Baños de sal: dispositivo y aplicación
Cuando se calientan productos en líquido, debido a los altos valores del coeficiente de transferencia de calor del líquido al metal, se puede lograr una velocidad de calentamiento significativamente mayor. Por otro lado, debido a la conductividad térmica mucho mayor de los líquidos en comparación con los gases, la distribución de temperatura en ellos debe ser más uniforme y, por lo tanto, el calentamiento de productos individuales o partes del producto se realizará en las mismas condiciones.
La tasa de calentamiento más rápida se puede lograr en un metal líquido como el plomo fundido. El baño de plomo es un crisol de hierro lleno de plomo, instalado en horno eléctrico de eje debajo de la cubierta de escape. Cuando el plomo se funde y alcanza una temperatura predeterminada, se introducen pequeñas piezas en él, que se calientan rápidamente, por ejemplo, para templar o templar, mientras que la conductividad térmica del plomo garantiza una alta uniformidad de calentamiento de las piezas que caen en él. pero un baño de plomo tiene una serie de defectos importantes:
• trabajo nocivo con plomo, especialmente a altas temperaturas,
• imposibilidad de uso para calentar a temperaturas superiores a 800 ° C (a temperaturas más altas, el plomo se evapora intensamente),
• baja capacidad calorífica del plomo, por lo que se enfría rápidamente cuando se sumerge en piezas más grandes.
En consecuencia, los baños de plomo recibieron un uso limitado. A diferencia del plomo, varias sales, nitratos y bases han encontrado una aplicación mucho más amplia. Dado que varias sales, nitratos y bases utilizadas tienen puntos de fusión muy diferentes, para cualquier temperatura en el rango de 250 a 1300 °C se puede seleccionar tal sal o mezcla de sales que se evapore poco a esa temperatura y al mismo tiempo. el tiempo es fluido. La Tabla 1 da los puntos de fusión y campos de aplicación de algunas sales y nitratos.
Los baños de sal y sal se realizan constructivamente como baños con calentamiento externo, baños con calentadores internos y electrodos... Los dos primeros tipos se realizan a temperaturas relativamente bajas; estos son principalmente baños de salitre y alcalinos que se utilizan para el tratamiento térmico de perfiles y láminas de aleaciones ligeras. (450 -525 °C).
Los baños de sal calentados externamente son un recipiente rectangular o circular soldado de acero al carbono simple colocado en un eje con calentadores de metal.
Los baños de sal con calentadores internos se hacen de la misma manera, pero no tienen elementos de calentamiento externos, sino que los elementos de calentamiento herméticos tubulares se sumergen en nitrato. Tienen ventajas significativas:
1. Dimensiones ligeramente más pequeñas y menores pérdidas de calor en comparación con los baños de calentamiento externos,
2. el consumo de aleaciones de calentamiento en ellos es diez veces menor,
3.Son más seguros porque los nitratos pueden explotar cuando se sobrecalientan en presencia de óxidos de hierro, y dicho sobrecalentamiento en baños de calentamiento externo puede ocurrir debido a la contaminación de las capas inferiores de nitrato, lo que hace que los calentadores inferiores sobrecalienten el fondo del baño.
La desventaja de los calentadores de tubo en baños de nitrato es su corta vida útil debido a la alta temperatura y la corrosión de la camisa del tubo con nitrato.
Tabla 1. Punto de fusión y rango de algunas sales
Los baños salinos y alcalinos de ambos tipos alcanzan tamaños muy grandes (longitud 6-8 m) y una potencia de varios cientos de kilovatios.Para temperaturas más altas se utilizan baños con electrodo. Son un crisol de metal o cerámica lleno de sal, en el que se bajan electrodos metálicos alimentados por un transformador reductor con un voltaje de 8-25 V.
En estado frío, la sal apenas conduce corriente, pero si se calienta por alguna fuente externa, entonces se establece una corriente entre los electrodos y libera calor Joule en la sal. Por lo tanto, la propia sal fundida sirve como calentador en tales baños, en los que se sumergen los artículos a calentar.
