Descripción del proceso
Descripción de los residuos
El tratamiento térmico consiste en operaciones de calentamiento y enfriamiento realizadas sobre piezas de metal con el fin de cambiar sus propiedades mecánicas, su estructura metalúrgica o su estado de esfuerzos residuales. El tratamiento térmico incluye el tratamiento de liberación de esfuerzos, el normalizado, el recocido, la austenización, el endurecimiento, el temple, el revenido, el temple diferido, el temple austenítico y el tratamiento en frío. Por ejemplo, el recocido implica calentar un material metálico hasta una temperatura adecuada, después de lo cual se le deja enfriar en el horno a un ritmo adecuado. Las piezas fundidas de acero pueden ser recocidas para facilitar el trabajo en frío o el maquinado, para mejorar sus propiedades mecánicas o eléctricas o para promover su estabilidad dimensional. Las piezas fundidas grises pueden ser recocidas para ablandarlas o para minimizar o eliminar los carburos eutécticos masivos,mejo-rando de esa manera su maquinabilidad.
Otros tratamientos térmicos aparte del endurecimiento
Endurecimiento superficial
Temple
Desescanamiento
Limpieza de piezas y revestimiento superficial
Las operaciones de calentamiento, temple, desescamado y revestimiento generan la mayor parte de los residuos de la industria de tratamiento térmico. El Cuadro 2 presenta una lista de los procesos que generan residuos y las características de dichos residuos.
Otros tratamiento térmicos aparte del endurecimiento
El tratamiento térmico se realiza en hornos convencionales, baños de sales u hornos
de lecho fluidizado. El horno convencional básico consta de una cámara aislada con
una carcasa de acero reforzado, un sistema de calentamiento para la cámara y una
o más puertas de acceso a la cámara de calentamiento. Los sistemas de calentamiento
son con inyección directa o indirecta. En el caso de hornos con inyección directa,
la pieza que está siendo procesada es expuesta directamente a los productos de
combustión. Los hornos a gas y petróleo son los más comunes para tratamiento térmico. En hornos
calentados electricamente o mediante tubos radiantes, el calentamiento indirecto
se realiza a través de tuberías de gas, tuberías de petróleo o tubos eléctricos.
Las operaciones de calentamiento (como liberación de tensiones, normalizado,
recocido, austenización, revenido, temple diferido y temple austenítico) no
generan residuos peligrosos. Los materiales refractarios (revestimiento del
horno) constituyen los únicos
residuos generados y son dispuestos como residuos no peligrosos.
Para obtener mejor control térmico y mayores velocidades de calentamiento, comúnmente
se usan hornos con baño de sales. Los hornos con baño de sales consisten de marmitas
de sal fundida calentada mediante métodos de resistencia directa (se pasa corriente
eléctrica a través de la sal) o mediante métodos indirectos con combustible fósil o
resistencia eléctrica (la marmita es coloca dentro de un recinto similar a un
horno).
En el horno de lecho fluidizado, el gas pasa a través de un lecho de partículas
secas, finamente divididas, generalmente óxido de aluminio. El movimiento turbulento
y la rápida circulación de las partículas en el horno brinda velocidades de
transferencia de calor semejantes a las de equipos de baños de sales convencionales.
Las partes que van a ser tratadas se sumergen en un lecho de partículas sólidas
finas mantenidas en suspensión por un flujo de gas ascen-dente. La entrada de
calor a un lecho
fluidizado se puede lograr usando:
Mediante el rociado de agua puede minimizarse la pérdida de partículas del lecho
fluidizado que son removidas por la agitación, el impacto y el paso del gas.
Las partículas recuperadas pueden ser reutilizadas después de secarlas, cernirlas
y volverlas a colocar en el lecho.
Endurecimiento superficial
Los procesos de endurecimiento superficial suministran una cantidad adecuada de
carbono o nitrógeno para su absorción y difusión en el acero. Estos procesos
se realizan en hornos de fase gaseosa o en hornos de baño de sales que son similares
a los hornos usados para otros tratamiento térmicos. El endurecimiento
superficial realizado en medios líquidos es la mayor fuente de residuos.
Estos baños se utilizan en la carburación líquida, la cianuración líquida (carbo
nitruración) y la nitruración líquida, que son procesos clasificados como procesos
de endurecimiento superficial del acero. El cuadro 3 muestra la composición
operativa de los baños de carburación líquida. Los baños de carburación con
cianuro a baja temperatura (baños de endurecimiento ligero) generalmente se
realizan en el rango de temperaturas de 845 a 900oC (1550 a 1650oF), si bien
para ciertos efectos este rango de
operación algunas veces se amplía hasta 790 a 925oC (1450 a 1700oF). Los baños de
carburación con cianuro a alta temperatura (baños de endurecimiento profundo)
generalmente se operan en el rango de temperatura de 900 a 955oC (1650 a 1750oF).
