UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE METALURGIA Y CIENCIA DE LOS MATERIALESTRATAMIENTOS TÉRMICOS

Informe 1

Francis RodríguezC.I.: 19.559.262

Caracas, octubre de 2014

PRACTICA N° 1.LOS SISTEMAS DE CALENTAMIENTO. UN EJEMPLO DE CALIBRACIÓN.

MEDIOS DE ENFRIAMIENTO.

1. - OBJETIVO

Familiarizar al estudiante con los sistemas de calentamiento utilizados para la realización de los tratamientos térmicos. Para este propósito se suministrará un material escrito con un resumen relacionado con lo mismo. Igualmente se busca que el estudiante, para un horno preseleccionado en el laboratorio de Tratamientos Térmicos, construya la curva de calibración del mismo.

2.- INTRODUCCIÓN

Dado que existen diversas formas para calentar durante los tratamientos térmicos, es importante que el estudiante maneje las opciones generales con que cuenta al respecto. De esta forma, es importante considerar que hay posibilidades de calentar en distintos medios (líquido o gaseoso por ejemplo), así como que hay sistemas al vacío o con atmósfera oxidante o reductora. Sistemas que usan resistencias eléctricas, plasma, o llamas para calentar, etc. Igualmente es general el hecho, de que no necesariamente coinciden las lecturas de temperatura del sistema de control del horno, con la temperatura que realmente se presenta en la zona de calentamiento para el tratamiento térmico. Por esta razón, debe obtenerse la curva de calibración de cada sistema de calentamiento, para poder inferir la temperatura de tratamiento de acuerdo a la medición que presenta el sistema de control del mismo.

3.- MARCO TEÓRICO

Los tratamientos térmicos son la combinación de varios procedimientos en el tratamiento de una pieza, mediante su sujeción a cambios de temperatura y con el propósito de obtener determinadas características mecánicas del material. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos de antemano de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.

Los hornos utilizados para el tratamiento térmico se pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmósfera o por la solera del horno.

1.- El calentamiento por gas:

Los hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la combustión entran a la cámara de calentamiento. Alternativamente, pueden ser de combustión indirecta, de manera que la cámara del horno quede aislada de los productos de la combustión. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en el cual un gas en combustión dentro de tubos metálicos, que se proyecta dentro de la cámara de

calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante. El calentamiento por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control de la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100ºC y el control de la atmósfera es muy difícil por ello se emplea poco este proceso de calentamiento para tratamientos térmicos.

2.- Calentamiento por resistencia eléctrica:

Es el más usado para los hornos de tratamiento térmicos que aprovecha el calor generado según la ley de joule. La disposición de la resistencia da nombre a los hornos, que son de tipo mufla o caja, la resistencia está instalada a lo largo de las paredes interiores y por lo tanto en contacto con las paredes del horno. El material de la resistencia suele ser nicrom (Níquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de 1100ºC y de aleación de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300ºC. Para lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800ºC), de tungsteno (2500ºC), y de grafito (2700ºC). Para temperaturas aún mayores se utilizan los hornos de inducción (3000ºC).

3.- Hornos según su atmósfera:

En tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro del horno que está en contacto con la pieza a tratar las atmósfera pueden tener carácter neutro, oxidante o reductor el papel desempeñado por la atmósfera controlada es doble, por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidación y la descarbonización de las piezas. Por otra parte permite realizar las acciones previstas a saber, la reducción de óxidos superficiales y la eliminación de gas sean absorbidas.

3.1.- En vacío:

Se utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento térmico especial de aceros aleados se consiguen mediante bombas mecánicas y de difusión de aceite o mercurio. Las atmósferas neutras de argón helio y nitrógeno apenas se emplean debido al precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener. Las atmósferas carburantes o descarburantes obtenidas por combustión o disociación de mezclas de hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2, CO, H2, CO2, y pequeñas cantidades de vapor de agua.