Los baños de electrodos vienen con cubierta y electrodos externos. Los primeros no se utilizan actualmente debido a su baja eficiencia y calentamiento desigual. En tales baños, la densidad de corriente en la superficie de los electrodos debido a las grandes dimensiones de estos últimos no es elevada, por lo que en ellos sólo existe una circulación térmica natural de la sal, que iguala las temperaturas en estos últimos a lo largo de la altura. Sin embargo, en tales baños, la diferencia de temperatura en los niveles superior e inferior puede alcanzar los 20-25 ° C.
Por lo tanto, la principal desventaja de tales baños es la circulación insuficientemente intensa de la sal, lo que conduce a una disminución en la velocidad de calentamiento de los productos y, por lo tanto, en la operación del baño, y a una distribución desigual de la temperatura a lo largo. la altura.
Además, en estos baños las líneas de corriente llenan casi todo el volumen de la sal; por lo tanto, la corriente también fluye a través de los productos. Con una forma desfavorable de estos últimos (bordes afilados, puentes delgados entre dos partes del producto), se pueden concentrar en ellos densidades de corriente aumentadas, lo que provocará un sobrecalentamiento y puede provocar el rechazo o incluso la fusión.
Arroz. 1. Baño de sal con electrodos remotos y tabique: 1 — baño, 2 — revestimiento, 3 — delantal, 4 — sombrilla, 5 — tabique: 6 — pirómetro, 7 — electrodo, 8 — mampostería refractaria, 9 — aislamiento térmico.
Estas desventajas se superan con los baños de sal de electrodos con electrodos externos cada vez más extendidos. En ellos, los electrodos son dos varillas de sección rectangular o circular, sumergidas en la sal a una distancia de 25-50 mm entre sí.
En tales baños, casi todas las líneas de corriente están ubicadas en el espacio entre dos electrodos, por lo tanto, solo pasan corrientes insignificantes a través de las partes calentadas y sus puntos individuales no se sobrecalientan. Además, para excluir completamente el paso de corriente a través de las partes, la parte de la cámara donde se ubican los electrodos puede estar separada de su parte de trabajo por un tabique (Fig. 1).
Dado que la densidad de corriente entre las varillas es muy alta, la sal entre ellas se sobrecalienta y comienza una intensa circulación térmica, y las partículas de sal calentadas ascienden al espacio entre los electrodos y en el nivel superior divergen a través del volumen del baño, mientras que las más frías las capas inferiores se insertan en el espacio entre electrodos debajo.
A densidades de corriente muy altas entre los electrodos (alrededor de 15-25 A / cm2), las fuerzas electromagnéticas comienzan a prevalecer, arrojando sal hacia el espacio entre electrodos, como resultado de lo cual se invierte la dirección de circulación y aumenta su intensidad. Tal circulación forzada de sal aumenta significativamente tanto el coeficiente de transferencia de calor de la sal a los productos como la uniformidad del calentamiento de los productos a lo largo de la altura de los baños (hasta ± 3 °C).
Debido a las ventajas mencionadas, recientemente se han utilizado cada vez más los baños con electrodos externos. Los baños de sal se producen monofásicos y trifásicos (Fig. 1) a potencias de 20 a 150 kW y a varias temperaturas hasta 1300 ° C. Se utilizan para calentar diversos productos para temple y revenido y principalmente para herramientas (incluidos aceros de alta velocidad), así como para el recocido isotérmico. Además, al elegir la composición salina adecuada en ellos, es posible garantizar la realización de operaciones de procesamiento termoquímico, cementación y cianuración de aceros.
Una ventaja bien conocida del calentamiento en baños de sal es cubrir los elementos que se retiran del baño con una fina capa de sal. Esta película protege la superficie del producto de la oxidación en el aire, mientras que al mismo tiempo se agrieta y rebota cuando se enfría o cuando se sumerge en un tanque de refrigeración.
