TESIS: ESTUDIO PARA DETERMINAR LA INFLUENCIA DEL …

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN

., ESTUDIO PARA DETERMINAR LA

INFLUENCIA DEL DESGASTE EN LAS BO[JUILLAS DE LOS [JUEMADDRES EN LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO"

T E s I s QUE PARA OBTENER EL TITULO DEI

IINGENIERO MECANI(O ELECTRICISTA P R E S E N T A

EDGAR SALGADO LOZANO ASESOR: INO. OERARDO SOSA

CUAUTITLAN IZCALU. BDO. DE MEX. 2001

UNAM – Dirección General de Bibliotecas

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\ • 1.

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERlORESCUAUTlTLAN • UNIDAD DE LA ADMINISTRACION ESCOLAR

OEPARTAMENTO DE EXAMENÉS PROFESIONALES

ASUNTO: VOTOS AP!,()BA TORIOS

~1VGr\~t :\A...;J':'}"tAl 'Av'-<Au ' . . 'Uxlc7

DR..JUAN ANTONIO MONTARAZ CRESPO DlRECiORDE LA FES CUAUTITLAN PR e.s-e NT E

..... ' ..

. .' ATN: a. Ma. del Cannen Garcia Mijares Jefe del Departamento de Exámenes Profesionales de la FES CuautiUán

Con lIIIse en el arto 28 del Reglamento General de Exámenes, nos pennitimos comunicar a ~ que revisamos la TESIS:

URstl,dig paTO deterrnioHT In infl,!eocia (le! (!csgaste en

103 boquillas de loS Qllemadores en los CAlentadores a

fuevo directo!!

que presenta el pasante: _J:o.Ell.d&.88!I.Lr~S", ... 1¡';'I!J.OJd"'O>"'.JI~!Q~z ... ,jJ,nllQ'--;-=--;--,-_______ _ con n:.n-t>decuenta: 9462829-8 para obte"er el titulo de'

Ingeniero MecAnico Electricista

Considerando que dicho trabajo reúne los requisitos necesarios para ser discutido en el EXANEN PROFESIONAl correspondiente, otorgamos nuestro VOTO APROSA TORIO.

ATENTAMENTE ·POR Mi RAZA HABLARA EL ESPIRITU" Cuautitlán IzcaUi, Méx. a _,_9_ de -tE.JJnL<e:.rr"'º'-_____ ,de 2 00 1 .'--'"

~'I"-:':C_h ./

Soledad AlyaTedo Martinez .~-;: ." L---I.",

Gerardo Sosa

PRESIDENTE loS

loS' ~ .-'

SECRETARIO TOIl

PRIMER SUPLENTE In!.l .

SEGUNOOSUPLENTE M, en 1. I'elipe Diaz del Castillo Rodri uei

----_ ....

A DIOS:

A MIS PADRES:

AGRADECIMlENTOS

POR PERMITIR MI EXISTENCIA Y DE LAS PERSONAS A LAS CUALES LES AGRADEZCO.

POR DARME LA VIDA, POR DARME EDUCACION, POR HACER DE MI LA PERSONA QUE SOY Y POR APOYARME INCONDICIONALMENTE EN TODAS CIRCUNSTANCIAS, ASI COMO A LO LARGO DE MIS ESTUDIOS.

FAM. CAMBRON SALGADO: POR DARME SU APOYO INCONDICIONAL EN TODAS CIRCUNSTANCIAS.

AMIGOS:

U_N.A.M.:

PROFESORES:

ING. GERARDO SOSA:

I.M.P.:

POR ESTAR CONMIGO EN LOS BUENOS Y EN LOS MALOS MOMENTOS.

POR PERMITIR ESTUDIAR Y CULMINAR MIS ESTUDIOS PROFESIONALES.

POR TRANSMITIRME SUS CONOCIMlENTOS A LO LARGO DE MI CARRERA.

POR HABERME ASESORADO, ASI COMO EL BRINDARME SUS CONOCIMIENTOS.

POR EL APOYO OBTENIDO DURANTE PARA EL DESARROLLO DE ESTA TESIS.

Y A TODAS LAS PERSONAS QUE EN MAYOR O MENOR MEDIDA COLABORARON CON MIGO PARA LA ELABORACION DE ESTA TESIS Y HAN ESTADO CON MIGO EN DlFERENTES MOMENTOS DE MI VIDA.

u. N. A. M.

•

-

U.N.A.M.

Desgaste en boquillas.

INTRODUCCION.

CAPITULO l.

CAPITULO n.

U.N.AM

CONTENIDO.

GENERALIDADES.

1.1 Calentadores a fuego directo (CAFD). 1.1.1 Partes de un calentador. 1.1.2 Tipo de calentadores según su fonna.

Contenido.

1.1.3 Tipo de calentadores según su funcionamiento. 1.2· Quemadores.

1.2.1 Clasificación de los quemadores según el tipo de combustible. 1.2.2 Quemadores para calentadores a fuego directo.

1.3 Propiedades fisicas y químicas de combustibles de quemadores para C.AFD.

ANALISIS DEL FENOMENO DE DESGASTE.

2.1 Desgaste en metales. 2.1.1 Erosión. 2.1.2 Corrosión. 2.1.3 Abrasión.

2.2 Métodos para reducir el efecto del desgaste. 2.2.1 Protección superficial. 2.2.2 Templado. 2.2.3 Aleaciones.

•

Desgaste en boquillas. Contenido.

CAPITULO IIL BOQUILLAS.

3.1 Atomización. 3.2 Atomización de combustóleo.

CAPITULO N. DESGASTE EN BOQUILLAS.

CONCLUSIONES.

BffiLIOGRAFIA.

APENDICE.

U.N.AM

4.1 Desgaste en boquillas. 4.2 Selección de boquillas. 4.3 Propuesta para reducir el desgaste en boquillas. 4.4 Mejoras ambientales.

Definición de términos del capítulo 1. Definición de términos del capítulo ll.

-

Desgaste en boquillas. Introducci6Il

INTRODUCCION.

En la industria son requeridos los calentadores, l~s cuales son uno de los equipos con

más importancia, ya que suministran el calor requerido para diversos procesos. Un tipo de

calentador comúnmente utilizado en los procesos de refinación de petróleo son los

"Calentadores A Fuego Directo" (CAFD). En este tipo de calentadores, el calor es

suministrado por un dispositivo llamado quemador, e1 cual se encarga de realizar una

mezcla entre el combustible y aire a una relación específica de manera controlada y

regulable para producir una combustión, dando como resultado una flama y a su ves una

potencia calorífica la cual es transferida a un fluido que circula por una serie de tubos

alineados en todo el calentador.

Dichos quemadores funcionan de maneras diversas y utilizan combustibles diferentes,

pero para un CAFD son empleados los combustóleos y los combustibles gaseosos. Estos

combustibles son lanzados al hogar del horno a través de un pequeño dispositivo mecánico

llamado boquilla o en algunos casos, principalmente cuando se utilizan combustibles

líquidos muy densos, se usan boquillas atomizadoras. Las boquillas expulsan un chorro de

combustible, aire, mezcla o premezcla mientras que los atomizadores dividen el líquido en

pequeñas gotas para facilitar la mezcla de aire-combustible y producir una mejor

combustión.

Dichas boquillas operan bajo condiciones extremas, ya que están expuestas a altas

temperaturas, grandes velocidades y presiones del combustible así como a un periodo de

uso muy largo, ocasionando un desgaste excesivo.

El desgaste es un deterioro no intencional y que no se puede evitar, pero si controlar,

disminuir o predecir. Este fenómeno se da en todo equipo industrial y en todos los niveles.

Los problemas que ocasionan el deterioro son diversos, y sus consecuencias pueden

ser:

U.N.AM

..

Desgaste en boquillas. Introducción.

Reemplazos de equipo desgastado.

Uso de aleaciones cOstosas en el equipo para hacerlo más resistente.

Sobrediseño para permitir el desgaste.

Pérdida de eficiencia del equipo dañado.

Imposibilidad de utilizar algún material deseable.

Contaminación de productos.

Mantenimiento preventivo más frecuente.

Paro de ciertas áreas de producción.

Riesgos a la seguridad, por incendios, explosiones o liberación de substancias tóxicas.

Daños a la salud, por contaminación excesiva.

Todas estas consecuencias traen consecuencias económicas.

Las boquillas de quemadores, al ser parte importante de los calentadores, la industria

nacional de refinación de petróleo requiere de un refaccionamiento continuo debido al

desgaste que sufren.

El desgaste de boquillas de quemadores genera fallas repetitivas en los serpentines de

tubos de radiación de los calentadores, así como un deterioro en la cerámica refractaria de

los mismos quemadores, debido a que se generan patrones de flama muy irregulares,

presentándose los fenómenos de choque de flama principalmente por los elementos

anteriormente indicados.

U. N. A.M 2

os

Desgaste en boquillas. Capítulo l. Generalidades.

U.N.A.M

Desgaste en boquillas. capítulo 1. Generalidades.

CAPITULO L GENERALIDADES.

1.1 CALENTADORES A FUEGO DIRECTO (CAFD).

La mayor parte de los procesos de las refinerías, requieren de un gran suministro de

calor, por ejemplo: La destilación., la desintegración térmica, la desintegración catalítica,

etc. La forma más práctica y económica de proporcionar este calor, es por medio de

calentadores.

El calentador es un conjunto de tubos colocados dentro de una armazón sellada, con

materiales refractarios y lámina metálica. Una parte de los tubos rodea al hogar donde se

efectúa el quemado del combustible que es el que proporciona todo el calor requerido por el

material que esta fluyendo dentro de los tubos. Una parte del conjunto de tubos está

expuesta al fuego producido por el combustible y otra parte, únicamente a los gases

calientes que se producen por la combustión.

El tamaño del calentador es definido en función de sus condiciones de diseño como es

la capacidad de absorción de calor. Este rango va de 1 SO KW (500kBTU/h) que son los

más pequeños, hasta unidades gigantescas de 150 MW (500MBTUIh) para hornos o

reformadores o para generación de vapor. La mayoría de los calentadores que se utilizan en

la actualidad caen dentro del rango de 3 a 105 MW (10.2 a 358 MBTUIh) de capacidad de

absorción de calor.

El calentador es uno de los equipos más importantes en una refinería, pues la mayor

parte del calor que se necesita, se adquiere de éL

1.1.1 PARTES QUE COMPONEN UN CALENTADOR (Figuras 1.1, 1.2 Y 1.3)

Un calentador puede dividirse en varias partes:

l. Zona de radiación.

2. Zona de convección.

3. Chimenea.

4. Quemadores.

5. Hogar.

6. Refractario.

U.N.AM 3


7. Caja de humo.

8. Serpentín.

IItCT.....:u..AA + HORlztl<TAl. (Co._>

Figura 1.1.

U. N. AM.

Capitulo 1. Generalidades.

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CAFD rectangulares.

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-

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Desgaste en boquillas. Capitulo l. Generalidades.

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Figura 1.2. CAFD rectangular de doble caja.

U.N.AM ;

Desgaste en boquillas. Capítulo 1. Generalidades.

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LGdrUlo _ ",~r-- R~/ro.do.rU.

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Figura 1.3.

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1 .. s .. cción de con ..... cc:;IOnl

CAFD cilíndricos.

l. La zona de radiación es aquella sección de tuberia que está expuesta a las flamas y todo

el calor que recibe se le trasmite precisamente por radiación. Esta transmisión de calor es

U.N.AM 6

Desgaste en boquillas. CapHulo l. Generalidades.

semejante a la que recibimos al instalarnos frente a un radiador eléctrico, a una hoguera.

etc.

2. La zona de convección es la otra parte de la tubería, instalada fuera del hogar, que

recibe el calor directamente de los gases calientes que van rumbo a la chimenea. Este tipo

de transmisión de calor, se llama transmisión de convección. de ahí el nombre de esta zona.

3. La chimenea es por donde se eliminan los gases resultantes de la combustión y también

produce el efecto de] tiro, o sea la entrada de aire por las ventilas de los quemadores y la

salida de los gases por la propia chimenea.

4. Los quemadores tienen por objeto mezclar el aire con el combustible y así poder

efectuar eficientemente el quemado. El combustible puede ser gas o aceite combustible. En

el caso del gas, la mezcla con aire puede ser muy facil y completa; pero en el caso del

aceite combustible, para obtener una buena mezcla con aire, es necesario fonnar una niebla

de dicho aceite. esta se hace con vapor. al que sele conoce como vapor de atomización. Esta

mezcla de aceite y vapor se hace dentro del quemador, y sale de él en pequeñas gotas

(atomizado).