3.2.- Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmico:

En el generador exotérmico de introducen hidrocarburos y aire secos limpios convenientemente dosificados se queman en la cámara de combustión se filtran y se separan en del agua. El gas seco resultante se introduce al horno de tratamiento térmico. La mezcla que se introduce al generador endotérmico es parecida a la inyectada en el exotérmico pero el generador endotérmico no tiene quemador sino los gases reaccionan entre sí en un catalizador calentado exageradamente.

Como ya fue mencionado, es necesario conocer los fundamentos acerca de los sistemas de calentamiento. Algunos sistemas se muestran a continuación:

1.- Por Inducción:

La inducción es un método de calentamiento sin contacto ni llama que puede poner al rojo vivo en segundos una sección determinada de una barra metálica con gran precisión. Mediante una corriente alterna que fluye a través de una bobina, se genera un campo magnético. La fuerza del campo varía en función de la frecuencia aplicada a la alternancia que pasa a través de la bobina. El campo se concentra en el área contorneada por la bobina; mientras que su magnitud depende de la fuerza de la corriente y el número de espiras en la bobina. Las corrientes de Foucault son inducidas en cualquier objeto conductor de electricidad, por ejemplo una barra de metal, colocada dentro de la bobina. El fenómeno de resistencia genera calor en el área donde fluyen las corrientes de Foucault. Si se incrementa la fuerza del campo magnético, también se incrementará el efecto de calentamiento. Sin embargo, el efecto total de calentamiento también está influenciado por las propiedades magnéticas del objeto y la distancia entre esta y la bobina.

Las corrientes de Foucault crean su propio campo magnético que se opone al campo original producido por la bobina. Esta oposición impide que el campo original penetre inmediatamente hasta el centro del objeto rodeado por la bobina. Las corrientes de Foucault son más activas cerca de la superficie del objeto calentando, pero su actividad se debilita considerablemente al avanzar hacia el centro del objeto.

2.- Por Conducción:

Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido- cuando existe una diferencia de temperatura, lo cual se debe al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura, lo cual explica que los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores de calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa, que hoy en día se conoce como Ley de Fourier, de la conducción de calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo inverso).

3.- Por Convección:

Es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente, esto se denomina convección natural. Mientras que la convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se forza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de los fluidos.

4.- Por Radiación:

En este caso las sustancias que intercambian calor no deben estar en contacto, sino que deben estar separadas por un vacío. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de las ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación es la Teoría Cuántica. La radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.

La calibración es el conjunto de operaciones que establecen, en condiciones especificadas, la relación entre los valores de una magnitud indicados por un instrumento de medida o un sistema de medida, o los valores representados por una medida materializada o por un material de referencia, y los valores correspondientes de esa magnitud realizados por patrones. En resumen, consiste en comprobar las desviaciones de indicación de instrumentos y equipos de medida por comparación con patrones con trazabilidad nacional o internacional. Mediante los resultados de calibración se puede determinar las correcciones a aplicar en las indicaciones de los instrumentos.

Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivoltios el cual aumenta con la temperatura.

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la Tabla 1 aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K.

Tabla 1. Tipos de termocuplas y sus características.

Figura 1. Modelo matemático del funcionamiento de una termocupla.

Figura 2. Esquema de una termocupla.

La diferencia de potencial (ddp) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Por otra parte, se puede definir como el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico, esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico.

Si la energía (E) que el generador cede al circuito durante su funcionamiento es directamente proporcional a su ddp (V) y a la carga, q (C), que pone en movimiento.  

E=q∗V

Por lo tanto la ddp o diferencia de potencial es:

V= Eq

Desde el punto de vista dinámico, un termopar se comporta como un instrumento de primer orden, cuyo modelo matemático está descrito por la ecuación diferencial:

τde (t)dt

+e ( t )=k eT ( t)

donde: e(t): Voltaje, mV; T(t): Temperatura a medir, °C; τ: Constante de tiempo, s; k e: Sensibilidad estática, mV/°C y se utiliza para medir temperatura.