Los crisoles metálicos resistentes al calor de los baños de electrodos que funcionan hasta 1000 ° C están hechos de aceros al cromo-níquel, y se puede suponer que su vida útil es de 1 año. Los crisoles cerámicos se pueden usar hasta 1400°C, se pueden compactar, cocer o ensamblar por completo a partir de placas de cerámica con alto contenido de aluminio cocidas individualmente unidas entre sí en una solución.
Los electrodos pueden estar hechos de aceros al cromo-níquel o aceros con bajo contenido de carbono, por ejemplo, clase 10. Los electrodos permanecen en baños de alta temperatura de 3 a 6 meses, en baños de temperatura media hasta un año.
La disposición de las tapas de baño de sal juega un papel importante... Un espejo de sal abierto emite una cantidad de energía equivalente a unas 5-6 veces la pérdida de calor de un baño cerrado a 1000 °C. Por lo tanto, la tapa del baño debe estar suficientemente aislada , al mismo tiempo debe ser fácil de plegar o mover hacia un lado durante la carga y descarga. Se puede lograr una reducción significativa en las pérdidas del espejo del baño al recubrir su superficie con una capa de polvo de carbono de grafito celular.
Dado que la sal no se conduce en estado frío, es necesario calentarla para que funcione el baño. Lo más conveniente es el uso de resistencias iniciales de nicromo. Este último, antes de que se solidifique el baño, se sumerge en sal y se conecta a dos electrodos. Cuando se calienta el baño, la corriente del transformador que fluye a través de la resistencia lo calienta, por lo que las capas de sal adyacentes a la resistencia se calientan y, a su vez, comienzan a conducir. Luego, la resistencia se apaga y se retira de la sal.Para tal resistencia se puede admitir una potencia superficial específica muy elevada del orden de 10-15 W/cm2. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que cuando se trabaja en sal, el nicromo se vuelve muy frágil y requiere un manejo cuidadoso.
A veces, en lugar de una resistencia de metal entre los electrodos, después de apagar el horno, se colocan trozos de carbón de electrodo que, al calentarse cuando se enciende el baño, calientan la sal. Finalmente, simplemente puede calentar las áreas de sal cerca de los electrodos con un quemador de gas. La operación de calentamiento del baño es bastante larga, por lo que en ocasiones es preferible no enfriar los baños durante la noche, dejándolos encendidos a tensión reducida.
Además de los baños de electrodos intermitentes, también se utilizan unidades continuas... Para baños individuales, se puede utilizar una cinta transportadora encima del baño para transportar las piezas y sumergirlas en la sal. Las unidades para procesos de tratamiento térmico complejos, realizados secuencialmente en varios baños, son más complejas, ya que esto requiere la creación de movimientos alternos de piezas en direcciones horizontales y verticales. Por lo general, esta tarea se resuelve utilizando un transportador o un carrusel con un dispositivo de elevación.
Así, frente a los hornos eléctricos convencionales, los baños de sal presentan las siguientes ventajas:
1. alta velocidad de calentamiento y, por lo tanto, alto rendimiento para las mismas dimensiones,
2. fácil de realizar varios tipos de tratamiento térmico y termoquímico,
3. protección de los productos contra la oxidación durante el calentamiento y enfriamiento.
Las desventajas de los baños de sal son las siguientes:
1.alto consumo de energía específico debido al aumento de las pérdidas de calor del espejo del baño y la necesidad de su funcionamiento continuo debido a la duración y complejidad del calentamiento (este último provoca un funcionamiento con carga insuficiente),
2. consumo bastante alto de sal,
3. condiciones de trabajo difíciles incluso con buena ventilación.
La prevalencia de los baños de sal se explica por el hecho de que, en muchos casos, sus ventajas superan a sus desventajas.
Para las temperaturas más bajas se utilizan baños de aceite, realizados con calentamiento tanto interno como externo. Las calderas de electrodos para calentar agua y producir vapor de agua funcionan de la misma manera que los baños de electrodos de sal.