5. El hogar es la parte del calentador donde se efectúa la combustión. En las paredes del

hogar están colocados. los tubos de la sección de radiación y también los quemadores; éstos

pueden estar en las paredes o en el piso. Las paredes del calentador están formadas en su

parte exterior por una cubierta de acero y en su parte interior por un material aislante

refractario.

6. El refractario, tiene como papel primordial evitar las perdidas de calor, o sea, que el

calor producido por la combustión se aproveche al máximo. Además protege a las láminas

metálicas de las altas temperaturas. El refractario debe estar bien colocado para hacer

herméticas las paredes donde va colocado. Los refractarios son materiales inorgánicos no

metálicos como la cerámica resistente al calor y que proporcionan la estructura o

revestimiento para soportar altas temperaturas, tienen la función de aislante porque son de

U.N.A.M 7


muy baja conductividad térmica, estos pueden ser ladrinos y concretos, incluyendo las

fibras cerámicas.

7. La caja de humo es el conducto por donde van los gases calientes rumbo a la chimenea.

8. El serpentín es el conjunto de tubos a través del cual el fluido de proceso circula desde

el cabezal de entrada hasta el de salida del calentador. Es el componente más importante y

más costoso de un CAFD. los tubos están colocados en serie por medio de retornos o

cabezales, los tubos instalados en la sección de radiación son lisos, generalmente de cédula

40 y 80, mientras en la sección de convección son de superficie extendida.

1.1.2 TIPOS DE CALENTADORES SEGUN SU FORMA

Existen muchos tipos de calentadores: según sea el arreglo de la tubería,. el tamaño del

hogar, la colocación de las zonas de radiación y convección etc.

Los tipos más conocidos son el rectangular y el cilíndrico; cada uno con una serie de

variaciones.

El rectangular típico, tiene la zona de radiación rodeando el hogar y sobre esta zona de

radiación está la de convección. Su sección transversal es rectangular y normalmente Jos

tubos son calentados verticalmente desde el piso y horizontalmente por quemadores

montados en las paredes frontales y/o laterales. Este tipo de calentadores pueden ser de una

caja, con cabina tomaHamas o de doble caja, como se muestran en las figuras 1.1 y 1.2.

Otro tipo de calentadores según su forma son los cilíndricos verticales, en los que se

clasifican según la disposición del serpentín, el cual puede ser helicoidal o vertical en la

zona de radiación y cruzado en la wna de convección. Esto se muestra en la figura 1.3. Los

quemadores se colocan en el piso de la zona de radiación, orientando la flama

verticalmente. En la zona de convección el arreglo del serpentín es horizontal, formando un

banco de tubos colocados en la parte superior de la cámara de combustión donde

proporciona un mayor aprovechamiento de la energía.

U.N.AM 8

Desgaste en boquillas. Capitulo 1. Generafldade5.

Las cargas térmicas también varian segUn la fonna del calentador en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Carga térmica de los CAFD.

1. 1.3 TIPO DE CALENTADORES SEGUN SU FUNCIONAMIENro.

Los CAFD necesitan una corriente de aire, tanto para realizar la combustión en los

quemadores como para expulsar los gases al exterior, pudiendo ser de tres tipos:

a) Corriente naturnI.

b) Corriente forzada.

e) Corriente natural en sistemas de corriente forzada.

a) Corriente natural (tiro naturnI).

La combustión de aire en un calentador de corriente natural es inducida a través del

quemador por la presión negativa dentro de la cámara de combustión o por el gas

combustible que conduce el aire a través del venturi.

Los calentadores por corriente natural son los más simples y los menos caros. Son

también los mas comunes para los servicios en refinería.

b) Corriente forzada (tiro forzado).

Son abastecidos con aire combustible a presión positiva. El término de corriente

forzada es usado porque el aire combustible u otro componente con oxígeno es

normalmente suministrado por medios mecánicos (sopladores de aire).

Estos calentadores nonnalmente operan a la presión lateral de aire con exceso de 50.8

mm de agua.. utilizan la presión del aire para proveer un grado superior de mezcla entre el

combustible y el aire en los quemadores.

Son usados con sistemas de aire precalentado. Esos son también usados cuando el gas

expulsado de las turbinas es suministrado como una fuente de oxigen?

U.N.AM 9


La desventaja de operación de estos sistemas es la desconfiabilidad del soplamiento y

la conducción. La falla debe paralizar al calentador y a la unidad. El usuario debe

determinar si evita el soplado o la conducción requeridas o aceptar una carga reducida bajo

las condiciones de corriente natural en el acto de la falla del soplado de aire combustible.

e) Corriente natural en sistemas de corriente forzada.

Los calentadores de corriente natural son algunas veces especificados en sistemas de

aire precalentado. Deben ser requeridos cuando el aire precalentado, soplado o conducción

falla. Las compuertas de aire se deben de abrir automáticamente para proveer la fuente de

aire ambiental encima de las fallas ya mencionadas.

Los quemadores en este tipo de calentador tienen que ser dimensionados por la

aplicación de la corriente natural. Este proceso debe necesitar quemadores

sobredimensionados de los de comente forzada y casos de aire precalentado. Los factores

de sobrediseño de quemadores deberían ser cuidadosamente revisados; de otro modo. el

sistema debe ser insatisfactoño para operaciones de corriente forzada.

El usuario no debería especificar los márgenes adicionales al calor del quemador

liberado. si hay un requerimiento en los quemadores deberían proveer suficiente liberación

bajo la corriente natural.

Cuidadosamente se recomienda replantear los ductos y el aire fresco cuando los

quemadores de corriente natural son usados para ambas aplicaciones, corriente natural y

forzada.

U.N.A.M 10

Desgaste en boquillas. Capitulo 1. Generalidades.

1.2 QUEMADORES.

Un quemador es un mecanismo que introduce combustible y aire al calentador a

velocidades deseadas, turbulencia y relación aire~combustible para establecer y mantener

una inflamación y combustión correcta.

Los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la reacción de combustión

entre el combustible y el oxigeno de manera controlada y regulable, asegurando la

aportación adecuada de ambos para conseguir la potencia calorífica especificada, y

distribuyendo la zona de reacción y la circulación de los productos de combustión (llamas)

de modo que se transfiera la carga, de la manera más eficiente posible, todo el calor

producido.

Estos pueden ser de los siguientes tipos:

a) Quemador combinado. Es un quemador capaz de quemar gas y aceite individual o

simultáneamente.

b) Quemador de aire estancado. Es un quemador de bajo No.~ en el cual una porción de aire

de combustión es inyectado comente abajo del bloque del quemador para mezclarse con los

productos de combustión y combustible sin quemar de la zona de combustión primaria.

e) Quemador de acuerdo a su capacidad.

- Quemadores de baja capacidad.

De 30000 a 5000000 kcaL'h (como mínimo operan con una condición de fuego) al 100 %

de capacidad de operación.

- Quemadores de capacidad intermedia.

De 501000 a 2110000 kcaVh (para condiciones de fugo).

Bajo fuego: 25 al 50 % de su capacidad.

A1to fuego: 100 % de su capacidad.

De 2110000 a 3200000 kcaVh (tres fuegos).

Bajo fuego: 25 % de su capacidad.

Fuego intermedio: 50 % de su capacidad.

Alto fuego: 100 % de su capacidad.

- Quemadores de alta capacidad radiante.

U.N.AM 11


Desde 200000 kcal/h ó mayores (condición de fuego modulante o ajustable).

Operan dentro de los límites de 25 al 100 % de capacidad.

d) Quemador de bajo NOx (óxidos de nitrógeno). Es un quemador que es diseñado para

reducir la formación de bajos niveles de NOx en quemadores convencionales durante la

combustión normal.

e) Quemador de combustible estancado. Es un quemador de bajo NOx en el cual una

porción del combustible es mezclada con todo e! aire de combustión dentro del bloque del

quemador mientras una segunda porción de! combustible es inyectada corriente abajo del

bloque del quemador que provee una combustión retardada.

f) Quemador de copa rotatoria. Este tipo incorpora un motor eléctrico en su unidad, el cual

acciona la boquilla del quemador, pudiendo ser utilizado para quemar efluentes y adicionar

aditivos.

g) Quemador de gas crudo. Es un quemador en el cual el combustible toma lugar cuando el

combustible es mezclado con e! aire del combustible corriente abajo de los orificios de

descarga de combustible; quemador de boquilla mezcladora.

h) Quemador de muro radiante. Es un quemador premezclador donde la flama no es

proyectada a la caja de fuego pero es soplada a lo largo del muro en el cual es instalado.

i) Quemador tipo cañón. Dispositivo que incorpora el ventilador de aire de combustión

formando una unidad compacta con el cabezal de combustión.

j) Quemador tipo registro. Dispositivo que incorpora en su unidad compuenas para el ajuste

fino de aire de combustión. pudiendo ser éstas manuales o accionadas por un actuador.

k) Quemadortipo flujo paralelo (axial). Dispositivo que incorpora en su unidad uno o más

tubos venturi, los cuales regulan los flujos y velocidades de aire requeridas para llevar a

cabo el proceso de combustión con balance estequiométrico y bajas emisiones de óxidos de

nitrógeno (NO,), monóxido de carbono (CO) y paniculas.

1.2.1 CLASIFlCACION DE LOS QUEMADORES DE ACUERDO AL TIPO DE

COMBUSTffiLE.

l.2.1.1 QUEMADORES DE GAS.

a) De premezclado.

U.N.AM. 12


De premezcla a presión. Suelen ser de premezcla total; Jos fenómenos a tener en cuenta

son los de retorno y desprendimiento de llama.

Atmosféricos. En ellos el gas induce el aire atmosférico en el tubo de mezcla, en cuyo

extremo se forma la llama. No requiere ventilador de aire ni órganos mecánicos que regulen

el causal de aire en función del caudal de gas. Estos quemadores se usan, principalmente,

en los aparatos domésticos de gas y tienen aplicaciones industriales limitadas; raramente

sobrepasan potencias entre 50 y 200 kW.

Quemadores oxi-gas. Se requieren cuando se desean temperaturas elevadas o flujos

puntuales elevados de calor (sopletes). Como combustibles se usan CzH2, C3Hs, tetreno

(C,H,;) y gas natural.

b) Quemadores de mezcla en boca de salida con aire a baja presión.

Se designan como tales cuando el aire tiene una presión del orden de 0.1 mbar y

velocidades del orden de los lOa 1 S mis, siendo el combustible el que aporta la energía de

mezcla. En ellos se forman llamas de difusión axiales. A veces se disponen toberas de

doble impulsión en las que el gas sale por UD inyector central a alta presión y una sección

anular concéntrica a baja presión. El reparto del caudal entre ambas permite conseguir

longitudes de llama variables a la misma potencia.

El uso de aire a baja presión es obligado en el caso de que se empleen recuperadores

cerámicos, ya que estos provocarían grandes pérdidas de presión si se usara aire a presión.

Las temperaturas efectivas de sus llamas son tanto más elevadas cuanto más

rápidamente se realiza la mezcla. La transferencia de calor en el horno es tanto mejor

cuanto más elevada es la temperatura.

c) Quemadores de mezcla en la boca de salida y aire a presión.

Se entiende por aire a presión el generado con ventiladores centrifugas con valores del

orden de los 50 a 70 mbar. e incluso a 100 mbar, pudiendo hallarse precalentado a

temperaturas de hasta 400 a 500 Oc en recuperadores metálicos. Las velocidades del aire

son del orden de los 100 mis, con lo que las impulsiones de la vena de aire son muy.

importantes

U.N.A.M 13


El aire puede llegar por un inyector central ° por varias toberas; pero la longitud de la

llama es imposible de calcular. Sin embargo, dada una velocidad de aire, la longitud de

llama y de mezcla son maximas cuando el gas y el aire tienen la misma velocidad, dada la

velocidad del gas, la longitud de la llama y de mezcla disminuyen al aumentar la velocidad

del aire, pero la transferencia de calor al horno aumenta. La transferencia de calor es

mínima cuando ambas velocidades son iguales.

d) Quemadores especiales.

Quemadores radiantes. Se denominan así cuando una parte importante de la

transferencia de calor se realiza por radiación por medio, en general, de una superficie de

refractario. Se denomina rendimiento de radiación a la proporción de la energía de PCI que

se transmite por radiación. Entre los distintos tipos, se pueden citar los paneles radiantes, en

los que se utiliza en general un mezclador de inducción. Dan rendimientos del 40 al 50 %.

