Por Ernesto Guerra EUCON, distribuidor de PHOENIXTM


Introducción

El uso de sistemas de obtención de perfiles de temperatura que emplean “cajas calientes” para monitorizar temperaturas en hornos ha llegado a ser aceptado en muchas industrias relacionadas con los tratamientos térmicos. Hace 20 años, el concepto de colocar un registrador electrónico en un horno con los productos era visto como algo muy innovador, pero hoy en aplicaciones como el “brazing” de aluminio, las calibraciones de hornos e incluso el calentamiento de acero para laminación es un método habitual. En la mayoría de aplicaciones los hornos pueden “acomodar” fácilmente el sistema de medida con el producto, pero en algunas se requiere bastante ingenio para permitir que el sistema de medida viaje por el horno. La homogeneización de “troncos” de aluminio en un horno de viga galopante es una de ellas.

El proceso de tratamiento térmico

Tras la colada, los troncos de aluminio siguen un proceso de tratamiento térmico de homogeneización para asegurar la distribución uniforme de los elementos aleantes dentro de su estructura (Figura 1). Esto implica calentar los troncos a velocidad controlada, permanecer a temperatura durante un tiempo especificado y enfriamiento a velocidad controlada.

Medida de la temperatura del tronco

Cuando se ajustan los parámetros del horno para nuevas cargas de producción, monitorizar la temperatura real de las piezas a lo largo del horno es vital para optimizar el funcionamiento del horno, maximizando el rendimiento a la vez que asegurando la correcta estructura metalúrgica del producto.

La medida de la temperatura del producto no es un problema cuando el horno es intermitente ya que se pueden insertar termopares a las profundidades requeridas en una pieza de ensayo en cualquier parte de la carga y llevarlos a través de la puerta u otra apertura hasta un registrador externo al horno. Como las piezas no se mueven durante el proceso los datos de temperatura se pueden recoger sin mucho problema.

Sin embargo, cuando la homogeneización se realiza en un proceso continuo, como un horno de viga galopante, monitorizar la temperatura de los productos con un registrador externo al horno no es posible debido a que las piezas generalmente se mueven en varias direcciones cuando entran al horno, avanzan por él y salen. También los troncos pueden girar lentamente por la acción de las vigas galopantes. Estos factores hacen que la monitorización externa con termopares largos sea impracticable en condiciones normales de producción.

La solución es usar un sistema de monitorización de temperaturas de “caja caliente” que usa una Barrera térmica unida a la pieza que protege el registrador mientras recoge los datos de temperatura de los termopares colocados en la pieza de test (figura 2). De esta forma se puede monitorizar con precisión el perfil de temperatura del producto ya que el sistema de medida viaja por el proceso durante un ciclo normal de producción. Tras la salida del horno del sistema los datos se descargan del registrador y se analizan mediante un potente y sencillo software de análisis. También se puede optar por recibir los datos en el ordenador en tiempo real mediante telemetría.

Desafíos de diseño

Diseñar un sistema de “caja caliente” para trabajar unido a un tronco de aluminio en un horno de viga galopante no está exento de dificultades no obstante:

– Generalmente existen restricciones de tamaño a la entrada y salida del horno, así que la Barrera térmica del sistema se debe diseñar del mismo diámetro o preferiblemente inferior al de las piezas, o eso podría impedir su viaje a través del horno (Figura 3).

– El tiempo total de proceso puede estar alrededor de las 10 horas o más a temperaturas cercanas a los 600 ºC y diseñar un sistema para resistir estas condiciones mientras se mantiene la restricción del diámetro de las piezas puede ser difícil, con un diseño “normal” de la Barrera térmica para aislar el registrador podría no ser capaz de soportar el calor del horno durante un periodo de tiempo tan largo.

– La interfaz entre la pieza y la Barrera térmica debe estar bien diseñada para asegurar que el sistema y la pieza permanecen unidos durante todo el paso por el horno.

– Las piezas de aluminio pueden ser de hasta 8 metros de largo y el recorrido de los termopares desde la punta de la pieza hasta el registrador debe mantenerse dentro de los límites de la pieza para asegurar que no se enganchen durante el proceso.

Soluciones de diseño

Los sistemas de “caja caliente” normalmente trabajan usando un aislamiento de dos etapas que incluye una capa de aislamiento altamente eficiente que rodea a un “acumulador de calor” por cambio de fase para proteger el registrador. El medio de cambio de fase es generalmente una sal eutéctica que absorbe calor durante el periodo de cambio de fase, cambiando de estado sólido a líquido. Sin embargo, donde el tamaño de la barrera térmica está restringido y los procesos son de larga duración o alta temperatura entonces se usa agua en ebullición como medio de cambio de fase, cambiando de líquido a gas (vapor) y mientras se evapora prolonga el periodo que la barrera puede permanecer en el horno.

Diseñar la Barrera con suficiente capacidad térmica para pasar la pieza de test por el horno antes de que el agua se haya evaporado completamente es la clave para monitorizar con éxito este proceso, así, la cantidad de agua dentro de la Barrera debe ser maximizada. El diseño de la barrera debe también permitir que el vapor se libere (la presión) y la menor pérdida de agua mientras que la barrera gira en el horno (Figura 4). Para este tipo de sistema se necesita también que el registrador sea capaz de trabajar a 100 ºC de temperatura ambiente ya que está rodeado de agua en ebullición. Esto requiere una cuidadosa elección de los componentes electrónicos y el diseño de los circuitos.

La buena comunicación con el cliente en la fase de diseño es esencial ya que antes de la puesta en marcha del equipo se debe mecanizar una pieza de test para alojar el equipo y los termopares, manteniéndose todo dentro de los límites espaciales de las piezas.

Habiendo establecido el rango de diámetros de las piezas y los parámetros de proceso, el tamaño del equipo (longitud y diámetro) se puede calcular y se puede cortar un trozo de un tronco de igual longitud al equipo y desecharla. Después se mecaniza el final del tronco para alojar la parte de soporte de la Barrera térmica y asegurarla firmemente (Figura 5).

Se mecaniza una ranura longitudinalmente a lo largo de la pieza para guiar los termopares hasta agujeros taladrados en ángulos apropiados hasta la profundidad de medida correcta. Esto asegura que tanto la barrera térmica como los termopares no se salen de los límites del producto.

Cuando esto está hecho se colocan los termopares, se resetea el registrador y se coloca en la Barrera térmica fijada a la pieza de test y la prueba está lista para comenzar.

Conclusión

Medir las temperaturas en el núcleo de piezas mientras éstas rotan en un horno puede presentar grandes retos, pero con un cuidadoso diseño del sistema de monitorización se puede conseguir y obtener valiosos datos de temperatura. En una reciente puesta en marcha de un sistema de “caja caliente” en una fundición de Alemania, la empresa fue capaz de monitorizar con precisión los perfiles de temperatura de la pieza de ensayo en las tres etapas del tratamiento térmico. Después de esta prueba fueron capaces de reducir sustancialmente el tiempo que las piezas estaban pasando en la zona de permanencia a alta temperatura sin pérdida de calidad de producto, ahorrando así tiempo y consumo energético del horno.