Los baños de cianuración líquida (carbonitruración) se realizan a temperaturas
de 815 a 850ooC (1500 a 1560oF). La composición de los baños tanto de alta como
de baja temperatura busca satisfacer requerimientos específicos de la actividad
de carburación (potencial de
carbono) dentro de las limitaciones del arrastre y del reabastecimiento manual.
El cuadro 4 muestra las composiciones y propiedades de las mezclas de cianuro de
sodio usadas en los procesos de cianuración líquida que producen superficies a
prueba de lima y resistentes al desgaste en las piezas de fierro. Para la
cianuración, generalmente se usa una mezcla de cianuro de sodio como la tipo
30 del Cuadro 4. Esta mezcla es preferible a cualquier otra composición mostrada
en el cuadro 4. Se añaden al cianuro sales inertes de cloruro de sodio y de
carbonato de sodio para brindar
fluidez y controlar los puntos de fusión de todas las mezclas.
La nitruración líquida se realiza en un baño de sales fundidas compuesto de una
mezcla típica de sales de sodio y potasio. Las sales de sodio, que representan
60 a 70% (en peso) de la mezcla total, están compuestas por 96.5% de NaCN, 2.5%
de Na2CO3 y 0.5% de NaCNO. Las sales de potasio, 30 a 40% (en peso) de la mezcla,
consisten de 96% de KCN, 0.6% de K2CO3, 0.75% de KCNO y 0.5% de KCl. El contenido
de cianuro en todos los baños de nitruración es responsable de acción nitrificadora
y la relación de cianuro
a cianato es fundamental.
Los baños con contenido de cianuro usados en la carburación líquida, la cianuración
líquida y la nitruración líquida pasan por un proceso de envejecimiento que genera
productos de oxidación indeseables. El envejecimiento reduce el contenido de cianuro
del baño e incrementa el contenido de cianato y carbonato. En un baño tipo de
cianuro a baja temperatura, se producen simultáneamente varias reacciones, dependiendo
de la composición del baño, para producir los siguientes productos finales e
intermedios: carbono (C), carbonato alcalino (Na2CN2), monóxido de carbono (CO), dióxido
de carbono (CO2), cianamida (Na2CN2) Y cianato (NaNCO). Dos de las principales
reacciones que se cree que ocurren en el baño son el "desplazamiento de cianamida"
y la formación de cianato:
y
o
Las reacciones que influyen en el contenido de cianato son las siguientes:
y
o
Las reacciones (5) y (6) agotan la actividad del baño. Los productos de oxidación
en el baño promueven gradientes de temperatura desfavorables. En la nitruración
líquida, el contenido de carbonato se mantiene debajo del 25%. El contenido de
carbonato generalmente se reduce enfriando el baño a 850oF y permitiendo que la
sal precipitada se sedimente en el fondo del recipiente de sal. Otro contaminante
que se forma en el baño es un ferrocianuro de sodio complejo Na4Fe(CN)6 que se
remueve manteniendo el baño
a 649oC durante aproximadamente dos horas para dejar que el compuesto se sedimente y
retirarlo en forma de lodo.
Los baños de sales en los procesos de carburación líquida, nitruración líquida y
cianuración líquida son considerados peligrosos luego de ser usados. Los baños
típicos contienen sales fundidas de sodio, cianuro y cianato de potasio. En la
carburación, nitruración y cianuración líquidas, las piezas se mantienen a una
temperatura alta adecuada dentro de una sal fundida. En los procesos de carburación,
después de que la pieza ha sido tratada térmicamente, pasa por un enfriamiento con
el propósito de endurecerla.
El medio de enfriamiento se contamina con el cianuro usado en el endurecimiento
superficial y debe ser eliminado como residuo peligroso. El aceite de enfriamiento
usado o las aguas
residuales generadas en el ciclo de tratamiento térmico con cianuro (carburación
o cianuración líquida) se convierten en un residuo peligroso pues las sales de
cianuro pasan al baño de aceite o al baño de agua como resultado del arrastre.
La carburación a gas quema gas natural en un horno sellado y no produce residuos
peligrosos. La nitruración a gas emplea gas de amoníaco para suministrar el
nitrógeno y no produce residuos sólidos peligrosos.