Los de alta temperatura, que se alimentan en premezcla total, queman el gas en

multicanales de unas 20 mm de diámetro. El rendimiento es del orden del 20 %. Los del

tipo de copa también se alimentan en premezcla total y adoptan diversos modelos. Se

alcanzan rendimientos del 15 % a 1000 oC.

Quemadores Jet. Lanzan a gran velocidad (> 1 00 mis) los productos de una combustión

completa o casi. El chorro se lanza sobre el producto a caldear o sobre la atmósfera

provocando su recirculación. Constan de un dispositivo de mezcla, una cámara de

combustión y un orificio o tobera de salida.

Quemadores de vena de aire. Se han desarrollado para calentar aire de secado o

calefacción. Se construyen de tipo modular para pennitir constituir formas diversas. La

potencia lineal máxima es de 500 a 1000 kW (pCI)/m en los de premezcla. Se alcanzan

temperaturas de 400 oC. A veces se instalan para asegurar la incineración de efluentes, en

cuyo caso, la condición es que el 02 sea ~ 18 % Y la temperatura de ataque <540 oC, y la

incineración se hace de 800 a 850 oC y potencia lineal 2: 900 kW/m.

e) Quemadores para altas temperaturas.

Se denomina, generalmente como zona de altas temperaturas. la que se extiende por

encima de los 2700 oC hasta la región de las temperaturas de las relaciones nucleares, ~ 108

u. N. A. M. 14

Desgaste en boquillas. Capítulo /. Generalidades.

C. Los medios para alcanzar la zona inmediatamente próxima de la descrita, comprendida

entre 2700 y 2700 oC se limitan, casi exclusivamente a la reacción química: la combustión

de combustibles convencionales. Estos, en general, proporcionan temperaturas del orden de

los 2700 oC, las cuales pueden elevarse:

- Por enriquecimiento del comburente con oxigeno, que permite alcanzar los 2300 oC.

- Precalentamiento del aire de combustión con el calor de los humos; según el sistema

adoptado, son alcanzables Jos 2200 a 2300 oc. - Mediante el uso de la electricidad (electroquemadores) para producir ionización o generar

plasma, pudiendo así alcanzar e incluso superar los 3700 oC.

De hecho, no e..xisten procesos comerciales en los que se supere la temperatura de 2700 oC.

1.2.1.2 QUEMADORES PARA COMBUSTillLES LlQUIDOS.

Existen dos c1ases fundamentales de quemadores de combustibles líquidos:

a) Quemadores de gasificación o vaporización, en los que la Barna, por radiación sobre la

superficie del combustible líquido, produce la vaporización de éste, el cual se incorpora a la

llama y mantiene la combustión. Este sistema tiene una doble limitación de uso, por un

lado, se aplica a quemadores pequeños (==15 kW); por el otro, solo es aplicable con

combustibles ligeros.

b) Quemadores de pulverización, que son los generalmente utilizados. El combustible,

para ser pulverizado. debe tener baja viscosidad. del orden de los JO centistokes, o 2 grados

Engler que sólo presentan a baja temperatura los gasóleos, y que requiere calentar a 1 JO oC

el combustóleo pesado. Para pulverizar lo puede ser por rotación, por presión o por

inyección.

Quemadores de gasificación. Ejemplos típicos de estos quemadores son los

vaporizadores de gasolina, los quemadores de queroseno (petróleo lampante) con mecha. y

los antiguos quemadores domésticos en los que el combustible se vaporizaba sobre una

placa calentada por la llama.

Quemadores de pulverización por aire a baja presión. La presión del aire es del orden de

los 30 a 100 mbar, y debe emplear caudales relativamente imponantes, que pueden

representar más del 50 % del aire estequiométrico, aunque existen diseños en que se logra

U. N. A.M 15


utilizar sólo el 10 %. El combustible utilizado en estos quemadores es de baja viscosidad,

inferior a 20 est o 3 °E. Y debe llegar al quemador a presiones del orden de los 70 a 350

robar. Su operación y control son simples, no tiene partes móviles ni delicadas y es flexible

a variaciones de carga.

Quemadores de pulverización por aire o vapor a presión. Utilizan presiones de aire o

vapor de agua desde los 100 a 350 mbar hasta los 10 bar. El consumo de vapor varía de 0,1

a 0.5 kg/kg de aceite combustible, y el de aire. de 0.2 a 0.8 kg/kg, según el diseño y

dimensiones del atomizador y la viscosidad del combustible. Existen diseños con mezcla

exterior. en los que el aceite y el fluido impulsor llegan separadamente a la boquilla~ o de

mezcla interior, realizada en una colmara de mezcla y descargando en una tobera. En los del

primer tipo, se recomiendan presiones de aceite del orden de los 300 a los 800 mbar; en los

del segundo tipo, la presión del aceite ha de ser la misma que la del fluido de arrastre.

Quemadores de pulverización mecánica. Trabajan con presiones de aceite que

dependen de su viscosidad. En general, se recomienda que ésta no supere los 8 cst (1.8 ~),

pero hay diseños que penniten los 20 cst (3 ~). Permiten trabajar con bajos excesos de aire

(deIS al 10 %); se pueden obtener llamas de gran tamaño; la potencia de pulverización es

pequeña; al no existir partes móviles expuestas a la radiación, constituyen un sistema muy

seguro; la regulación es sencilla (por presión de aceite), pero poco flexible, por lo que en

grandes instalaciones se deben instalar varios elementos con regulación individual todo

nada.

Quemadores de copa rotativa (pulverización centrífuga). En ellos el aceite se inyecta a

baja presión en una copa troncocónica que gira de 2500 a 7000 r.p.m., impulsando así al

líquido en forma de lámina cónica que rompe en forma de finas gotas. El aire, a baja

presión, se induce en el espacio anular. La forma de la llama puede ajuste variando la

velocidad del aire (al aumentar ésta, la llama se alarga) y la velocidad de giro (al aumentar,

la llama tiende a ensancharse).

Quemadores de pulverización mi;\."1a (mecánica y fluido de arrastre). Como su nombre

indica, combinan ambos sistemas, lo que les confiere gran flexibilidad, manteniendo

ángulos de pulverización constantes. Se trabaja con presiones de aceite de 1 a 20 bar y

consumos de fluido de arrastre del orden de 0.05 kglkg de aceite. Una variante de este tipo

U.N.A.M. 16

-


de quemadores es el dual, en el que el gas es fijo y la regulación se realiza con el

combustóleo.

Como en el caso de los quemadores de gas, la fonna de la llama viene determinada,

principalmente, por la presión de la mezcla, la proporción de aire primario y la calidad del

mezclado. Asi, en general, la llama se hace más larga y estrecha al aumentar la presión; se

acorta si aumenta la aireación primaria; un buen mezclado y la turbulencia acorta y

concentra la llama.

Quemadores especiales.

Quemadores duales: gas/aceite-combustible. En general se basan en un quemador de

aceite-combustible al que se le acopla un colector anular de gas que conduce éste a la vena

del aire.

Quemadores para aire precalcntado. Si el aire no pasa de los 200 Oc no se requieren

generalmente precauciones especiales; pero, por encima de estas temperaturas deberá

prestarse atención a los refractarios y partes internas del quemador.

Quemadores con control de forma de llama. La forma de llama la ajustan variando la

velocidad de mezclado. pasando de llamas largas y estrechas (velocidad baja) a cortas y

anchas (velocidad alta). También puede lograrse el mismo efecto variando la posición de

las aletas del aire.

Quemadores de residuos liquidos. Generalmente se usa un tipo dual, alimentando el

residuo por la boquilla del combustible líquido. Se ha de asegurar que el residuo sea

combustible, que sea atomizable y que los productos no sean tóxicos ni corrosivos.

Quemadores con enriquecimiento de oxigeno. En ellos el oxígeno se mezcla con el

aire, nunca con el combustible; )' se debe tener la precaución de que por ninguna

circunstancia el oxigeno se pueda fugar a la canalización del aire o a la del aceite.

1.2.1.3 QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES SOLIDOS.

Aunque el carbón contiene materiales volátiles que en mezcla con el aire dan lugar a

llamas, la mayor parte de su material combustible es sólida y a ella tiene que llegar el

oxígeno para que tenga lugar la reacción de combustión. Esta etapa de difusión es la más

lenta, por lo que debe activarse aumentando el contacto sólido-aire, lo que implica reducir

el tamaño del carbón. Los sistemas utilizados para realizar el contacto aire carbón son:

U. N. A. M. 17

=


a) Quemadores de carbón pulverizado.

El carbón debe secarse. pulverizarse a tamaños que dependan de la clase de carbón

(así, la hulla se puh'eriza de modo que el 80 % sea infcrior a 0.1 mm; el 60 % es inferior a

O.] mm), y se transporta neumaticamente al quemador, de modo que el aporte de aire suele

representar del 20 al 40 % de aire de combustión, según sea el contenido de humedad y

cenizas. El quemador es similar al usado para combustibles líquidos: pero debido a que el

tiempo de combustión es mas largo, se dan velocidades de salida más bajas, que llegan

incluso de los 5 a los 10 mis. Se pueden construir con potencias de hasta 46 M\V. Debe

tenerse especial cuidado con las temperaturas: en la entrada. para asegurar la estabilidad, no

se puede bajar de los 55 ce . y no se pueden sobrepasar la temperatura de coquización, que

es de 70 ce si el contenido en volátiles es mayor que el 25 %, por ejemplo. Pero también en

la cámara de combustión pueden aparecer problemas en la formación de las cenizas (óxidos

de silicio, aluminio, calcio, etc.).

b) Cámara de combustión tipo ciclón.

La combustión tiene Jugar a elevadas temperaturas en una camara recubierta de escoria

fundida, que así hace de aislante, evita pérdidas de calor y asegura temperaturas elevadas.

El carbón pulverizado entra con el aire primario tangencialmente Y. de modo independiente,

también se alimenta el aire secundario. Las partículas mayores de carbón tienden hacia la

pared, donde son captadas, mientras que las finas, arrastrarlas por el aire, son quemadores

completamente. Se consiguen potencias (por unidad de volumen) de cámara de hasta 9

MW/m3

e) Lechos fluidizarlos.

Sólo se emplean como cámaras de combustión de calderas de vapor cuando se han de

emplear combustibles con alto contenido de cenizas o cuando se desea desflurizar, de modo

que el azufre pase a las cenizas en forma de sulfato de calcio. magnesio y sodio; a veces

puede incorporarse carbonato cálcico, para conseguir ese efecto. Este resultado se alcanza

mejor en este tipo de hogares que en los de hogar normal, porque la temperatura puede

mantenerse en el orden de entre 800 y 900 oc. Otra aplicación de los lechos fluidos es para

U. N.A M. 18

=

Desgaste en boquillas. capitulo 1. Generalidades.

el calentamiento de sólidos pulverizados, alimentando entonces el combustible (gas o

liquido) de modo independiente.

d) Parrillas.

Se distinguen por la forma de alimentación del combustible y así pueden ser: parrillas

fijas con alimentación desde arriba, parrilJa móvil (banda transportadora), con transporte

horizontal del combustible hacia la cámara de combustión y parrilla fija con alimentación

desde abajo. En todos los casos el aire de combustión debe atravesar la parrilla, por o que

se consigue un equilibrio entre el transporte de calor desde la zona de reacción a la parrilla

y de la entrega de calor de ésta al aire de combustión. La potencia especifica conseguida

(por unidad de superficie de parrilla) es del orden de 1 a 1. 7 MW/m'::, lo que corresponde a

un consumo de 100 a 200 kg/h·m2 de carbón. Las necesidades de aire son como minimo de

a.=1.3, pudiendo incluso llegar a 0.=2 si el control es manual.

1.2.2 QUEMADORES PARA CALEl\'TADORES A FUEGO DIRECTO.

El objeto de los quemadores es producir una combustión segura y uniforme del

combustible en el hogar de un calentador. Mediante la combustión se obtiene el calor

necesario en el proceso.

En la combustión, se deben tener presentes tres elementos indispensables: combustible,

oxigeno y chispa o piloto. Manteniendo continuo estos tres elementos, se produce una

combustión también continua.

1.2.2.1 COMPONENTES PRINCIPALES PARA EL QUEMADO DE COMBUSTIBLE

EN UN CAFD.

