventaja del hecho que el recinto 23 de la celda de endurecimiento está diseñada para soportar fuertes diferencias de presiones entre el exterior y el interior de la celda. De ese modo, mientras los aspiradores estáticos son convencionalmente usados para acelerar un flujo de aire ambiente por medio de aire comprimido, la presente invención ofrece usarlos para acelerar un flujo de gas dentro de la celda, que ya está a una presión mayor que la presión atmosférica, y usar presiones de gas muy altas para el fluido inductor. Otra característica de la presente invención es reciclar el gas fluido inducido por los aspiradores estáticos. De hecho, mas frecuentemente, el gas usado en una celda de endurecimiento no es aire sino un gas inerte. El cual preferiblemente no debe ser consumido en grandes cantidades. Por lo tanto, es proporcionado para encerrar los aspiradores 26 dentro de la celda para organizar el fluido del gas en circuito cerrado.

De conformidad a una modalidad preferida de la presente invención, un gas comprimido en un rango de presión entre 20 y 80 bars es usado como un flujo inductor para obtener un flujo inducido en un rango de presión entre 10 y 20 bars.

Una ventaja de la presente invención es que en lugar de imponer un flujo de aire por la velocidad de un motor, se usan una fuente de gas comprimido y multiplicadores de flujo. Por lo tanto, para un mismo rango de enf iamiento, el motor del compresor 27 gira más lento que aquel de una turbina convencional. Debido a los multiplicadores de flujo, un coeficiente del orden de 5 hasta 15 en términos de flujo de gas es obtenido por la celda.

Otra ventaja de la presente invención es que permite transferir la mayoría de las piezas mecánicas (motor del compresor) fuera del recinto, lo cual permite no únicamente suprimir componentes móviles dentro de la celda de endurecimiento, sino también reducir el volumen de la celda de endurecimiento para un flujo de aire dado. Por lo tanto, la presente invención tiene como objetivo, por una ventaja inducida disminuir el consumo de gas en una celda de endurecimiento . Deberá notarse que la invención presente aplica a cualquiera que sea el gas fluido usado. Incluso puede ser aire en algunas aplicaciones. No obstante, el fluido inductor o de trabajo, es preferiblemente, de la misma naturaleza que el fluido ambiente en el recinto. Deberá notarse también que la aceleración del gas ambiente en el recinto de cementación 23 preferiblemente ocurre después del enfriamiento del gas en el intercambiador 9. La salida del sistema es de esta manera optimizada acelerando el gas enfriado en lugar del gas caliente. No obstante, una modalidad alternativa consiste de colocar los multiplicadores de flujo en la salida de la cámara 24, es decir sobre el gas caliente. La Fig. 5 muestra una segunda modalidad de una celda de endurecimiento de conformidad con la presente invención. Dentro de la celda 23, esta modalidad muestra los mismos elementos que aquellos descritos en relación con relación a la Fig. 3. Los aspiradores estáticos de aire comprimido se muestran más esquemáticamente en la Fig. 5. La diferencia entre las modalidades de las Figuras 3 y 5 es que, de conformidad a la segunda modalidad, se proporciona para reutilizar el flujo del gas descargado a través de la ventila 28. Para este propósito, este flujo de gas secundario es reciclado por el uso de un depósito de protección 51 el cual recibe el gas fluido que sale de la ventila 28 vía un compresor 57 y, si es necesario, un intercambiador de calor adicional 58 para enfriar el aire descargado a través de la abertura 28. La salida del depósito 51 está conectada a los conductos 27' que suministran a las toberas del venturi con fluido inductor. Una ventaja de la modalidad de la Fig. 5 es que además reduce el volumen del gas usado. El número de aspiradores estáticos 26 en una celda de endurecimiento depende, en particular, en las dimensiones de la celda y en el rango de enfriamiento deseado. La clasificación de los aspiradores estáticos, su numero y su distribución están dentro de las capacidades de aquellos especializados en el arte basados en las indicaciones funcionales dadas anteriormente y sobre la aplicación en una celda de endurecimiento dada. En particular, deberá notarse que la presente invención solamente requiere ligeras modificaciones de una celda de endurecimiento convencional. En un caso extremo, la presente invención puede ser implementada sin modificar el trabajo puro de intercambio térmico en una celda de endurecimiento y simplemente reemplazando la turbina y el motor con aspiradores estáticos mientras por supuesto se asegura de mantener la hermeticidad del recinto. Por supuesto, la presente invención es similar a tener varias alteraciones, modificaciones y mejoras las cuales fácilmente se les ocurrirán a aquellos especializados en el arte. En particular, aunque la presente invención se ha descrito en relación con las celdas de endurecimiento dedicadas, deberá notarse que aplica a las celdas dobles del tipo de aquel ilustrado en la Fig. 1 donde el endurecimiento se efectúa en el mismo recinto donde la cementación o el tratamiento térmico de carbonitruración es llevado a cabo. Además, otros aspiradores estáticos diferentes que aquellos indicados como un ejemplo pueden ser usados, proporcionando al respecto la característica esencial de la presente invención, la cual es permitir la aceleración por medio de un gas de trabajo, del gas ambiente del recinto de cementación. Entre los gases de endurecimiento con probabilidades de ser usados, deben mencionarse los gases neutros como el nitrógeno, helio, o hidrógeno.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES 1. Una celda para endurecer piezas de acero por la circulación de un gas en un recinto hermético, incluye por lo menos un aspirador estático para circular el gas, el gas presente en la entrada del aspirador estático está a una presión mayor que la presión atmosférica.
2. 2. La celda de endurecimiento de la reivindicación 1, en donde la circulación del gas fluido en el recinto ocurre en un circuito cerrado excepto para un flujo de aire secundario inyectado como un fluido inductor en el aspirador estático.
3. 3. La celda de endurecimiento de la reivindicación 2, en donde la circulación de circuito cerrado del gas pasa a través del medio intercambio térmico de enfriamiento.
4. 4. La celda de endurecimiento de la reivindicación 2, incluye los medios para reciclar el flujo d gas inductor secundario .
5. 5. La celda de endurecimiento de la reivindicación 2 , en donde el fluido inductor es inyectado dentro de los aspiradores estáticos con un rango de presión entre los 20 y 80 bars.
6. 6. La celda de endurecimiento de la reivindicación 1, incluye : un recinto hermético de aire; una cámara de enfriamiento dentro de dicho recinto, con el propósito de recibir una carga de piezas de acero para ser enfriadas; un medio de intercambio térmico en la trayectoria del flujo de un gas de enfriamiento entre una pared externa de la cámara de enfriamiento y una pared interna del recinto hermético; una pluralidad de aspiradores estáticos en una pared superior de la cámara de tratamiento, lo último que es abierto en una pared opuesta para evacuar el gas del tratamiento; y conductos de gas inductor bajo una presión mayor que la presión del gas contenido en el recinto.
7. 7. La celda de endurecimiento de la reivindicación 6, en donde la celda es asociada con un compresor para inyectar el fluido inductor dentro de los aspiradores estáticos.
8. 8. La celda de endurecimiento de la reivindicación 1, en donde el gas es escogido entre nitrógeno, hidrógeno helio y aire . RESOMEN Una celda para el endurecimiento de piezas de acero por la circulación de un gas en un recinto hermético, incluye por lo menos un aspirador estático para circular el gas, el gas presente en la entrada del aspirador estático está a una presión mayor que la presión atmosférica.