Opciones de reducción en la fuente para baños de
endurecimiento y marmitas de sales
Opciones de reducción en la fuente para residuos del temple
Opciones de reciclaje para residuos de medios de enfriamiento
Alterar las materias primas (composición del baño
Limpiar todas las piezas colocadas en el baño
Usar la tapa de grafito en un baño de cianuro
Secar completamente la pieza antes del endurecimiento superficial líquido
Retirar impurezas
Minimizar el arrastre
Reemplazar el revestimiento de la marmita
Tecnologías alternativas
Los productos de oxidación en los baños con contenido de cianuro, que se usan continuamente en los procesos de endurecimiento superficial (carburación, cianuración y nitruración líquida) van reduciendo la actividad del baño, el cual finalmente se convierte en un residuo peligroso. Los productos de oxidación forman un lodo peligroso que es retirado frecuentemente (en algunos casos diariamente) del fondo de la marmita mientras el horno todavía está a temperatura de trabajo en vacío. Las marmitas o los dispositivos de sujeción de la pieza que están en contacto con los medios de endurecimiento sufren corrosión y deben ser eliminados como residuo peligroso cada varios meses o cada varios años, dependiendo del servicio que realicen. Existen las siguientes opciones para reducir los residuos de baños y marmitas de sales.
En los procesos típicos de carburación y nitruración líquida, comúnmente se utilizan sales fundidas de cianuros de sodio o potasio en concentraciones de 30% del peso o más. La carburación líquida puede lograrse en un baño sin cianuro que contenga un tipo especial de carbono en lugar de cianuro. En dicho baño, las partículas de carbono se dispersan en la sal fundida de carbonatos mediante la agitación mecánica que es obtenida mediante uno o más agitadores de hélice que ocupan una pequeña fracción del baño. La reacción química no es entendida completamente, pero se piensa que implica la adsorción de monóxido de carbono o partículas de carbono. Se genera monóxido de carbono por la reacción entre el carbono y los carbonatos, que constituyen los principales ingredientes de la sal fundida (ASM 1981).
Se supone que el monóxido de carbono reacciona con la superficie del acero de manera similar a la carburación con gas o con agente sólido. La profundidad del endurecimiento y los gradientes de carbono están en el mismo rango que los baños de cianuro a alta temperatura, pero no hay presencia de nitrógeno en la superficie endurecida. Las temperaturas por encima de los 954oC producen una penetración más rápida del carbono y no afectan negativamente a las sales sin contenido de cianuro pues no existe ciuanuro presente que se descomponga y cause espuma de carbono. La temperatura de operación está limitada principalmente por el deterioro del equipo. Las piezas enfriadas lentamente luego de una carburación sin cianuro son maquinadas con mayor facilidad que las piezas que se enfrían lentamente luego de una carburación con cianuro debido a la ausencia de nitrógeno en las superficies carburizadas sin cianuro.
El creciente costo de purificar los efluentes con contenido de cianuro ha llevado al desarrollo de un baño de sales con bajo contenido de cianuro para los tratamientos de nitrocarburación. Un proceso patentado suministra azufre, nitrógeno y, presumiblemente, carbono y oxígeno a la superficie de materiales ferrosos. El proceso es excepcional en la medida que se incorporan sales de litio a la composición del baño. El cianuro se mantiene a niveles muy bajos: 0.1 a 0.5%. Las especies de azufre presentes en el baño en concentraciones de 2 a 10 ppm causan sulfuración simultáneamente con la nitruración.
Otra alternativa con bajo contenido de cianuro es usar polímeros orgánicos para la regeneración de los baños. Cuando se emplea enfriadores en base a agua, el bajo nivel de cianuro permite una remoción de tóxicos más fácil. Alternativamente, se puede usar el enfriamiento en un baño de sal de nitrato cáustico a una temperatura entre 260 y 424oC para la destrucción del cianuro/cianato.
Para proteger el baño de la contaminación externa y para obtener un endurecimiento superficial satisfactorio, todas las piezas colocadas en el baño deben ser limpiadas cuidadosamente, eliminando las escamas, óxidos, arena atrapada, material del macho, partículas metálicas, así como aceites y grasa. Para limpiar las pieza se puede usar el decapado, la limpieza abrasiva con chorros de óxido de aluminio, el revestimiento ligero con fosfato o un desengrasamiento al vapor simple.
