Método y sistema de reciclaje de atmósfera.

Un sistema de reciclaje de un gas de atmósfera evacuado que comprende:

una cámara de tratamiento térmico (10),

un gas de atmósfera protectora en dicha cámara de tratamiento térmico,

un suministro de combustible (12), 10 un suministro de gas de atmósfera (11),

un aparato de reciclaje de atmósfera (21) configurado para recibir el gas de atmósfera evacuado y para usar una corriente impura como combustible para la cámara de tratamiento térmico (10), comunicando la corriente impura con uno o más orificios de evacuación de atmósfera, incluyendo dicho aparato de reciclaje de atmósfera (21) un separador de gas configurado para separar el gas de atmósfera evacuado en una corriente de gas de atmósfera purificado y la corriente impura;

comprendiendo además el sistema un recipiente de almacenamiento (22) configurado para recibir la corriente de gas de atmósfera purificado procedente de dicho aparato de reciclaje de atmósfera (21), y configurado para complementar el suministro de gas de atmósfera (11) a la cámara de tratamiento térmico (10) con la corriente de gas de atmósfera purificado;

caracterizado porque además comprende:

un regulador de presión principal (24) dispuesto entre el suministro de gas de atmósfera (11) y la cámara de tratamiento térmico (10), y

un regulador de presión posterior (23) dispuesto entre dicho recipiente de almacenamiento (22) y la cámara de tratamiento térmico (10);

en el que dicho regulador de presión primario (24) tiene una presión de referencia que es inferior a la presión de referencia de dicho regulador de presión posterior (23)

Método y sistema de reciclaje de atmósfera

Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere al reciclaje de gas de atmósfera evacuado descargado desde una cámara de tratamiento térmico que usa un gas de atmósfera protectora en la misma.

Discusión de los antecedentes Las piezas metálicas, típicamente, se tratan térmicamente durante el método de fabricación con el fin de lograr las características deseadas de las piezas metálicas. El tratamiento térmico se realiza habitualmente en una atmósfera apropiada con el fin de evitar reacciones químicas adversas tales como oxidación, carburación, fragilización por hidrógeno o nitruración. Para la mayor parte de las aplicaciones, es preferente una atmósfera que sea químicamente inerte (por ejemplo, argón, nitrógeno para algunos metales) o químicamente reductora (especialmente atmósferas que sean parcial o totalmente hidrógeno) . El recocido con hidrógeno, en particular, presenta ventajas especiales, ya que el hidrógeno tiene unas propiedades de transferencia de calor sustancialmente mejores y una viscosidad más reducida que otros gases y, por lo tanto, ha permitido el desarrollo de hornos de recocido de campana, de convención alta, del presente estado de la técnica que hacen circular mecánicamente una atmósfera de hidrógeno alrededor del metal que se está tratando térmicamente para lograr un calentamiento homogéneo y exento de reacciones secundarias químicas.

Debido a que los metales que se desean recocer se han procesado habitualmente de forma mecánica con aceite lubricante, con o sin lavado posterior, existe generalmente una gran cantidad de contaminantes en forma de aceite y/o agua presentes en el metal. Naturalmente, la atmósfera de recocido también está inicialmente inundada con aire atmosférico, que contiene oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono en grandes cantidades, todos los cuales causan reacciones químicas no deseadas cuando el metal se calienta a la temperatura deseada para el recocido, alivio de tensiones, etc. En las instalaciones de tratamiento térmico actuales, el aire atmosférico se desplaza mediante un primer gas de purga, que puede ser o no el gas de atmósfera final, con el fin de desplazar el aire y algunos contaminantes en fase vapor. La seguridad dicta habitualmente que este primer gas de purga no sea inflamable. Alternativamente, puede aplicarse un vacío suave solo o en combinación con gas inerte para lograr los mismos fines.

Mientras el metal se calienta, puede añadirse el primer gas de purga en continuo para transportar al exterior aceites y agua evaporada y evitar la admisión de aire, o puede introducirse una segunda atmósfera (habitualmente hidrógeno) . Debido al nivel de impurezas de hidrocarburos, óxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua, que de otro modo aumentarían en la atmósfera del horno cuando los materiales líquidos se vaporizan y se descomponen químicamente, la atmósfera se retira en continuo del horno de tratamiento térmico. Algunas estrategias usadas comúnmente para la eliminación del gas de atmósfera son combustión en el orificio de evacuación (a menudo denominada “cortinas de llama”) , recogida y combustión como combustible de bajo valor o simplemente evacuación de la atmósfera.