Atomizador. Los atomizadores son dispositivos mecánicos para dividir un liquido en

pequeñas gotas para mejorar la mezcla de combustible-aire así como la combustión. El

vapor, aire y el gas combustible son normalmente atomizados. Los tipos de atomizadores

comúnmente utilizados en la industria son los siguientes:

a) Tipo de atomización mediana. Los atomizadores medios colocados por separado deben

ser empleados con vapor o aire. Casi cualquier gas o vapor puede ser usado para atomizar

combustibles líquidos si están en gran cantidad y presión.

U.N.AM 19

=


b) Tipo de atomización mecánica. Este termino es utilizado con presión de chorro de

atomización.

Aspirador. Es un mecanismo de ventun usado en quemadores de premezc1a que utilizan

energía cinética de un chorro de gas de un orificio a1 entrar todo o parte del aire

combustible.

Bomba de alimentación de combustible. Equipo utilizado para hacer llegar el

combustible líquido al quemador en las condiciones de caudal y de presión necesaria para

su atomización.

Boquilla atomizadora. Dispositivo por el cual es expulsado un chorro de combustible,

aire o combinados (en quemadores de premezcJa) fuera del quemador para poder ser

quemado.

Bloque de combustión. Es un conjunto de material refractario que sobresale de la

cámara de combustión, que recibe la mezcla aire-combustible de] quemador, que tiene por

objeto, conducir la flama, darle forma y darle retención.

Cámara de combustión (horno u hogar). Espacio dentro del cual se realiza la

combustión.

Cañón atomizador. Elemento del quemador que permite la inyección de los

combustibles líquidos en particulas finas que mezcladas con aire producen una combustión.

Compuerta reguladora de aire. Elemento que controla el flujo de aire para la

combustión al sistema.

Difusor de aire. Se refiere a la placa metálica con orificios que va situada en algunos

quemadores un poco antes de la boquilla del combustible, y que ayuda a fomentar la

combustión.

Encendedor. Es un mecanismo usado par encender un piloto del quemador.

Filtro. Equipo que contiene un material poroso a través del cual se canalizan los fluidos

o mezclas de sólidos y fluidos que permiten separar la materia contenida no deseada.

Garganta del quemador. Conjunto de material refractario que recibe la mezcla aire

combustible del quemador, que tiene por objeto, conducir la flama, darle forma y darle

retención.

Mirilla. Orificio o pequeña abertura provista de una cristal de protección a traves del

cual puede observarse la flama principal o la flama del piloto.

U. N. A. M. 20

...


Quemador. Dispositivo que se utiliza para efectuar la mezcla aire-combustible y realizar

la combustión.

Registro de aire. Elemento que controla el flujo de aire para el proceso de combustión al

quemador.

Sistemas de encendido.

a) Continuo o piloto. Es un pequeño quemador que provee de la inflamación al quemador

principal para impedir que el quemador pueda apagarse.

b) Encendedor intermitente. Fuego o energía que sirve para encender al quemador dentro

del programa de encendido y puede soportar la demanda de carga térmica.

e) Encendedor interrumpido. Fuego o energía que sirve para encender al quemador dentro

del programa de cncendido~ apagándose una vez que se concluye el tiempo del

programa de intento de encendido.

d) Encendedor eléctrico directo. Es un dispositivo que actúa con energía eléctrica de alta

capacidad para el encendido directo del combustible del quemador.

Válvulas. Se colocan en la tuberia donde fluye el combustible y aire antes de llegar al

quemador, su función es poder regular, cerrar o abrir el paso del fluido.

Ventilador de tiro forzado. Máquina que suministra el aire necesario para la combustión

del combustible.

Ventilador integral de tiro forzado. Ventilador construido como parte integrante del

quemador y que suministra el volumen de aire necesario para el quemador en cuestión.

El combustible puede ser sólido. liquido o gaseoso y es proporcionado del yacimiento

respectivo. El oxigeno lo proporciona el aire del medio ambientc. La chispa es aplicada en

la mezcla de los dos anteriores en forma continua.

Por medio de un quemador se efectúa una reunión apropiada de combustible, aire y

chispa, obteniéndose así una combustión efectiva y uniformc. De acuerdo con el tipo de

combustible utilizado, los quemadores se pueden clasificar en:

• Quemadores de combustible liquido.

• Quemadores de gas combustible.

U.N.A.M. 21

ES


En las refinerías, únicamente se dispone de combustible liquido y gaseo~o para

efectuar el calentamiento necesario en los diversos procesos, es por esta razón que

únicamente se disponen estos tipos de quemadores en las siguientes explicaciones.

Existe cierta preparación pre"ia del combustible gaseoso o líquido antes de introducirlo

a los quemadores.

1.2.2.2 QUEMADORES DE COMBUSTIBLE LIQUIDO.

Un combustible liquido como tal, no se quema. de acuerdo a las necesidades de un

proceso, para poder quemar este combustible liquido, llamado más comúnmente

combustoleo, debe cambiarse a estado gaseosos o vapor, mezclarse con el aire y aplicarse a

la chispa continuamente, para sostener una combustión uniforme y continua.

Es de sobra conocido que la gasolina. gas licuado y la nafta se queman fitcilrnente a la

temperatura ambiente. la caus'a es porque son muy vohi.tiIcs, esto significa que fácil y

rápidamente cambian del estado líquido a vapor o gas, a las temperaturas ordinarias.

Entre más nipidamente cambie a estado de vapor un liquido combustible, más

fácilmente se quema y menos complicado resulta ser el mecanismo para efectuar la mezcla:

vapor-combustible-aire.

Cuanto más pesado sea el combustóleo. más dificil cambia a estado vapor. Resultando

mas dificil hacer la mezcla con el aire y requiriendo un dispositivo mas complicado.

Es necesario atomizar el combustible liquido en una fina neblina para permitir una

rápida vaporización y propiciar una mezcla de aire y combustible. El éxito de la

combustión de combustibles liquidos depende del diseño del atomizador y de las

condiciones del medio atomizante.

Un quemador de combustóleo se diseña para efectuar una mezcla combustible·aire y

reunir esta mezcla con una chispa; produce así una combustión. Existen muchos tipos de

quemadores, pero considerando los metodos de atomización del combustible, se pueden

clasificar en dos que son:

a) Quemadores que atomizan rnecá.nicamente. Se basan en movimiento giratorio de la

boquilla. Esto movimiento divide en pequeñas gotas el combustible, que se mezcla con el

aire, produciéndose una mezcla adecuada para la combustión.

U.N. A. M. 22

e: o


b) Los quemadores que atomizan por impacto. Se basan en que al poner en contacto

intimo un combustóleo con vapor o aire a alta presión, producen una mezcla muy uniforme

de pequeñas gotas de combustible en el medio dispersante (aire o vapor).

NOTA: El fenómeno de la atomización se verá con más detenimiento en las

secciones posteriores.

ESTABILIDAD DE LA FLAMA.

La estabilidad de la flama depende de una buena mezcla de aire y combustible. Debe

haber una buena atomización para tener una buena mezcla.

Las boquillas de aceite están colocadas en la loza primaria para aumentar al máximo la

estabilizar la flama. La loza primaria o bloque crea una zona de baja presión en las zonas

cercanas de la boquilla aceite. La zona de baja presión forza la recirculación de la neblina

de un aceite dentro de la zona caliente de combustión creada por la loza primaria. Esto

estabiliza la flama y ayuda en la vaporización del aceite combustible.

La posición de las boquillas para aceites es crítica. Si la boquilla es alzada tan alto en la

loza primaria, el efecto de la recirculación esta perdido, y se desestabiliza la flama.

Las condiciones inestables ocurrirán cuando falle el inyector de aceite o los

atomizadores impiden la buena mezcla.

EXCESO DE AIRE.

Los valores típicos de exceso de aire para quemadores que queman un solo

combustible son mostrados en la tabla 1.3.

El exceso mínimo de aire está determinado por la estabilidad y la combustión

completa. Un rápido aumento en las partículas sin quema de combustible es detectado en

los productos de combustión cuando esta no es completa.

Los quemadores deben ser capaces de operar con un máximo contenido de monóxido

de carbono para los combustibles residuales.

La limitación de emisiones específicas puede detenninar el exceso de aire requerido.

U.N.AM 23

=

Desgaste en boqlJillas. Capitulo 1. Generalidades.

Tabla 1.3. Valores típicos de exceso de aire para fuego de combustible líquido.

Porcentaje del exceso de aire Operación Combustible Sistema de quemador Sistema de

individual multiaucmador Corriente Nafta. 10 a 15 15 a 20 natural. Aceites combustibles

pesados. 20 a25 25 a 30 Aceites combustibles

residuales. 25 a 30 30 a 35 Corriente Nafta. 10 a 12 10 a 15 forzada. Aceites combustibles

pesados. 10 a 15 15 a 25 Aceites combustibles

residuales. 15 a 20 20 a 25

CARACTERlSTlCAS DE LA FLAMA.

La mayoría de los quemadores de combustibles liquidos son diseñados con lozas

circulares para producir una flama de forma cónica.

Los quemadores especiales de flama son disponibles con bloques refractarios

rectangulares y boquillas especialmente perforadas para producir una flama plana, en forma

de cola de pescado. Estos quemadores son usados cuando se tienen paredes refractarias

cercanas y donde el espacio libre entre las superficies calentadas es limitado.

Los agujeros en las boquillas para aceites determinan la forma y la longitud de la

flama. El ángulo nominal comprendido en las boquillas es de 40° a 700 .. Con un ángulo de

50° la longitud de la flama será aproximadamente de 600 mm por !\.{M Btu/h para

quemadores de comente natural. Reduciéndolo a 40° produce una flama más larga y

puntiaguda. Incrementimdolo a 70° produce una flama más corta.

Los quemadores de comente forzada producen una flama m~s corta debido a la mejor

mezcla entre el aire y el combustible.

LIBERACION DEL QUEMADOR.

La liberación del quemador es normalmente dictado por la máxima dimensión de la

flama para el hogar y distribución propia del calor dentro del calentador.

u. N. A. M. 24

"'""

Desgaste en boquillas. capitulo l. Generalidades.

a) La liberación para quemadores de corriente natural está normalmente en el rango de 3 a

14 MM Btu/h.

b) La liberación para quemadores de corriente forzada está normalmente en el rango de 5

a 40 MM Btu/h.

e) La liberación para quemadores de gran intensidad está normalmente en el rango de 5 a

70 MM Btu/h.

COMBlNAClON DE FLAMA.

Algunos quemadores calentados a fuego en refinerias son diseñados para operar con

combustibles liquidos y gaseosos.

El inyector está localizado en la línea central del quemador, y las boquillas de gas están

arregladas alrededor, en la parte de afuera de la loza refractaria primaria.

La combinación de quemadores es normalmente diseñado para operar tanto con aceite

o gas. Un quemador puede operar con cualquier combustible en la máxima liberación de

calor del quemador.

La combinación de quemadores algunas veces es diseñada para operar con dos

combustibles simultáneamente. Esto es importante que la liberación de calor de diseño del

quemador no se exceda; de otra manera, habrá insuficiente aire para una combustión

adecuada.

Los quemadores que son diseñados para fuego de dos combustibles deberian tener

boquillas de quemadores para que cada tipo de combustible libere una parte del calor.

El fuego de combustibles combinados, liquidos y gaseosos aumentará la longitud y el

volumen de la flama y pueden causar aglutinamiento en las boquillas de los combustibles.

1.2.23 QUEMADORES A GAS

Hacer una mezcla de gas combustible-aire para efectuar una combustión, requiere un

equipo mecánico mucho menos complicado que el expuesto anteriormente. Como los gases

se mezclan entre sí, dejimdolo suficiente tiempo para ello, el problema a resolver consiste

en efectuar una mezcla con rapidez necesaria para sostener una combustión uniforme y

continua.

U. N. A.M. 25

=

Desgaste en boquillas. Capilulo 1. Generalidades.

De acuerdo como se hace la mezcla, se clasifican los quemadores de gas en:

a) Quemador de gas mezclado en la boquilla.

b) Quemadores de gas tipo premezclado.

ENCENDIDO DEL GAS.

a) Quemadores de gas mezclado en la boquilla (encendido de gas crudo).

En estos, el gas es descargado por un número determinado de agujeros pequeños

produciendo estos, pequeñas comentes de gas en forma de "chorros". Generalmente estos

agujeros se diseñan de tal modo que produzcan una turbulencia en el espacio del quemador

y refractario, mezclándolo entre si produciéndose un movimiento rotatorio como cuerda de

tornillo. La principal característica y a eso deben su clasificación es que se mezclan el gas y

el aire a la salida del gas por la boquilla. En la figura].4 se muestra un quemador de este

tipo.