Puede estudiarse su funcionamiento tomando la entrada (temperatura a medir) como una función conocida del tiempo y luego resolviendo la ecuación diferencial para la salida (voltaje) como función del tiempo.

Gráfica 1. Verdadera curva de calibración de calentamiento.

Los medios de enfriamiento pueden ser por: agua, aceites, aire a presión o sin presión y soluciones salinas.

Gráfica 2. Curva de enfriamiento con los variados medios.

4.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El tipo de horno empleado es tipo Mufla el cual consta de una cámara cerrada con materiales refractarios. Su fabricación es sencilla y posee una puerta por la cual se accede al interior de la cámara de cocción, en la que existe un pequeño orificio de observación. En el techo posee un agujero por donde salen los ases de la cámara. Las paredes están hechas de placas de chamota, planchas de carborundo y/o manta de material aislante. Sus dimensiones fueron:

Por otro lado, la termocupla utilizada fue tipo K, tanto la auxiliar como la del horno. Para la calibración se realizó con la razón de cambio de temperatura a través del tiempo conocida como meseta, donde cada meseta se varió el tiempo de medida, siendo así: meseta 1 a tiempo de ºC por cada diez (10) segundos transcurridos, meseta 2 a tiempo de ºC por cada treinta (30) segundos transcurridos y meseta 3 a tiempo de ºC por cada un (1) minuto transcurrido, dando como resultado el Grafico 3.

6600tán28a5

660

6730tán6a5

673

6870tán16a5

6876600tán28a56606600tán19a56606600tán10a5660

6600tán1a56606600tán21a56606600tán12a5660

6610tán3a56616610tán23a56616610tán14a5661

6610tán5a5661

Temperatura vs Tiempo

TableroTermocupla auxiliar

Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC)

Gráfico 3. Valores de temperatura obtenidos del horno con la termocupla auxiliar de referencia y el tablero del horno a diferentes tiempos.

En el Grafico 3 se encuentran reflejados los resultados obtenido al medir las temperaturas del horno con la Termocupla Auxiliar de Referencia y el Tablero del Horno.

Como se puede observar, los valores obtenidos del gráfico muestran una variación significativa en el intervalo entre 0 y 5000 segundos aproximadamente, esto se debe a que las superficies del horno no transmite el calor homogéneamente, ya que una pared del horno se encuentra con daños permanentes. Pero a temperaturas más altas el tablero comienza a tomar mediciones de temperatura más altos que la termocupla auxiliar, lo cual indica que alcanza la misma temperatura a un tiempo dado.

Tanto para la curva de la termocupla como del tablero, se observa una curva suave, lo que indica que la estabilidad de los medidores de temperatura no necesita corrección.

En este experimento no se pudo evaluar la uniformidad de la temperatura, esto se debe a que solo se trabajó con una termocupla y no se pudieron tomar valores de temperatura en diferentes espacios del horno en el tiempo de calentamiento.

Asumiendo que la termocupla utilizada este mostrando valores de temperatura precisos, es necesaria la calibración del equipo debido a que, si es necesario el tratamiento de alguna pieza y se tienen valores con alta desviación de temperatura del tablero, el porcentaje de error del tratamiento puede ser muy alto.

5.- CONCLUSIONES

El estudiante se familiarizó con el equipo.

Es necesaria la calibración del tablero del horno para próximas prácticas.

Se comprendió el funcionamiento del sistema de calentamiento.

6.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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http://www.efd-induction.com/~/media/PDF/Applications/ApplicationsESP.ashx

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http://www.lloydindustrialsa.com/tratam.html Ciencias de los materiales. Calor. Hornos. Calentamiento. Enfriamiento. Metal. Tratamiento en masa, superficiales, de superficie. Templabilidad. Método Jominy.

http://www.alpemetrologia.com/consultas-alpe-metrologia.php

http://www.unet.edu.ve/~nduran/Teoria_Instrucontrol/termopares.pdf