Algunos procesos de endurecimiento superficial requieren insumos de los cuales
se pueda generar carbono y nitrógeno. Después de completado el endurecimiento
superficial, estos materiales utilizados pueden convertirse en residuos peligrosos.
Las sales que contienen compuestos de bario son fuentes de residuos peligrosos.
Estas sales son usadas en aplicaciones a alta temperatura, como el endurecimiento
de acero de alta velocidad, aceros para trabajo en caliente y otros aceros para
herramientas endurecidas al aire.
Temple
El temple es una parte integral de la carburación líquida, la cianuración líquida
y la nitruración líquida. Cuando la superficie del acero absorbe una cantidad
suficiente de carbono o nitrógeno de un baño de sal fundida caliente, la pieza
con frecuencia es enfriada en un aceite mineral, un aceite de parafina, agua o
salmuera para que desarrolle una capa superficial dura. Los aceros para herramientas
que pasan por nitruración líquida normalmente no son templados sino que se les deja
enfriar.
El temple, que es una operación de enfriamiento en el tratamiento térmico de
metales, puede lograrse mediante la inmersión de una pieza caliente en agua,
aceite, una solución de polímero o sal
fundida, dependiendo de la velocidad de enfriamiento requerida. En el enfriamiento
por pulverización, se aplica líquido enfriador en áreas locales de una pieza
caliente a presiones de hasta 120 psi. El enfriamiento por niebla acuosa consiste
en la aplicación de una fina niebla de gotas de líquido y del gas portador como
agentes enfriadores. El enfriamiento a gas es más rápido que el enfriamiento con
aire quieto y más lento que el enfriamiento con aceite. El agua (soluciones
cáusticas al 3 a 5%) y la salmuera
(cloruro de sodio al 5 a 10%) son los enfriadores más usados para el acero
al carbono. Algunas veces se utiliza un polímero soluble en agua para modificar
la velocidad de enfriamiento del agua. El enfriamiento con aceite es menos drástico
que con agua y produce menos distorsión. Los enfriadores usados comúnmente son
aceites minerales fortificados con aditivos no saponificables que incrementan sus
características de enfriamiento y prolongan la vida útil. Las piezas nunca deben
ser transferidas directamente
de un baño de carburación con contenido de cianuro a un baño de
enfriamiento con nitrato-nitrito. Esto puede dar como resultado una reacción
violenta e incluso una explosión.
Un sistema de enfriamiento completo consiste de un tanque o máquinas de trabajo,
dispositivos para manipular las pieza enfriadas, medios de enfriamiento, equipo
para la agitación, enfriadores, calentadores, bombas y cribas o filtros, tanque
de suministro de enfriadores, equipo para ventilación y protección contra peligros
y equipo para la remoción automática de escamas de los tanques. El enfriamiento
es una fuente significativa de residuos en la industria de tratamiento térmico.
Los residuos consisten de
medios de enfriamiento utilizados en la forma de baños utilizados y aguas residuales
generadas cuando se lavan las
piezas enfriadas para remover la sal o el aceite que se queda después del proceso
de enfriamiento.
Desescamamiento
El calor intenso del aire o de la atmósfera en el horno puede causar que se
formen escamas de óxido en la superficie de la pieza de trabajo. Antes de
continuar el proceso, deben retirarse estas escamas. El desescamamiento puede
estar acompañado por limpieza abrasiva (con chorros de arena) o por decapado.
En el decapado, se sumerge la pieza en un baño ácido (generalmente ácido
sulfúrico, nítrico o clorhídrico) para limpiar la superficie de todas las
impurezas. El ácido disuelve las escamas de óxido
metálico y óxido férrico. Luego la pieza es enjuagada para retirar el ácido y,
en algunos casos, es bañada con aceite u otro revestimiento especial.
Limpieza de piezas y revestimiento superficial
Las operaciones de apoyo del tratamiento térmico (como la limpieza de las piezas
o el revestimiento superficial) generan residuos peligrosos. El revestimiento
mediante enchapado impide la carburación o nitruración de una pieza metálica o
de partes determinadas de una pieza durante el ciclo de calentamiento. Los depósitos
de bronce o cobre son los revestimientos más comunes. El níquel (incluyendo el
níquel no electrolítico), el cromo y la plata son eficaces también, pero su alto
costo restringe su uso a
aplicaciones especiales. Cuando la aplicación no permite la retención de una
placa protectora en la pieza terminada después del tratamiento térmico, la
selección del revestimiento es importante desde el punto de vista de su posterior
remoción. El cobre y la plata son los más fáciles de retirar; el bronce es el
más difícil. El níquel es muy difícil de retirar
sin afectar negativamente la pieza. Por lo tanto, el cobrizado es el más usado.