Para ayudar a mantener la composición del baño y para prolongar su vida útil, debe emplearse una tapa de grafito en la superficie de un baño de cianuro. Los baños descubiertos están expuestos al carbonato, que afecta negativamente la vida del baño y de la marmita (por una mayor corrosión). Las tapas de grafito artificial, libres de impurezas y de azufre, son las mejores. Cuanto mayor sea el contenido de cenizas en el grafito natural, más impurezas introducirá al baño. Por lo tanto, el grafito natural que contiene azufre, causa corrosión de las piezas.
La pérdida de baño debido a las salpicaduras durante el contacto con la pieza de trabajo se evitará si la pieza está completamente seca. Incluso la ligera cantidad de humedad que puede depositarse en las piezas como resultado de la humedad atmosférica causará salpicaduras en contacto con la sal fundida.
La limpieza periódica incrementa la vida útil de los baños de sal fundida. Los carbonatos, principal producto de oxidación, son removidos fácilmente mediante el enfriamiento del baño a 454 oC y permitiendo que la sal precipitada se sedimente en el fondo de la marmita de sal. Puede usarse cucharas perforadas para retirar el lodo del fondo.
Por arrastre se entiende aquel exceso de la sustancia utilizada para el baño que se adhiere a la superficie de la pieza y que sale del medio al retirar la pieza del baño. El arrastre se puede minimizar implementando las siguientes técnicas:
Colocando rejillas en lugar de bandejas. Las bandejas arrastran más medio al retirarlas del baño que las rejillas, haciendo más difícil drenar el arrastre.
Reduciendo la velocidad de retiro de las piezas y permitiendo bastante tiempo para el drenaje. Cuanto más rápido es retirada una pieza del baño, mayor será el arrastre; la pieza debe ser retirada tan lenta y suavemente como sea posible; se debe dar suficiente tiempo para que el medio sea drenado nuevamente al tanque.
Colocando adecuadamente la pieza en la rejilla de enchapado. La mejor manera de determinar la posición óptima para minimizar el arrastre es experimentalmente, aunque los siguientes lineamientos son eficaces: -.Oriente la superficie tan verticalmente como sea posible
-.Coloque la rejilla de tal manera que la dimensión más larga de la pieza esté horizontal
-.Coloque la rejilla de tal manera que el borde inferior esté inclinado respecto a la horizontal, garantizando que la escorrentía se produzca por una esquina y no por todo el borde
Los hornos de electrodo sumergido tendrán muchos años de vida útil en operaciones tanto con cianuro como sin cianuro si se reemplazan las marmitas de cerámica por ladrillos básicos modificados.
Puede utilizarse una serie de tecnología alternativas para minimizar o eliminar totalmente los residuos peligrosos en la industria de tratamiento térmico. Estas incluyen la nitruración iónica (plasma), la carburación iónica y el tratamiento térmico por inducción.
Nitruración y carburación iónica. El proceso de nitruración iónica usa un gas de iones electrónicamente cargado para alear superficies metálicas con nitrógeno. El proceso requiere un recipiente al vacío en el cual la pieza de trabajo se convierte en el cátodo de un circuito dc. Las paredes del recipiente se convierten en el ánodo. El recipiente es evacuado para remover el oxígeno y otros contaminantes y es llenado con un gas reactivo como nitrógeno atmosférico. Cuando se enciende el suministro eléctrico, el gas se ioniza. Los iones positivos golpean la superficie de la pieza y se emiten electrones hacia el ánodo, produciendo una descarga luminiscente alrededor de la pieza.
En el acero, este proceso forma una solución sólida de nitrógeno en la superficie y desarrolla una capa de compuesto que contiene una estructura cristalina gamma (Fe4N) o epsilon (Fe2N). La dureza, el espesor y la composición de la superficie endurecida formada puede controlarse variando la temperatura, el tiempo, la composición del gas, el voltaje y la corriente.
Con frecuencia, el recipiente se llena inicialmente con gas inerte. Cuando se aplica la energía eléctrica, se produce una deposición catódica que limpia la pieza. Dado que las piezas puedan ser limpiadas por deposición catódica en el mismo recipiente de nitruración iónica, se elimina la necesidad de un equipo de limpieza aparte.