Estos métodos de eliminación de las impurezas de la atmósfera de tratamiento térmico presentan varios inconvenientes. Ante todo, estos métodos desperdician el propio gas de atmósfera, que habitualmente es caro. Incluso aunque se recupere como combustible, el valor de combustible del gas de atmósfera recuperado es generalmente muy inferior al coste del gas de atmósfera puro que se consume. En caso de evacuación del gas de atmósfera, los compuestos orgánicos volátiles y las impurezas de monóxido de carbono presentes en el gas se dispersan después en el aire ambiente, constituyendo contaminación del aire. En muchas localizaciones, la emisión de dichos contaminantes está regulada y las emisiones extra pueden estar estrictamente prohibidas, lo que requiere la adición de equipos de postratamiento caros, tales como oxidantes térmicos o catalíticos.

Se han propuesto métodos de reciclaje de atmósferas de tratamiento de metales. Por ejemplo, la patente de Estados Unidos Nº 6.881.242 (denomina en adelante “la patente ‘242”) de Krueger y col. propone un sistema para reciclar hidrógeno en el que el gas de atmósfera se filtra, se comprime y se suministra a un purificador de hidrógeno de membrana metálica. Este método está limitado en varios aspectos. Debido a que el gas de atmósfera está generalmente muy caliente, es impracticable comprimir el gas a la presión requerida en la patente ‘242 a menos que se contemplen flujos muy pequeños. Además, la patente '242 no proporciona ningún medio para eliminar el vapor de aceite antes de la etapa de separación, lo que significa que el separador debe operar mientras se expone al aceite mixto y a contaminantes procedentes del aceite que forma el metal descompuesto, solución de lavado, etc. Los purificadores de membrana metálica son muy sensibles a la contaminación por azufre, deposición de carbono, etc., y, por lo tanto, no se pueden usar para atmósferas de horno típicas que contienen dichos compuestos.

La patente de Estados Unidos Nº 5.348.592 (denominada en adelante “la patente ‘592”) de Garg y col., presenta otro enfoque de reciclaje de atmósfera que es útil para eliminar el vapor de agua e impurezas de oxígeno solamente. Como la patente ‘242, la patente ‘592 sugiere que puede usarse un secador de gas de adsorción para eliminar el vapor de agua. En el caso de la patente ‘592, este vapor de agua se forma realmente mediante reacción catalítica de trazas de oxígeno con hidrógeno, así como mediante vapor de agua preexistente procedente del gas de atmósfera evacuado. Los catalizadores usados en la patente ‘592 también son muy sensibles a la desactivación por vapores de hidrocarburos, por azufre presente en aceites en trabajos con metales y por monóxido de carbono. Por lo tanto, el método de la patente ‘592 no es adecuado para atmósferas metalúrgicas en las que estas impurezas están presentes. El método ‘592 tampoco es capaz de librar el gas de atmósfera evacuado de productos inertes no deseados tales como nitrógeno, y tampoco puede usarse cuando la atmósfera que se está reciclando está, de forma deseable, exenta de nitrógeno, como en atmósferas de argón o hidrógeno.

Ni la patente ‘242 ni la patente ‘592 proporcionan un medio para expulsar gas de atmósfera evacuado durante periodos en los que los niveles de impurezas sean tales que no puedan eliminarse eficazmente mediante el aparato de purificación. Por lo tanto, durante dichos periodos, el gas de atmósfera evacuado puede provocar la degradación o el mal funcionamiento del equipo, o tener como consecuencia la recirculación de impurezas sustanciales a la atmósfera de tratamiento térmico.

Sumario de la invención En un intento de eliminar las limitaciones y problemas tratados anteriormente, los inventores han construido un método y un sistema de reciclaje de atmósferas de tratamiento térmico tal como se describe más adelante.

Por las razones tratadas anteriormente, es deseable proporcionar un método y un aparato de reciclaje de gas de atmósfera purificado a partir de gas evacuado impuro típico de aplicaciones de tratamiento térmico.

