Horno de tratamientos térmicos

Un poco de teoria... ¿Que es un tratamiento térmico?

Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, etc., de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos.

¿que utilidad práctica tiene los tratamientos térmicos? Pues infinitas dentro del mundo de la mecanica. Un ejemplo muy sencillo se obtiene con las herramientas de mecanizado. Muchas de ellas deben adoptar una determinada forma para poder realizar su trabajo, por ejemplo las brocas, fresas u otras herramientas de arranque de viruta, pero...¿que material es el que les permite dar esa forma? Pues tiene que ser otro material mas duro, resistente, tenaz.

Pues bien nosotros podemos partir de un material muy duro, tenaz, resistente y darle la forma mediante técnicas abrasivas o bien partir de un material mas blando y mecanizable, darle la forma que queramos con una maquina herramienta, y después aplicar un tratamiento térmico, que logrará cambiar la estructura molecular de los atomos del material y de sus impurezas. Las impurezas del acero, o mas bien sus aleantes son otros elementos que le confieren al acero diversas propiedades adicionales.

Otras aplicaciones serían el endurecimiento de muelles (para proporcionarles su elasticidad una vez son fabricados), endurecimiento de filos de cuchillos, navajas, etc.

No solo se emplean tratamientos termicos que aumenten resistencias o durezas... En ocasiones y debido a las deformamciones plasticas que reciben los materiales, llegamos a estados tensionales que pueden inducir fracturas u otros problemas, para loq ue se pueden aplicar tratamientos de recocido, o calentamiento con enfriamiento controlado. Con esto logramos reducir todas las tensiones del material.

Ya tenemos el concepto claro. ¿que mas necesitamos? pues un horno que sea capaz de llevar nuestros objetos al punto de transición.

Estos puntos de transicion dependen del material (y en definitiva de sus aleantes por supuesto), y de la temperatura.

Como ejemplo en la siguiente imagen se puede observar un diagrama hierro-carbono:

Empleando éstos y otros gráficos es posible conferir otras propiedas a los materiales en función del proceso que deseemos llevar a cabo.

Diseño:

En el presente proyecto mi objetivo es crear un horno de reducido tamaño, capaz de alcanzar 1400ºC y poder realizar fundiciones de metales de bajo punto de fusion a pequeña escala y tratamientos térmicos de materiales ferrosos. Para ello emplearé los siguientes materiales:

• • Perfileria de acero de 30x30

  • Ladrillos aislantes con alto contenido en alúmina

  • Resistencias de Kanthal A1 (1500ºC)

  • Controlador PID de temperatura

  • Termopar tipo K

  • Chapa acero 1.5mm para la estructura

Comenzamos con la estructura:

La misma se construye alrededor de los ladrillos aislantes. Estos son muy porosos y delicados así que es preferible manipularlos con cuidado.

Una vez la estructura esta creada, se fija con algun material elástico que mantenga los ladrillos unidos para proceder a lijarlos y matar aristas. Este paso lo he realizado por finalizades estéticas y prácticas, ya que posteriormente el horno irá cubierto con una chapa que protejerá los ladrillos.

Ultimando detalles:

Es la hora de ponerse con los elementos calefactores. En mi caso empleo filamentos de 1.5 mm de diametro de un material denominado Kanthal A1. Esta aleacion tiene las siguientes características:

La denominación Kanthal A1 es un nombre comercial de una aleacion de hierro-cromo-aluminio. Esta aleacion posee un elevado punto de fusion, bajo coeficiente de dilatación y una muy buena resistencia a la oxidación. En anteriores pruebas, con filamentos de acero inoxidable se puede percibir como se desconcha llegando a desintegrarse por completo. Esto no sucede con el FrCrAl y es el material que emplearé.

Para hacer la espiral calefactora es preciso disponer de algun elemento giratorio como un taladro, sin embargo yo he empleado un mandril sujetado al torno paralelo. De esta forma se tiene un control absoluto de la tension que se aplica la la hora de hacer las espirales.

Para colocar las espirales de forma que no se muevan, emplee una fresa de las empleadas en carpintería. Con esto pude hacer un canal circular en el interior del ladrillo de forma que queda perfectamente anclado, sin embargo a la hora de las pruebas me he encontrado que el filamento tiene una excesiva densidad de energia, con lo que se me ocurrió otra disposición de los filamentos, la cual reparte mas uniformemente la temperatura, y evita que se sobrecalienten las resistencias.

La nueva disposicion es la siguiente:

Y porfin un primer arranque conectando directamente los elementos. Ahora mismo, y dado que el tiempo de respuesta del horno es muy grande, puedo conectarlo a la red sin peligro de fundir las resistencias.

Aqui se puede ver el consumo instantaneo con todas las resistencias conectadas. Ronda los 11.5 Amperios a 220v.

La siguiente parte fue realizar un habitaculo para la electrónica de control. Empleo un regulador PDI que tiene diversas entradas para distintos tipos de sensores, ya sean RTD (resistencias variables con la temperatura) o termopares, y una salida para controlar contactores o relés de estado sólido.

En mi caso la configuracion incluye un termopar tipo K y un relé de estado sólido de 40 amperios

Una vez realizados los orificios de entrada para los interruptores y el regulador, se procede a soldar con latón y autógena.

Para aislar el horno del suelo, fabriqué unas patas a partir de varilla roscada y tuercas, de este modo puedo establecer la altura y estabilizar el horno para eliminar holguras en las patas.