La nitruración iónica ofrece numerosas ventajas respecto a los procesos de nitruración y carburación convencionales:
Por el contrario, en la nitruración iónica, se pueden controlar otros parámetros como temperatura, tiempo, composición del gas, presión, voltaje y corriente. Se puede usar el proceso para crear una zona de difusión del nitrógeno disuelto en las capas superficiales de la pieza. El resultado es la tenacidad de la superficie. Variando los parámetros, se puede lograr una zona de difusión y una capa de compuesto con estructuras cristalinas gamma prima o epsilon, dando como resultado una superficie tanto tenaz como resistente al desgaste.Mayor control sobre las propiedades y mejores propiedades. En un proceso de nitruración convencional, el horno se fija a 524oC y el operador controla el tiempo en que la pieza va a estar en el horno. También se puede ajustar el ritmo de disociación para controlar la capa blanca modificando el flujo del gas o usando un disociador externo. La capa de compuesto formada con frecuencia contiene una mezcla de cristales gamma prima y epsilon. Es frágil y tiende a astillarse durante el servicio.
La carburación iónica es un proceso similar a la nitruración iónica en el cual las capas superficiales de una pieza son aleadas con carbono tratando la pieza en un recipiente de reacción que contiene una atmósfera con un alto potencial de carbono. A diferencia de la nitruración iónica, que es un proceso comercial aceptado, la carburación iónica todavía está en la etapa de desarrollo.Superficies endurecidas más uniformes. La descarga luminiscente rodea la pieza, formando una estructura endurecida más uniforme y haciendo el proceso ideal para piezas complejas como engranajes o ejes acanalados.
Shock térmico y distorsión insignificantes. Las piezas son calentadas hasta la temperatura deseada a un ritmo predeterminado, evitando de esa manera el shock térmico y la distorsión existentes en un proceso de baño de sales. Dado que las piezas con nitruración iónica no requieren de un proceso de temple como en la carburación, se elimina otra fuente de distorsión y resquebrajadura, así como los residuos asociados con la operación de temple.
Mayor rango de tratamiento. El rango de tratamiento es de 371 a 649oC. La pieza es calentada hasta la temperatura deseada utilizando la descarga luminiscente y, en algunos casos, elementos de calentamiento eléctrico auxiliares. Temperaturas menores ayudan a mantener las dimensiones de la pieza durante el tratamiento térmico. El mantener la temperatura 24oC o más por debajo de la temperatura de revenido del acero mantiene la dureza del núcleo de las piezas y elimina la necesidad de cualquier tratamiento térmico final.
Ciclos menores. Los ciclos de tratamiento térmico pueden ser 20 a 50% más cortos, lo que favorece la productividad.
Menor consumo de energía. Las menores temperaturas y los ciclos más rápidos reducen el consumo de energía.
Revestimiento más fácil. Se utilizan revestimientos mecánicos para dejar sin tratar áreas específicas. Esto evita que se tenga que realizar un electroenchapado que posteriormente deba ser retirado.
Mayor seguridad. Se eliminan los problemas de seguridad asociados con sales o gases tóxicos, inflamables o explosivos usados en procesos convencionales.
Endurecimiento por inducción. El endurecimiento por inducción es una alternativa atractiva y económica para el endurecimiento "neutro" en hornos eléctricos o a gas al igual que para operaciones de endurecimiento superficial como la carburación o nitruración a gas, con agente sólido o con baño de sales. Debido a que no se introduce carbono (o nitrógeno) adicional durante el endurecimiento por inducción, los aceros usados en el proceso deben ser seleccionados de manera que tengan un contenido de carbono suficientemente alto para lograr los niveles de endurecimiento deseados.
El calentamiento por inducción se basa en corrientes eléctricas que son inducidas internamente en el material de la pieza de trabajo. Estas corrientes, denominadas corrientes parásitas, disipan energía y producen el calentamiento. Los componentes básico de un sistema de calentamiento por inducción son una bobina de inducción, una fuente de alimentación de corriente alterna (ac) y la pieza de trabajo. La bobina, que puede tomar diferentes formas dependiendo del patrón de calentamiento requerido, se conecta a la fuente de alimentación. El flujo de una corriente ac a través de la bobina genera un campo magnético alterno, que atraviesa la pieza de trabajo. Este campo magnético alterno induce corriente parásitas y calienta la pieza. Además, debido a que la magnitud de las corrientes parásitas disminuye al aumentar la distancia respecto a la superficie de la pieza, es posible el calentamiento y el tratamiento térmico de la superficie. Por otro lado, si se permite suficiente tiempo para la conducción térmica, se puede obtener un patrón de calentamiento relativamente uniforme durante el tratamiento térmico y durante el calentamiento previo al trabajo de metalistería. Una cuidadosa atención del diseño de la bobina y de la selección de la frecuencia y potencia de la fuente de alimentación garantizan un control adecuado del ritmo y patrón de calentamiento.