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Figura, ].4. Quemador típico de gas crudo,

U. N. A M. 26

=


PRESION DEL GAS COI\1BUSTlBLE.

Los quemadores de gas crudo pueden ser diseñados para operar por encima de un gran

rango de presión del gas combustible. La presión del gas es normalmente seleccionada de

15 a 20 psi para diseño en la liberación. Esto da como resultado unos orificios de di<imetro

razonable para reducir los problemas durante la operación. Esto provee de presiones

razonables para la mezcla del combustible y aire y al turndown.

Varios procesos de corrientes de gases son disponibles soJa a bajas presiones

(alrededor de 200 mm de H:zO). Estas corrientes debenin ser quemadas en quemadores de

gas crudo con apropiadas boquillas. Esas corrientes deben ser quemadas en combinación

con otros combustibles en quemadores de inyectores separados.

Cuando la corriente de gas representa una larga porción de liberación de calor, la

corriente de gas deberia ser esparcida a traves de un gran número de quemadores pero que

no exceda de 10 % de la liberación individual del quemador. Esto es particulannente

importante cuando el flujo de la corriente de gas es incontrolado.

EXCESO DE AIRE.

Los valores de exceso de aire en la Tabla 1.4 (excluyendo el aire que se fuga) son

normalmente aceptables para una buena combustión en quemadores de gas crudo.

Tabla lA. Valores del exceso de aire para quemadores de gas crudo.

Sistema de quemador Sistema de individual. multiquemadores.

Corriente natural. lO - 15 % 15 - 20 % Corriente forzada. S - 10% 10 - 15 %

CARACTERlSTlCAS DE LA FLAMA.

La forma de la flama es determinada por el refractario de los quemadores, los orificios

de los inyectores de gas y por la aerodinámica del quemador.

El refractario que rodea al quemador es usado para producir una flama de fonna cónica

o cilíndrica. Las flamas con una duración de 1-2 ft/Ml\11 Btulh para quemadores estandares

de corriente natural son típicos para fuegos de gas combustible.

u. N.A. M. 27

=


El ángulo del orificio del inyector de gas de una boquilla de gas centrada alrededor del

refractario del quemador afecta la longitud de la flama; una lumbrera de 70 oC , incluyendo

el angula total produce una punta de flama relativamente larga con un toral de 1000e incluyendo ángulos dados una relativamente corta, modelando de una flama ancha.

Los quemadores de flama chata son diseñados con inyectores rectangulares en los

quemadores y producen una flama en forma de cola de pescado. Estos quemadores son

usados cuando el fuego esta cerca de los muros del refractario o donde el espacio del tubo

es limitado.

LffiERACION DEL QUEMADOR.

Para corriente natural, la liberación en quemadores de gas crudo es nonnalmente

dentro de un rango de 1.0 - 15 MM Btu/h.

Para quemadores de corriente forzada el rango de liberación es normalmente de 4 - 20

MM Btulh para aplicaciones de calentadores a fuego.

Para quemadores de gran intensidad se tiene una liberación de 15 a 70 :MM Btulh.

b) Quemadores de gas premezclado (Figura 1.5)

En este tipo de quemadores, parte del aire y del gas se mezclan en el quemador antes

de salir por la boquilla son similares a los que tienen las estufas domésticas. El gas al

expandirse por el orificio de la alimentación y ademas por la forma geométrica del

quemador, se produce un vacío que tiende a llenarse con el aire, mismo que fonna una

mezcla casi completa para la combustión. El aire faltante (secundario) se proporciona en la

boquilla del quemador.

U. N. A M. 28


Aire o o Aire primorio --_ ¡g!~

Ca,

Capitulo 1. Generalidades.

Aire secundario

Piloto

Figura 1.5. Quemador de gas premezclado.

PRESION DEL GAS COMBUSTIBLE.

La presión del combustible en un quemador de premezcIado es usada para aspirar el

aire de combustión a través de un venturi de para la ignición en el inyector del quemador.

El rango de presión del gas combustible es 15 ~ 35 psig en la liberación. La mínima presión

del combustible es restringida por la composición y el rango de combustible especificado.

La mínima es comúnmente 3.0 psig.

Los quemadores de ·premezclado producen una flama muy estable y compacta cuando

opera en condiciones apropiadas.

La velocidad de la mezcla aire~combustible dejando el inyector del quemador debe

exceder la velocidad de la flama. de otra manera, las flamas se quemaran dentro del venturi.

Esto es aplicable a todas las condiciones de operación.

U.N.AM 29

=


Una variación en la composición del gas combustible podria cambiar la presión de

operación del combustible para el calor de liberación dado. Esta variación afecta

directamente a la cantidad de aire de combustión aspirada.

Los quemadores de premezclado no deberían ser apropiados para combustibles donde

el gas de combustión está cambiando constantemente.

La corriente de gas puede ser quemada por un quemador de premezclado, pero puede

ser severamente limitado por la presión y composición del gas. Un eyector puede ser usado

para introducir el combustible al hogar con baja presión de la corriente de gas. El gas

natural o vapor puede ser usado como ~edio de eyección.

EXCESO DE AIRE.

Los quemadores de combustible premezc!ado pueden operar a más bajos excesos de

aire que los quemadores de gas crudo por la mejora de la mezcla aire-combustible. En un

quemador individual, un exceso de aire de 5 a 10 % debe ser proporcionado, (ver tabla 1.5).

La velocidad del aire primario aspirado al quemador varia del 30 al 70 % del

requerimiento total de aire combustible para unos quemadores tipicos de premezclado en

refinerías. Los únicos diseños del horno podrían requerir quemadores de premezclado con

100 % de aire primario.

Tabla 1.5. Valores de exceso de aire para quemadores de premezclado.

Porcentaje del exceso de aire Operación Tipo de Sistema de quemador Sistema de

_ quemador individual multiQuemador Corriente natural y Premezcla. 5 - \O \O - 20

forzada.

CORRIENTE.

Los quemadores de premezclado pueden estar estables con una corriente muy baja

(minimo de 1.3-2.5 mm de H;zO al nivel del quemador cuando es usado 100 % de aire

prernczcIado).

La cantidad de aire primario aspirado al quemador es dependiente de la presión y del

diseño del aspirador.

U. N. A. M. 30

=

, Desgaste en boquillas. Capitulo l. Generalidades.

Los quemadores de gran escape (más grandes que 4 MM BtuIh) no pueden ser capaces

de operar sin un gran porcentaje de aire secundario.

CARACTERlSTlCAS DE LA FLAMA

Las características son las si~ientes:

a) El volumen de la flama de un quemador de premezclado es más pequeño y más

definido cuando es comparado con un diseño de gas crudo.

b) La forma de la flama es determinada por el diseño de las boquillas de gas y por la forma

de la loza refractaria.

e) El diseño con boquillas rodeando el quemador produce una flama pequeña como pluma.

d) Las boquillas en fonna de araña producen una flama corta y compacta.

e) Las boquillas en forma de cola de pescado producen una flama en forma de remolino

para las aplicaciones de flamas planas.

f) En quemadores de muro radiante, la flama es diseñada para esparcir a través de la loza

del quemador y al muro refractario del homo sin ninguna protección trasera dentro del

hogar de fuego.

LffiERACION DEL QUEMADOR.

El escape de calor para varios diseños de quemadores normalmente varia de 0.5 a 15

MM Btulhr.

1.2.2.4 QUEMADORES DE BAJO NO,.

La producción de óxidos de nitrógeno se da en tres formas durante los procesos de

combustión:

Conversión inmediata. La producción de NOx de N2 dentro de las primeras estaciones

de los procesos de combustión a través de un mecanismo radical de hidrocarbón.

Conversión térmica. La temperatura dependiente de oxidación del nitrógeno molecular

(N2) a NO". Las reacciones térmicas de NOx son favorecidas por las altas temperaturas.

El combustible que va encaminado a la conversión. La conversión del nitrógeno

compuesto dentro del combustible a No.~.

u. N. A. M. 31

=


La producción térmica de NO,. puede ser significantemente reducida por la tecnología

del quemador. El combustible NO;,: es una función de la composición del combustible. Lo

más grande químicamente tienden a ser el nitrógeno en los combustibles, es tan alto como

las emisiones de NOx. El combustible NOx puede ser reducido de 30 a 50 % en los

quemadores.

La producción térmica de NOx está limitado por la reducción de la temperatura de la

flama. Desde la reacción a NO~ es favorecido por las altas temperaturas, reduciendo la

temperatura de la flama se reducirá el NO,. formado. La producción térmica de NO!( es

dependiente del tiempo y de la temperatura.

La formación inmediata de NOx relaciona para una sola cantidad formada de NOx. La

formación rápida llega a ser una porción significante del total de NO;,: cuando son usados

quemadores de bajo Nü;".

1.2.2.4.1 QUEMADORES CON ETAPAS DE AIRE.

Los quemadores con etapas de aire son clasificados como quemadores de bajo NO:o;.

Estos limitan la producción térmica de NO;,: al limitar la temperatura en la zona de

combustión. Reducen la producción del combustible NO!( suministrando un combustible

rico en donde el nitrógeno en el combustible puede ser convertido en nitrógeno molecular.

Estos quemadores completan la combustión en dos zonas separadas. El aire es

inyectado a cada zona. La temperatura de la flama en una u otra zona no se aproxima al de

un quemador convencional. La combustión ocurre en dos etapas distintas, por lo que es

llamado quemador de etapas de aire. En la figura 1.6 se muestra un quemador típico de

etapas de aire.

a) Zona primaria de combustión (etapa uno).

Un combustible es inyectado a la zona primaria de combustión con una sola porción

del aire total. Mucho del combustible no se enciende puesto que hay insuficiente aire

disponible. Esta combustión incompleta resulta en una temperatura mas baja en la flama

que en un quemador convencional. La flama pierde calor como catar por radiación a su

alrededor. La temperatura baja de la flama y el oxigeno limitado contribuyen a una baja

producción ténnica de NO:o;.

U. N. A. M.


El combustible NO" es limitado porque la disociación molecular del combustible bajo

un combustible en condiciones favorables. Algunos de los átomos de nitrógeno formado

por el nitrógeno combustible puede combinarse para fonllar nitrógeno molecular en vez del

oxidado.

b) Zona secundaria de combustión (etapa dos).

La combustión es completada en esta zona (localizada generalmente fuera del bloque

del quemador). La combustión es completada cuando el aire que resta es inyectado al vapor

del gas combustible. La temperatura de la flama no se aproximara a la de los quemadores

convencionales. La combustión es completada en dos etapas. El calor se ha ido a las zonas

que lo rodean durante la etapa inicial de combustión.

Figura 1.6. Quemador típico con etapas de aire.

UKAM 33


1.2.2.4.2 QUEMADORES DE ETAPAS DE COMBUSTIBLE.

Estos quemadores son clasificados como quemadores de bajo NÜ:~. Limitan la

producción de NOx al limitar la temperatura en la zona de combustión.

Estos quemadores completan la combustión en dos zonas separadas de combustión. El

combustible es inyectado a cada zona. La temperatura de la flama en cada zona no se

aproxima a la de un quemador convencional. La combustión se completa en dos etapas. En

la figura 1.7 se muestra un quemador de etapas de combustible.

Figura 1.7. Quemador con etapas de combustible.

a) Zona primaria de combustión (etapa uno).

U.N. A.M. 34


Todo el aire entra a la zona primaria de combustión, pero solo una porción del

combustible. La combustión del combustible primario es completada con una abundante

cantidad de aire. La flama pierde calor hacia sus alrededores.

b) Zona secundaria de combustión (etapa dos).

El combustible sobrante es inyectado corriente arriba a la zona secundaria de

combustión sonde el exceso de aire de la zona primaria provee del oxigeno necesario para

completar la combustión. La temperatura de la flama no se aproximará a la de los

quemadores convencionales. Algo del calor ha sido transferido a los alrededores en la etapa

inicial.

RECIRCULACION DEL GAS COr-ffiUSTlBLE.

El combustible debe recircular junto a los gases de combustión. Al ocurrir esto, los

gases frescos de combustión, la flama reduce la presión parcial del oxígeno así como las

emisiones de óxido de nitrógeno. La recirculación del combustible puede reducir esas

emisiones cuando se usan quemadores de combustión por etapas.