La limpieza de las piezas es una gran preocupación en los procesos de enchapado
y endurecimiento superficial. Por ejemplo, en los procesos de nitruración
líquida, todas las piezas colocadas en el baño deben ser limpiadas cuidadosamente
y estar libres de óxido superficial, arena atrapada, aceite y grasas y partículas
metálicas. Se recomienda el baño con ácidos o la limpieza abrasiva antes de la
nitruración. La mayoría de piezas son nitruradas exitosamente después del
desengrasado al vapor. Sin embargo
algunos procesos de acabado en máquina (como pulido, acabado, esmerilado y
bruñido) pueden producir superficies que retarden la nitruración dando como
resultado una profundidad de dureza desigual y distorsión incluso después de
la limpieza.
Existen dos maneras de acondicionar la superficie de las piezas acabadas mediante
tales métodos. Un método consiste en el desengrasado al vapor y la limpieza
abrasiva con chorros de óxido de aluminio inmediatamente antes de la nitruración
líquida (los residuos de óxido deben ser retirados con una escobilla antes de
cargar las piezas en el horno). El segundo método es aplicar una cubierta
ligera de fosfato.
Los baños de cianuro ya usados, los enfriadores gastados, las aguas residuales
generadas en la limpieza de las piezas, los medios abrasivos usados, el material
refractario y el enchapado generan la mayor cantidad de residuos en la industria
de tratamiento térmico. Las siguientes secciones caracterizan los residuos de
los baños de endurecimiento superficial, de los baños enfriadores y de las
operaciones de limpieza y revestimiento de piezas.
Baños de endurecimiento superficial y marmitas de sal
Se genera una cantidad significativa de residuos en las operaciones de tratamiento
térmico cuando se usan baños con contenido de cianuro. En las rutinas normales
de mantenimiento de los baños, se retira el lodo que se acumula en el fondo de
la marmita cada día. Generalmente se le retira del fondo con una cuchara perforada
Este lodo debe ser dispuesto y tratado como residuo. En la carburación líquida,
se retira el lodo mientras el horno todavía está a temperatura de funcionamiento en
vacío. Se limpia
los electrodos de los hornos calentados internamente raspándolos. A medida que
se agotan las soluciones del baño, las marmitas se corroen. Para minimizar la
corrosión de la marmita en la interfase aire-sal, se cambian completamente las
sales cada tres o cuatro meses.
Temple
Las sales de cianuro en la pieza contaminan el baño de enfriamiento, convirtiéndolo
luego de ser usado en un residuo peligroso.
La sal que se adhiere después de que las piezas alcanzan la temperatura ambiente
debe ser retirada, usando para ello generalmente agua.
Los residuos se generan de la siguiente manera:
Limpieza y revestimiento de piezas
Las operaciones de limpieza y revestimiento de piezas son fuentes adicionales
de residuos peligrosos en la industria de tratamiento térmico. La limpieza
con solventes, la limpieza con agua y la limpieza con abrasivos generan residuos
que deben ser eliminados o tratados.
La operación de revestimiento más popular es el cobrizado. Los residuos peligrosos
generados en este proceso son idénticos a los de la industria de acabado metálico.
Para mayor información sobre los tipos de residuos peligrosos generados en las
operaciones de enchapado, véase las siguientes publicaciones: Guides to Pollution
Prevention: The Fabricated Metal Industry (Appendix B) de USEPA, Guides to Pollution
Prevention: the Metal Finishing Industry (Appendix B) de USEPA y Waste Audit Study
de DHS (1989, 1990)
2 NaCN <=> Na2CN2 + C
(1)
2 NaCN + O2 -> NaNCO
(2)
NaCN + CO2 <=> NaNCO + CO
(3)
NaNCO + C -> NaCN + CO
(4)
4 NaNCO + 2 O2 -> 2 Na2CO3 + 2 CO + 4 N
(5)
4 NaNCO + 4 CO2 -> 2 Na2CO3 + 6 CO + 4 N
(6)
Descripción de los residuos
Otra fuente de residuos es el proceso de lavado del medio de enfriamiento. Al
lavar la pieza con agua caliente, se producen arrastres en la forma de aceite
retirado de la pieza. El aceite es uno de los enfriadores más comúnmente
usados en la industria de tratamiento térmico; por lo tanto, es importante
la cantidad de aceite residual que tiene que manipularse como residuo peligroso.
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