Existen varias diferencias entre las técnicas de calentamiento tradicionales y por inducción. La diferencia más significativa es que el calentamiento por inducción se genera dentro de la pieza. Por el contrario, en los hornos, el calor producido al quemar un combustible es transportado a través de la atmósfera del horno por convección y radiación. Debido a que el calor es generado internamente, los procesos de inducción no requieren de un horno ni de una gran área de trabajo.
Eligiendo cuidadosamente el diseño de la bobina, se puede utilizar el calentamiento por inducción para endurecer de manera selectiva la superficie de piezas de acero, evitando de esa manera la necesidad de revestimiento. También se puede utilizar para realizar un endurecimiento superficial uniforme o un endurecimiento de toda la pieza. Además, se han desarrollado procesos de endurecimiento superficial por inducción con frecuencia dual para lograr endurecimiento de contornos en el caso de piezas como engranajes. Este tipo de patrón de endurecimiento es igual al patrón de endurecimiento uniforme obtenido en base a carburación, nitruración, etc. Pero las profundidades obtenidas mediante éstos y otros procesos de endurecimiento por inducción son sustancialmente mayores (0.05 a 0.25 pulgadas) en comparación con las obtenidas mediante carburación y nitruración (0.0002 a 0.020 pulgadas).
Minimizar el arrastre de sales fundidas
Minimizar el arrastre de medios de enfriamiento
Controlar la temperatura del sistema de aceite de enfriamiento
Usar materiales modificados
Los medios de temple usados en los procesos de tratamiento térmico se convierten en residuos peligrosos cuando son expuestos a piezas metálicas contaminadas con residuos peligrosos. Los contenidos de baños de tratamiento térmico en base a cianuro se introducen en el medio de enfriamiento en la forma de residuos arrastrados por la pieza de trabajo después de la nitruración, carburación o cianuración. Las sales de cianuro de sodio o potasio forman residuos insolubles cuando entran en contacto en un aceite mineral usado como medio de enfriamiento o cuando se disuelven en la base acuosa de un medio de enfriamiento.
Las sales de carburación, nitruración y cianuración líquidas no se disuelven ni se combinan con los aceites minerales usados como medio de enfriamiento. El lodo de las sales debe ser retirado periódicamente mediante mecanismos mecánicos o mediante filtración por tamices.
Los baños de enfriamiento con sales también requieren la eliminación de los lodos de contaminantes. El arrastre de sales fundidas hacia los tanques de salmuera debe ser controlado de tal manera que no supere el 10% de la concentración de sales.
Las mismas medidas de reducción de residuos identificadas para el arrastre de sales fundidas se aplican para la reducción del arrastre de medios de enfriamiento. Cuando se utiliza aceite como medio de enfriamiento, es adecuada la remoción mecánica del aceite que queda en la superficie de la pieza aplicando aire a presión.
Al avanzar el proceso de enfriamiento, se retira calor de la pieza y la temperatura del aceite de enfriamiento se eleva. A temperaturas altas descontroladas, se produce la degradación u oxidación del aceite. Los depósitos carbonosos en las piezas que están siendo enfriadas (lodos) son síntoma de que el aceite se está descomponiendo. Este efecto podría modificar la velocidad de enfriamiento del medio, causando el rechazo de piezas tratadas. Además, la remoción de los depósitos carbonosos es difícil y costosa. Debe instalarse un sistema de enfriamiento como protección contra transformaciones indeseables del aceite causadas por altas temperaturas.
Para minimizar la degradación del aceite de enfriamiento a altas temperaturas (hasta 177oC), se fortifica el aceite mineral con aditivos no saponificables que incrementan su eficacia de enfriamiento y prolongan su vida útil.