RECIRCULACION EXTERNA DEL GAS COl>ffiUSTffiLE.

Los gases combustibles pueden ser retirados del horno y conducido a los quemadores.

Esto puede requerir una corriente inducida para sacar los gases.

RECIRCULACION INTERNA DEL GAS CO~ffiUSTffiLE.

Los quemadores pueden aspirar los gases del hogar dentro del quemador. Esto puede

ser utilizando el aire de combustión o los vapores del gas para producir una area de presión

baja.

CONSIDERACIONES.

La velocidad de los gases en recirculación dentro del aire de combustión puede afectar

la estabilidad de la flama. Se deberían consultar al vendedor de quemadores para que se

recomiende esta velocidad.

Los quemadores con recirculación de gas interna deben ser cuidados para evitar los

problemas encontrados con los quemadores de prernezclado.

u. N. A. M. 35

=


I.3 COMBUSTIBLES.

Un combustible puede ser cualquier material que produce calor cuando es quemado.

Este calor proporcionado depende del tipo de combustible. En la siguiente tabla se

muestran algunos combustibles mostrando su intensidad de combustión asi como otras

propiedades.

1.3.1 COMPOSICION QUIMICA DE LOS COMBUSTIBLES.

Los elementos químicos de mayor importancia para una combustión a nivel industrial

son el carbón, hidrógeno y el azufre, mientras que el nitrógeno, dióxido de carbón, oxígeno,

agua y cenizas aparecen en menor cantidad, sin tener alguna contribución a la combustión,

ocasionando solo problemas y contaminación.

Carbón. Es el principal constituyente de los combustibles. El término "carbón

disponible" es para describir al carbón que no es químicamente combinado con el oxígeno.

Es dificil de que se encienda en estado sólido, amenas de que sea finamente pulverizado.

En combustibles líquidos o sólidos, aparece en componentes de hidrocarbonos o

monóxidos de carbono. Si no es quemado apropiadamente puede desintegrarse y producir

hollin. A pesar de sus desventajas, el carbón es uno de las principales fuentes de calor, por

lo que se busca solucionar esos problemas.

Hidrógeno. Su valor de calentamiento es muy alto comparado con el del carbón, aunque

comparado con los demás gases es muy bajo. Tiene una velocidad de flama muy alto. El

termino "hidrógeno disponible" se refiere al hidrógeno que no es combinado.

Azufre. Tiene un gran efecto corrosivo y contaminante. En hornos metalúrgicos y

cerámicos puede afectar seriamente al producto. En calentadores, el dióxido de azufre y el

vapor de agua en los productos residuales de combustión pueden formar ácidos que pueden

dañar la caja de humo y la chimenea.

Agua y sedimentos. El agua puede causar flamas discontinuas, y los sedimentos pueden

llegar a atascar los equipos de control, así como las boquillas.

Estos elementos pueden estar presentes en cualquier tipo de combustibles, los cuales se

enlistan en una forma general en la tabla 1.6, los cuales pueden tener una aplicación muy

U.N.AM 36

LO

Desgaste en boquillas. Capitulo L Generalidades.

extensa, pero para el caso de los quemadores para CAFD principalmente se emplean los

combustibles liquidas que también son llamados aceites y los gaseosos.

Tabla 1.6. Reacción de combustión e intensidades.

Combustible. Situación de combustión. Tiempo de Intensidad de ! reacción a combustión

presión normal, kcaVhmJ atm segundos.

Todos. Para hornos de cocción y secado. 10' Carbón. Domestico. 10' - 10'

Fogoneros industriales y hornos de 1 10' _ lO' combustibles pulverizados. 0.1 Posibles limites en explosión de flamas. !O' Banco de fluidos, ciclones.

Combustible Cohetes. 10'-10' sólido. Aceites Formados por carbón. 0.1

I pesados. Atomizados con aire y vapor. lO=- _ 106

Aceites Presión a jet y atomizados con aire. !O" - JO medios. Aceites Domésticos. 10'-10' ligeros. Gotas grandes. 0.01

Gotas pequeñas. 0.001 lO' Hornos industriales. JO' - lO' Turbinas de gas con presión de JO' _ JO'

quemadores jet. líquidos. Cohetes. JO'

Gases. Quemadores con boquillas de 10 - JO mezclado. 0.001 JO' _ JO'

Premezclado. 0.00001 Detonación.

1.3.1.1 COMBUSTIBLES LlQUIDOS.

Los combustibles líquidos varían en composición, gravedad especifica y viscosidad. El

encendido de aceites combustibles, tales como la nafta y el encendido de destilados difieren

considerablemente de aceites combustibles residuales pesados. Otros combustibles liquidas

que son productos de desperdicios de las plantas de procesos (tales como chapapote, asfalto

y aceites combustibles de pirólisis) son también quemados en calentadores de fuego.

U.N.A.M. 37

=


La temperatura en los combustibles debe ser suficiente para que tengan la correcta

viscosidad para una combustión deseada.

La mayoría de los combustibles liquidos son derivados del petróleo o mezclas de

hidrocarbonos. Un análisis químico de sus compuestos ya que son muy similares y sus

propiedades fisicas tienen un efecto muy parecido. Los principales efectos de algunos de

sus compuestos pueden ser:

Contenido de carbón. El excesivo hollín y emisión de partículas ocurre con los aceites

que tienen altos asfaltos, relación CIH o carbón Conradson (encima de 10 wt %). Los

aceites de gran asfalto son más propicios a tener problemas en las boquillas del quemador.

Estos problemas pueden ser subyugados al proponer mezcla de combustibles y el diseño de

la boquilla.

Agua. Un aceite con gran cantidad de agua originará que se quema inapropiadamente.

Su presencia puede afectar la operación del quemador e interrumpir la atomización. El calor

latente del agua absorberá mucho calor necesario para la ignición y para una combustión

completa. También puede contribuir a la erosión de las boquillas de los quemadores. El

agua puede ser benéfica si forma una emulsión con el aceite. Son disponibles mecanismos

quimicos o mecánicos para producir esta emulsión. Estas t:;l algunos casos, pueden mejorar

la combustión y ayudar la eficiencia. Las emulsiones pueden aumentar la erosión de las

boquillas del quemador requiriendo un remplazamiento constante. Un contenido de agua y

sedimentos en combustible no de6erá ser mayor al 1 % por peso a menos que se utilizen

emulsificantes.

Sólidos. Los sedimentos pueden tapanear el atomizador o a extinguir la flama. Se

requieren de aceros endurecidos especialmente para reducir la erosión. El aceite

combustible debería ser filtrado por una coladera dúplex para prevenir el taponeo. La

concha de la coladera contendrá cedazos los cuales las aberturas no serán más larga que la

mitad del tamaño del orificio más pequeño corrientes arriba. Una severa erosión puede

resultar cuando hay presentes partículas finas tales como catalizadores finos. Los filtros son

recomendados para lineas de piloto de gas porque estos tienen orificios de diámetro

pequeños.

Ceniza. Altos niveles de vanadio y/o sólidos causarán deterioro del refractario del

quemador. Puede ser usada una gran alúmina especial refractaria en la loseta del quemador

U.N.AM 38


para reducir la degradación. La necesidad por refractarios de alto grado es dependiente en

la elección del quemador y el grado de sodio y vanadio en el combustible. El vendedor del

quemador debería consultar la elección del materiaJ de la loza del quemador y esperar

cambios frecuentes.

Mezcla de aceite combustible inestable. Ciertos aceites refonnados no pueden ser

mezclados en una mezcla estable. Las boquillas de los quemadores y las coladeras resultan

de la inestable mezcla de aceite que causa la precipitación de asfalteno y formación de

polímeros. Los aceites combustibles que contienen hidrocarburos insaturados pueden

reformarse en el tubo del aceite. Esto puede ocasionar falla en la boquilla del quemador.

Mezclas con alto rango de ebullición. Las pulsaciones en los quemadores pueden

resultar con la atomización de vapor cuando las partículas bajas en ebullición se vaporizan

prematuramente. Los problemas de ignición y estabilidad pueden ocurrir con mezclas de

aceites con un amplio rango de ebullición.

Alto contenido de parafina. Los aceites combustibles con altos contenidos de parafina

son propicios a fonoar tapones si no se utilizan las coladeras adecuadas y las temperaturas

adecuadas.

Contenido de nitrógeno. Los combustibles con nitrógeno resuhan en altas emisiones de

NOx •

Los combustibles líquidos viscosos (aceite del no. 6 y brea) no son atomizados bien a

menos que se calienten para reducir su viscosidad. La temperatura para los aceites

combustibles, con un gasto grande a calentar no deberá ser alta, si no, el aceite se evaporará

en el tubo del inyector.

Los aceites ligeros son más íaciles de quemar que los pesados. Los aceites muy

pesados son dificiles de atomizar, especialmente en escapes pequeños, debido a sus

pequeños pasajes. La conversión de un aceite ligero a uno pesado y viceversa puede

requerir un diferente orificio de salida del aceite para obtener un buen patrón de flama.

1.3.1.2 COMBUSTIBLES GASEOSOS.

Los quemadores de gas crudo son más apropiados para el manejo de gases con un gran

rango de composición, gravedad y vaJores caloríficos.

U. N.AM 39

Desgaste en boquirtas. Capitulo l. Generalidades.

La composición de los gases combustibles pueden variar desde altos contenidos de

hidrógeno hasta grandes porcentajes de hidrocarbonos con grandes pesos moleculares. Los

gases pueden contener cantidades de otros componentes coma hidrocarbonos inertes (COz,

Nz , vapor de agua) e instaurados, los cuales tienen que ser considerados en e! diseño y

selección del quemador.

Se usan los quemadores de gas crudo cuando el gas de hidrógeno combustible contiene

mas de 70 % de moles, cuando la composición de! gas está constantemente fluctuando o

cuando el gas combustible contiene una significante fracción de gases inertes (mayor que

15 % de moles).

Los quemadores de gas crudo no deben ser apropiados para contenidos de gotas de

gases liquidas o un alto nivel de hidrocarburos instaurados. Se puede formar coque o

polímeros en el inyector del quemador, bloqueando los pequeños orificios.

Un quemador de gas crudo con dos boquillas separadas de gas puede ser suministrado

si los quemadores son requeridos para operar con un gran rango de composiciones y

presiones del gas combustible.

El gas usado o los gases conteniendo un alto porcentaje de gases ¡nenes deberia

requerir fuegos suplementarios con otro combustible gaseoso o líquido.

Los valores bajos de gases combustibles sin hidrógeno requerirán una revisión especial

por los diseñadores de quemadores. La operación con valores más bajos de calentamiento

son posibles si el gas combustible contiene hidrógeno.

1.3.1.3 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES DE QUEMADORES PARA CAFD.

Las composiciones de los combustibles son indispensables para poder conocer la

cantidad de energía calorífica pude dar cada uno. Para los quemadores de CAFD son

empicados los siguientes, en donde se indicaran las propiedades físicas y químicas más

importantes.

U. N. A. M. 40


Tabla 1. 7. Densidad de los combustibles.

COMBUSTlliLE DENSIDADES DE LOS COMBUSTlliLES GASLP 0.56_ (~elati\'a con re~p_ecto al agua) GAS NATURAL 0.6 (relativa con respecto al aire) DIESEL 0.865 kglk a 11.5 Oc y 760 mm Hg GASOLEO 0.899 kglk a 11.5"C y 760 mm Hg COl\lliUSTOLEO 0.982 kWk a 11.5 C y 760 mm Hg

Tabla 1.8. Poderes calorificos típicos de combustibles gaseosos y liquidos.

COMBUSTlliLE PODER CALORIFICO PODER CALORIFlCO INFERIOR SUPERIOR

GASLP 11000 kcallkg 11915 kcallkg GAS NATURAL 8205 kcallm' eS! 9140 kcallm' eS! DIESEL 10000 kcallkg 10680 kcallkg GASOLEO 9935 kcallkg 10500 kcallkg COMBUSTOLEO 9583 kcallkg 10111 kcallkg

Tabla 1.9. Composición típica del gas LP.

COMPONENTE % PESO N-PROPANO 30 N-BUTANO 70

PESO MOLECULAR PROMEDIO. 53.8

Tabla 1.10. Composición típica del gas natural.

COMPONENTE % MOL BIOXIDO DE CARBONO 0.86 NITROGENO 0.30 METANO 95.71 ETANO 2.94 PROPANO 0.16 I-BUTANO 0.02 N-BUTANO 0.01

PESO MOLECULAR PROMEDIO. 16.8

U. N. A. M. 41

=

Desgaste en boquiJIas. Capitulo 1. Generalidades.