También es deseable reducir en gran medida la emisión de compuestos orgánicos volátiles a partir del método de tratamiento térmico.

También es deseable proporcionar un método y un aparato que sea capaz de manejar caudales y composiciones de gas evacuado que varíen ampliamente procedentes de bien un horno de tratamiento térmico único o de una serie de hornos de tratamiento térmico que operen en fase o en desfase con respecto a su uso de gas de atmósfera.

También es deseable proporcionar un método para recuperar selectivamente gas de atmósfera durante periodos para maximizar de forma independiente la recuperación y la pureza del gas reciclado.

También es deseable proporcionar un sistema de reciclaje de gas de atmósfera que sea capaz de retirar simultáneamente vapor de agua, nitrógeno, oxígeno, compuestos orgánicos volátiles, óxidos de carbono y compuestos de azufre del gas de atmósfera reciclado sin degradación.

También es deseable proporcionar un sistema de reciclaje de gas de atmósfera que pueda mantener un nivel de pureza esencialmente constante en el gas de atmósfera reciclado independientemente de la variación del caudal, temperatura y composición de la atmósfera evacuada.

Breve de la descripción... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de reciclaje de un gas de atmósfera evacuado que comprende:

una cámara de tratamiento térmico (10) ,

un gas de atmósfera protectora en dicha cámara de tratamiento térmico,

un suministro de combustible (12) , 10 un suministro de gas de atmósfera (11) ,

un aparato de reciclaje de atmósfera (21) configurado para recibir el gas de atmósfera evacuado y para usar una corriente impura como combustible para la cámara de tratamiento térmico (10) , comunicando la corriente impura con uno o más orificios de evacuación de atmósfera, incluyendo dicho aparato de reciclaje de atmósfera (21) un separador de gas configurado para separar el gas de atmósfera evacuado en una corriente de gas de atmósfera purificado y la corriente impura;

comprendiendo además el sistema un recipiente de almacenamiento (22) configurado para recibir la corriente de gas de atmósfera purificado procedente de dicho aparato de reciclaje de atmósfera (21) , y configurado para complementar el suministro de gas de atmósfera (11) a la cámara de tratamiento térmico (10) con la corriente de gas de atmósfera purificado;

caracterizado porque además comprende:

un regulador de presión principal (24) dispuesto entre el suministro de gas de atmósfera (11) y la cámara de tratamiento térmico (10) , y

un regulador de presión posterior (23) dispuesto entre dicho recipiente de almacenamiento (22) y la cámara de 30 tratamiento térmico (10) ;

en el que dicho regulador de presión primario (24) tiene una presión de referencia que es inferior a la presión de referencia de dicho regulador de presión posterior (23)

2. El sistema según la reivindicación 1, que además comprende una válvula economizadora (25) dispuesta entre el suministro de gas de atmósfera (11) y la cámara de tratamiento térmico (10) , en el que dicho regulador de presión posterior (23) tiene una presión de referencia que es inferior a la presión de referencia de dicha válvula economizadora (25) .

3. El sistema según la reivindicación 2, en el que la presión de referencia de dicho regulador de presión posterior

(23) es superior a la presión de referencia de dicho regulador de presión principal (24) .

4. Un método de reciclaje de un gas de atmósfera evacuado descargado desde una cámara de tratamiento térmico que usa un gas de atmósfera protectora en la misma, comprendiendo dicho método:

recibir el gas de atmósfera evacuado descargado desde la cámara de tratamiento térmico (10) ,

separar el gas de atmósfera evacuado en una corriente de gas de atmósfera purificado y en una corriente impura,

usar la corriente impura como combustible para la cámara de tratamiento térmico (10) ,

recibir la corriente de gas de atmósfera purificado en un recipiente de almacenamiento (22) y complementar el suministro de gas de atmósfera (11) a la cámara de tratamiento térmico (10) con la corriente de gas de atmósfera purificado,

proporcionar un regulador de presión principal (24) entre el suministro de gas de atmósfera (11) y la cámara de tratamiento térmico (10) , y

proporcionar un regulador de presión posterior (23) entre el recipiente de almacenamiento (22) y la cámara de 60 tratamiento térmico (10) ;

en el que el regulador de presión primario tiene una presión de referencia que es inferior a la presión de referencia del regulador de presión posterior (23) .