Eliminar lodos del aceite de enfriamiento
Eliminar agua del aceite de enfriamiento
Enfriadores de polimeros acuosos y ultrafiltros
Se puede prolongar la vida útil del aceite de enfriamiento filtrando el aceite y reciclándolo al proceso original. Los siguientes contaminantes deben ser removidos frecuentemente:
Los sólidos pueden ser removidos de manera más eficaz usando filtros de derivación adecuados. Los medios de filtración más usados son la celulosa y la lana mineral, que deben ser reemplazadas y dispuestas como residuos peligrosos una vez que se haya agotado su capacidad de filtración.Materiales carbonosos que puedan ser productos de la oxidación del aceite o de la precipitación de carbono producida en atmósferas protectoras
Escamas (óxidos metálicos)
Arena y otros sólidos insolubles
Sales precipitadas de los baños de endurecimiento superficial
Los filtros de arcilla son más caros, pero pueden ser reutilizados después de haberse agotado su capacidad de filtración mediante una regeneración adecuada. La regeneración no eliminará las incrustaciones ni la arena. Los filtros de arcilla deben ser cuidadosamente seleccionados cuando se van a filtrar aceites de enfriamiento rápido, pues es posible que retiren los aditivos junto con los materiales carbonosos indeseables. Los filtros de metal sinterizado pueden ser limpiados (lavados a contracorriente) y reutilizados.
Los filtros, trampas o coladores magnéticos son útiles para remover escamas y otros tipos de materiales extraños. Estos tipos de filtros pueden ser limpiados fácilmente y devueltos al servicio. Ellos son especialmente útiles para evitar un atascamiento prematuro de los filtros y para proteger las bombas.
En un enfriamiento continuo con aceite, el aceite es reciclado en un sistema compuesto por:
Cuando se precipitan sales fundidas en el baño de sales, es necesario remover periódicamente el lodo. Generalmente se colocan tamices en la parte delantera de los tubos que llevan a las bombas para impedir el ingreso de lodo. La acumulación de cloruros arrastrados de los baños con contenido de cianuro y llevados a los medios enfriadores en base a nitrato-nitrito es indeseable. Cuando se permite que el cloruro se sedimente en el fondo del área de enfriamiento destinada a la separación por gravedad, se puede recolectar el cloruro en bandejas para lodo. Periódicamente se retiran las bandejas o se remueve manualmente el lodo del fondo de las bandejas.Tanques de almacenamiento de aceite enfriador y bombas
Refrigerantes y calentadores para mantener la temperatura deseada del medio enfriador
Filtros para minimizar el carbono libre y otros elementos extraños
Equipo de agitación para obtener un enfriamiento uniforme y minimizar la distorsión. Generalmente, el aceite es agitado por hélices o por bombas de tipo impulsor: nunca se usa aire comprimido para la agitación porque crea problemas de espuma.
Algunos diseños utilizan la filtración continua de cloruro a medida que los cristales suspendidos pasan a través de filtros con canasta. El operador retira las canastas periódicamente para vaciar los cloruros recolectados y luego las vuelve a poner en el horno. Otra técnica implica la filtración continua de sales con alto punto de fusión bombeando la sal de enfriamiento contaminada a través de un filtro mantenido a una temperatura inferior. Los contaminantes se depositan en una canasta de malla metálica y las sales utilizables son devueltas al tanque de enfriamiento.
La presencia de agua en el aceite de enfriamiento da como resultado una dureza insuficiente o irregular en las piezas. También crea mucha espuma e incrementa el riesgo de incendio. El agua puede ser removida de un baño de aceite de las siguientes maneras:
Los residuos de aceite de baño algunas veces emulsifican el contenido del agua. Tales aceites con contenido de agua no pueden ser tratados mediante drenaje.Incrementando la temperatura por encima del punto de ebullición (evaporación) del agua
Permitiendo que el agua se asiente y drenándola
Pasando el baño a través de una centrífuga
Comúnmente se usa agua para el temple de acero al carbono. Algunas veces se utiliza un polímero soluble en agua para modificar la velocidad de enfriamiento del agua de enfriamiento. Si se utiliza agua de enfriamiento en una línea de carburación líquida, puede usarse la ultrafiltración para obtener una remoción continua de las sales (ASM 1981). Los polímeros pueden ser precipitados por la sal arrastrada hasta el medio de enfriamiento si no se utiliza ultrafiltración.
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