Tabla L 11. Composición típica del diese!.

COMPONENTE % PESO CARBONO 84.60 NITROGENO 1.0 HIDROGENO 9.70 AZUFRE 2.70 AGUA 1.50 CENIZA 0.50

Tabla 1.12. Composición típica del gasóleo.

COMPONENTE % PESO CARBONO 84.72 N1TROGENO 0.88 HlDROGENO 9.94 AZUFRE 4.20 AGUA 1.20 CENIZA 0.42

Tabla 1.13. Composición típica del combustóleo.

COMPONENTE % PESO CARBONO 83.04 NITROGENO 0.40 HlDROGENO IU AZUFRE 4.20 AGUA Y SEDIMENTOS ----.-

CENIZA 0.60

Tabla 1.14 Análisis típico de carbón residual y saJes metálicas en el combustóleo.

COMPONENTE %MAXIMO %MINTh10 CARBONO 15.0 7.0

Ramsbonon Ramsbostton VANADIO 246 ppm SODIO 70ppm NIQUEL 37ppm

u. N. A.M. 42

Desgaste en boquillas. Capítulo n. Análisis del fenómeno de desgaste.

u. N. A. M.

Desgaste en boquillas. Capitulo 11. Análisis del fenómeno de desgaste.

CAPITULO II ANA LISIS DEL FENOMENO DE DESGASTE.

2.1 DESGASTE EN METALES.

La calidad de la mayoria de los productos de metal depende de la condición de sus

superficies y el desgaste de la superficie debido al uso. Este desgaste a nivel industrial es de

gran importancia ya que es el factor principal que limita la vida y el desempeño de los

dispositivos de un sistema más complejo. El desgaste se puede definir como el deterioro no

intencional resultante del empleo o del ambiente; puede considerarse esencialmente como

un fenómeno de superficie. El desgaste es una de las influencias más destructivas a que se

están expuestas los metales.

El desplazamiento y la separación de las partículas mecánicas de una superficie

mecánica puede producirse por contacto con:

a) Otro metal (desgaste adhesivo metálico).

b) Un abrasivo metálico o no metálico (abrasión).

e) Liquidas o gases en movimiento (erosión).

Los tipos de desgaste mencionados pueden subdividirse en desgaste por fricción

rodante o por fricción deslizante y, además, de acuerdo a si puede utilizarse o no

lubricación.

Cuando se da el desgaste no solo de da en una fonna ya que en la mayoria de los casos

ocurren en desgaste abrasivo y adhesivo. Cada fonna de desgaste está afectada por una

variedad de condiciones, incluyendo ambiente, tipo de carga aplicada, velocidades relativas

de las piezas que se acoplan, lubricante, temperatura, dureza, tenninado de la superficie,

presencia de partículas extrañas, composición y compatibilidad de acoplamiento

implicadas. Como en la mayoría de las aplicaciones mecánicas el desgaste rara vez puede

evitarse por completo aun con la mejor lubricación. Una de las soluciones es emplear dos

materiales diferentes, un metal duro y uno relativamente suave en forma junta. El material

más suave se emplea (como cojinete o buje) para la pieza más económica de reemplazar.

- Desgaste adhesivo. En este tipo de desgaste, también llamado rayado, pequeñísimas

salientes producen fricción por interferencia mecánica, con movimientos relativos de las

u. N. A. M. 43

Desgaste en boquillas. CapituJo 11. Análisis del fenómeno de desgaste.

superficies en contacto que incrementen la resistencia en su movimiento. Si la fuerza de

impulso es suficiente para mantener el movimiento, las panículas interlazadas se deforman.

Si son de un material frágil. pueden arrancarse de lo cual se llega a la conclusión de que la

resistencia al desgaste se mejorará evitando el contacto "metal a metal" e incrementando la

dureza para resistir el mellado inicial. aumentado la tenacidad para resistir la separación

violenta de las partículas metálicas, e incrementado la uniformidad de la superficie para

eliminar las salientes.

- Desgaste abrasivo. Ocurre cuando partículas duras se deslizan o ruedan bajo presión a

través de una superficie. o cuando una superficie dura se frota a través de otra. Las

partículas desgastadas por rozamiento del objeto más duro tienden a rasguñar o acanalar al

material más suave. Estas partículas duras también pueden penetrar al metal más suave y

producir la violenta separación de las partículas metálicas.

La facilidad con que el metal deformado puede arrancarse violentamente depende de la

tenacidad; por lo tanto, la dureza y la tenacidad. las mismas propiedades que influyen en el

desgaste adhesivo, también determinan el desgaste abrasivo. De estos dos faClores, la

dureza es probablemente el más importante, definiéndose como:

Dure:a: Es la resistencia de un metal a la deformación plástica generalmente por

indentación; puede referirse a la rigidez o temple o a la resistencia al rayado, abrasión, corte

o desgaste.

Tenacidad: Es la capacidad de un metal para absorber energía y deformarse plásticamente

antes de fracturarse. Generalmente es una medida de la energía absorbida que se determina

en el ensayo de cargas aplicadas con impacto sobre una barra muescada, pero también se

puede obtener calculando el área bajo la curva en el diagrama esfuerzo-deformación

obtenida a partir de una prueba de tensión.

- Erosión. Es básicamente la destrucción de un metal o cualquier otro material que se da por

la acción abrasiva de fluidos en movimiento, generalmente acelerada por la presencia de

partículas sólidas (finos), materiales en suspensión, y se acompaña generalmente por alguna

forma de corrosión.

u. N.A.M 44

Desgaste en boquillas. Capítulo IJ. Análisis del fenómeno de desgasle.

NOTA: Para este estudio en particular se toma mayor interés al fenómeno de erosión

ya que es la que interviene en mayor medida el desgaste de boquillas. por lo se verá con

mayor detenimiento así como la corrosión ya que como se mencionó anterionnente, puede

existir al presentarse la erosión, por lo que se vera en forma general:

a) Erosión.

b) Corrosión.

2.1.2 EROSION.

De acuerdo a lo anterior se sabe que la erosión es una forma de abrasión.

La erosión es una de las formas más comunes de deterioro de los equipos de refinería.

Este fenómeno se presenta en recipientes a presión, tuberías y otros equipos en los cuales

existe un flujo de líquidos o gases y principalmente si existen sólidos en los mismos. La

erosión esta generalmente localizada donde el flujo es obstruido o sobre un cambio de

dirección, así mismo se presenta en los flujos de combustible que contienen sólidos en

suspensión o tambien donde existan grandes turbulencias.

La erosión de materiales por el impacto de partículas sólidas ha recibido atención los

últimos años debido al serio desgaste que produce en plantas químicas, máquinas de

combustión de carbón y refinerías, así como por la introducción de los procesos de

conversión de carbón (gasificación y licuefacción), en los que la erosión, a veces junto con

la corrosión significa un gran problema.

La erosión puede definirse como la perdida progresiva de material de una superficie

sólida debido al mecanismo de interacción entre esa superficie y un fluido, un fluido

multicomponente o un líquido con partículas suspendidas. Se distinguen cuatro tipos de

erosión:

2.1.2.1 Erosión por impacto de partículas sólidas.

2.1.2.2 Erosión por impacto de liquidos.

2.1.2.3 Erosión por cavitadon.

Siendo la erosión por impacto de panículas sólidas y por liquidos las más importantes

para este estudio, ya que son las que intervienen principalmente en el desgaste de boquillas,

por lo que se estudiarán con mayor detenimiento.

U.N.AM. 45

Desgaste en boquil1.1S. Capítulo 11. AnáJisis del fenómeno de desgaste.

Representación cuantitativa de la pérdida de material (Figura 2.1)

El análisis de los antecedentes comienza por establecer una curva de erosión

acumulativa-tiempo de la pérdida de masa medida (u otra manifestación de daño)

periódicamente durante el tiempo de servicio de un espécimen. Estas curvas son

caracterizadas por caractensticas especificadas como el tiempo de incubación y la máxima

velocidad de erosión.

Perclidc. ele Vol'_H,en

C.C'~jMI,..t('. t;vo

Periodo de incubación

"-1,¡xif'1C Vel(lSlood ele erOSI(W),

Qe o Re

. :~!",po eje '?"D05ic.¡Or"l, t

Figura 2.1. Curva de perdida de material.

Para evaluaciones comparativas de materiales, los resultados son normalizados con

respecto a unas referencias estándares de materiales. Una escala estandarizada de "números

de resistencia a la erosión" es provista del volumen de material estructural y

recubrimientos. Para un analisis mas profundo de los resultados, los periodos de incubación

o velocidades de erosión y son expresadas en fonnas dimensionales racionalizadas que son

basadas en las variables de duración de exposición que en el tiempo de reloj.

U.N.A. M. 46

Desgaste en boquillas. CapituJo n. Analisis del fenómeno de desgasle.

El patrón mas común consiste en un periodo de incubación durante el cual la pérdida

de material es escasa o no existe, seguido por una aceleración de la velocidad de erosión al

valor máximo seguido por una disminución en la velocidad de erosión el cual puede o no

tender un estado de velocidad terminal fija. El significado de varias etapas en este tema

puede diferir de acuerdo al servicio de aplicación propuesto del material que será utilizado.

No en muchos casos, los resultados significantes son obtenidos por pruebas simples a todos

los materiales con una misma duración del tiempo y comparando su pérdida de masa

acumulativa.

El periodo de incubación puede ser el resultado más significante para varios materiales,

recubrimientos y otras aplicaciones para el cual la vida útil de servicio es tenninada por un

daño inicial en la superficie a pesar de que la pérdida de material sea escasa.

Por estas consideraciones, existe la preocupación para los componentes de larga

duración que no podrían basar su valuación en la máxima velocidad de erosión, pero si en

la velocidad terminal más baja si esta se da durante el tiempo de exposición. Esto puede ser

hecho mientras continua la exposición en muchos aspectos, pero debería ser reconocido que

la velocidad de erosión terminal es probablemente más fuertemente afectada por variables

secundarias, tales como la forma del espécimen, condiciones de impacto como repetitividad

contra distribución, distribución del tamaño de las gotas, etc., que es la máxima velocidad

de erosión. Asi, la variabilidad puede ser mayor o menor para resultados basados en la

velocidad terminal de erosión., y el tiempo requerido será mayor.

Evaluación basada en el tiempo de falla.

En algunas investigaciones puede ser posible analizar especímenes hasta que se

alcanzan condiciones que corresponde al fin de la vida útil que se propusieron para las

aplicaciones de servicio. Un criterio apropiado de estas condiciones podría ser una

profundidad media de erosión, una máxima penetración especificada, cualquier penetración

del recubrimiento, un valor limitante especificado del coeficiente de transmisión. En tales

casos, los resultados de la investigación son caracterizados por un tiempo de exposición

acumulativo para que alcance alguna falla. Los valores normalizados de resistencia a la

erosión, relativos a la referencia especificada del material, se expresan simplemente como

la relación de falla-tiempo del material a la de falla-tiempo de la referencia del material.

Para esto, las condiciones durante el estudio (velocidad de impacto y tamaño de gotas)

U.N. A. M 47

Desgaste en boquillas. Capítulo 11. An:i.lís.is del fenómeno de desgaste.

deberían ser lo más cercanamente posible a las de servicio para que desde el principio se

pueda tener algún tipo de erosión.

En esta sección se describen los pasos para representar la medida de material de algtin

espécimen, para comparar o clasificar la creación de diferentes materiales. Además, los

datos de los análisis deben ser en forma racionalizada para investigaciones más básicas.

Para cada análisis de materiales, se incluyen la referencia de materiales, el traza de la

curva erosión volumetrica acumulativa-tiempo, mostrando los puntos originales. Los datos

a otros especímenes se deben trazar en la misma gráfica, usando diferentes símbolos, no es

necesario dibujar una curva completa a través de todos los puntos.

Gráfica de \'elocidad de erosión-tiempo.

La velocidad de erosión no permanece constante, esto es que cada espécimen muestra una

gráfica de velocidad-tiempo similares a las curvas de erosión-tiempo de la Figura 2.2. La

curva "A" representa la gráfica más común de velocidad de erosión-tiempo. En algunos

casos, principalmente a velocidades de alto impacto, parecen no tener periodo de

incubación, como la curva "B". Esto puede ser por los excesivos intervalos de tiempo entre

los puntos del estudio: o debido a que la velocidad de impacto es suficientemente grande,

por lo que un simple impacto remueve material y no existe periodo de incubación. Se

recomienda que para la ausencia de periodo de incubación sea verificado el análisis por lo

menos a una muestra con intervalos cortos de estudio. Si verdaderamente no existe este

periodo, los resultados pueden ser representados por la velocidad máxima o terminal de

erosión. Ocasionalmente se pueden obtener comportamientos anormales como las curvas

"e" o "D". Esto puede indicar un material frágil con poco comportamiento de erosión o

fayas en la toma de lecturas.

Representación del periodo de incubación y máxima velocidad de erosión.

Se obtienen resultados similares a la curva "A" de la Figura 2.2. También se pueden

obtener como los de la curva «Bn en casos especiales, caracterizados solo por su máxima

velocidad de erosión. Para cada muestra, se dibuja una línea recta que representa la etapa de

máxima velocidad. En algunos casos. los puntos serán muy cercanos o estar esparcidos

sobre la linea recta. En otros casos se puede dar una curva en forma de "S", donde la

máxima pendiente es dada por solo un punto o uno muy fugaz. En este caso, la máxima

pendiente extrema puede no ser una buena representación de los resultados por lo que se

u. N. A. M. 48

Desgaste en boquillas. Capitulo n. Análisis del fenómeno de desgaste.

recomienda dibujar una linea efectiva recta a través del máximo punto de la pendiente, taJ

que la máxima desviación entre la línea y la curva actual no exceda de l/lO de la ordenada

de la intersección superior de la línea efectiva y la curva actual. Los resultados para cada

espécimen son descritos por dos panimetros:

a) La máxima velocidad de erosión volumétrica Qc dada por la pendiente de la actual línea

efectiva recta definida arriba.

b) Periodo de incubación to dada por la intersección de esa linea con la horizontal o la

abscisa del tiempo de exposición.

Perdido QC\)"I..I!v.-:,~,v.

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Figura 2.2. Comportamientos de la gráfica de perdida de material.

Representación por la velocidad tenninal de erosión.

Para las aplicaciones en las cuales la vida de uso esperada se extiende más allá del

periodo de máxima velocidad de erosión, en el periodo de desaceleración y terminal, las

evaluaciones podrían ser basadas en una velocidad terminal de erosión si la exposición del

espécimen continuó por un tiempo de exposición suficientemente largo y si se da un estado

de velocidad terminal de erosión fija. Se dibuja una línea recta pasando por los puntos de

49

Desgaste en boquillas. Capítulo Il Análisis del fenómeno de desgaste.

estudio de la etapa terminal o una línea recta en el cual los puntos aparecen próximos

asinióticamente. Se traza la pendiente de esta línea por Qd en ves de Qe para ambos

estudios y referencias de materiales.

Normalización de los resultados.

Los resultados para diferentes materiales pueden ser normalizarlos de una o dos

maneras: por comparaciones directas relativas a una de las referencias designadas a

materiales examinados anteriormente o por comparaciones indirectas relativas en una

escala de referencias estandarizadas.

Normalización directa.

Se asume que r representa una de las referencias designadas a los materiales y que su

resultado en las condiciones de estudio dadas son Qa y lax. Se hace que los resultados

correspondientes para el estudio de materiales r sea Qe" y lox para las mismas condiciones.

Entonces se dan las relaciones siguientes.

Resistencia normalizada a la erosión de x relativa a r:

Sex/r =- Qa- I QClI:

Resistencia normalizada a la incubación de x relativa a r:

SOxlr = Í<tx I to..

Escala estandarizada para los números de resistencia a la erosión.

El propósito de la escala estandarizada es: primeramente, para proveer una escala

numérica generalizada para las propiedades de resistencia a la erosión, y segundo, a ayudar

a promediar algunas de las variabilidades e inconsistencia en los estudios de erosión por

usar mas de una referencia del material al normalizar los resultados. Las magnitudes

relativas fueron establecidas por análisis de regresión de los resultados de unos estudios de

laboratorio y fueron dados en un nivel absoluto por asignaci<?n de valores hasta el acero

inoxidable tipo 316.

Se asume que, en un estudio dado, k de las referencias del material fueron incluidas, y

que los resultados, todos en las mismas condiciones, para un material x y la referencia de

materiales i (i = J, 2, .. k) son:

u. N. A. M 50

u

Desgaste en boquillas. Capítulo 11. AnáJis.is del fenómeno de desgaste.

Q~:l = Máxima velocidad de erosión para el material de estudio x.

Qoei == "Máxima velocidad de erosión para el material de referencia i.

tox = Periodo de incubación para el material de estudio x.

tOi = Periodo de incubación para el material de referencia i.

Sm = Referencia de la resistencia a la erosión para el material de referencia i.

SQri = Referencia de la resistencia a la incubación para el material de referencia i.

Donde los valores de Sai y Son son obtenidos de la tabla 3.1.

Entonces el número de la resistencia a la erosión NER y el número de resistencia a la

incubación NOR del material x son calculados como se ve a continuación:

log (NER) = [tOOg Q .. + 10gS,J]/k-IOSQ"

log (NOR) = [~)Og Son + 10glo,)J./~ -Ioglo, ,,,1 '

Este procedimiento produce una media geométrica de varios valores que deberían ser

obtenidos por el uso de una sola referencia de material a la vez. Tal promedio es deseable

porque la resistencia relativa a la erosión de las referencias de materiales, probados en

laboratorio, probablemente no coincidira con su resistencia relativa obtenida de valores de

tablas. La experiencia muestra que dos pruebas de erosión no darán resultados relativos

idénticos entre diferentes materiales. Es procedimiento de arriba es para minimizar la

discrepancia resultante.

Si los estudios comparativos son conducidos a más de una condición de operación

(como la velocidad de impac-to). las propiedades de la erosión normalizada deberían ser

calculadas individualmente para cada condición. Las propiedades normalizarlas combinadas

pueden ser calculadas por las medias geométricas de las propiedades individuales

normalizadas para todas las condiciones, dando el mismo periorlo de erosión (usualmente la

máxima velocidad de erosión) de reacción para todos los materiales.

Si el único propósito del estudio es determinar la resistencia relativa a la erosión de los

materiales analizados, entonces los resultados normalizados calculados de acuerdo a la

sección anterior pueden bastar. De cualquier forma, si esto es desearlo para hacer

comparaciones cuantitativas entre los resultados de diferentes condiciones de choques,

U.N.AM 51

-

Desgaste en. boquillas. CapituJo 11. Aná1isis del fenómeno de desgaste.

desarrollar modelos empíricos, o verificar predicciones teóricas, entonces los resultados

individuales (tiempo de incubación y maxima velocidad de erosión) deben ser expresadas

en términos de variables racionales fisicamente significativas. Las variables propuestas en

este método son por esto nombrado "periodo de incubación racionalizado" y" velocidad de

erosión racionalizada". Ambos son dimensionales, así que su magnitud es un número puro

independiente de las unidades de medición seleccionadas. Para ordenar ambos, es necesario

trazar la curva de erosión acumulativa-tiempo en coordenadas de la media de la

profundidad de erosión contra la media del choque acumulativo, o hacer conversiones

apropiadas de los resultados trazados diferentemente. El parrafo siguiente trata de como

estas variables pueden ser detenninadas. Finalmente, estos resultados pueden ser también

usados para asignar factores de serviciabilidad.

2.1.2.1 EROSION POR IMPACTO DE P ARTICULAS SOLIDAS.

La erosión en un metal aparece y se expresa como el peso perdido de la superficie, es

directamente proporcional al total de las partículas corroídas que le han golpeado. Todas las

variables restantes son constantes. En unos casos un periodo de incubación de baja erosión

seguido por un periodo de erosión constante, aunque todos estos son de duración corta. Por

esto se puede decir que la erosión es la masa perdida por unidad de masa de impacto de

partícula, siendo una cantidad dimensional

Es ocasionado por partículas de 11 tamaño entre 5 y 500 micras que golpean una

superficie sólida a velocidades entre 5 y 500 metros por segundo. Estas partículas llegan a

ser iguales o mas duras que la superficie que erosionan. Ellas pueden ser un contaminante

no deseado en un flujo de gas o ser un componente necesario del sistema.

Las particulas erosivas varían en composición, pero están casi universalizadas. Mas del

70 % de las causas por erosión en artefactos de turbinas de gas en condiciones de desierto

es el cuarzo, siendo también un componente de la ceniza del carbón despedido. El cuarzo y

el óxido de aluminio tienen una dureza de 1300 y 1750 kglmm2 (VHN) respectivamente.

Para casi todos los metales, la erosión varía dependiendo el angula de impacto y la

velocidad, seb'Ún:

E = K v"f(8)

U.N.AM. S2

Desgaste en boquillas. Capítulo 11. AmUisjs del fenómeno de desgaste.

Donde:

E = Erosión de la masa definido dimensional mente

V = Velocidad de impacto de la partícula.

na) = Función dimensional del angula a de impacto.

n = 2.3 a 2.5 para metales

La variación de la erosión por el ángulo de impacto depende extremadamente de la

naturaleza del metal erosivo.

Las fuerzas de reacción que actúan sobre las partículas erosivas son consideradas

suponiendo que eIJas se deben a la presión constante que actúa sobre el área de contacto

entre el proyectil y la deformación de la forma plástica del objeto.

De ésta suposición simplificada de la naturaleza de las fuerzas de contacto entre las

partículas y el objeto, las ecuaciones de movimiento de una partícula de cualquier forma

pueden ser determinadas y solucionadas. Anteriormente, se ha examinado el

comportamiento generalizado de los granos angulares, haciendo la suposición adicional que

la razón entre la fuerza normal y tangencial dc la partícula es una constante tomada como

2.0. De este modelo se pueden obtener soluciones analíticas de las ecuaciones de

mm'imiento y derivar una expresión para el volumen del material desplazado por la

partícula durante el impacto. Por otra parte otros estudios no favorecen la simplificación de

esta teoría; esto hace necesario la solución numérica de las ecuaciones diferenciales de

movimiento, desde la razón de la fuerza nomal a la tangencial, son constantemente

cambiadas con la orientación y tamaño de área. Los experimentos con proyectiles esféricos

y con proyectiles angulares chocando contra un acero de bajo carbón demostraron que el

volumen de corte (o abolladura) y la pérdida de energía cinética del proyectil pronosticado

por ésta teoría concuerdan bien con las que se dan en la realidad, obteniendo que la presión

de corte (o abolladura) es asumida para ser aproximadamente dos veces la dureza estatica

de corte del metal.

Ambas teorías permiten la predicción del volumen del material desplazado de la

superficie del metal por el impacto de una simple partícula. Para llegar a esa predicción de

erosión, se deben de contestar tres preguntas:

u. N. A. M. 53

Desgaste en boquillas. Capitulo n. Aruilisis del fenómeno de desgaste.

¿Qué valor de presión de corte o flujo de tensión es apropiado para el impacto de una

partícula erosiva?

¿Qué fracción del material desplazado por una simple partícula es removida de la

superficie? y,

¿Qué efectos no observados en el impacto de una simple partícula pueden contribuir a la

pérdida de masa de la superficie sujeta al continuo bombardeo de muchas partículas?

La fracción de volumen desplazado por un proyectil durante un simple impacto, el cual

es en efecto removido. varía considerablemente con la forma de la partícula, orientación y

ángulo de impacto. Para esferas golpeando o chocando acero dulce en ángulos oblicuos,

entre 8 y 25 % del metal desplazado es expulsado (o extraído) en un borde en el extremo

del cráter de impacto: para algunas condiciones de impacto el ángulo y la velocidad en el

borde pueden destacar. En esto es notable que hasta para impactos de esferas de incidencia

normal y casi normal, las pérdidas de peso han sido medidas en experimentos de simple

impacto. El mecanismo de metal removido en este caso aparece para ser la separación de

pequeños fragmentos alrededor del borde de corte (o abolladura).

Estudios experimentales hechos con simples partículas angulares o ángulos oblicuos de

incidencia indican que el comportamiento de éste tipo de proyectiles bajo éstas condiciones

pueden ser clasificados de dos modos:

a) Corte tipo 1.

Aquí, la partícula angular rota hacia delante en el impacto cortando el metal y

desprendiendo una gran astilla de material en el borde del cráter. Aunque ésta astilla no es

normalmente desprendida de un simple impacto, esto es claramente vulnerable para

removerse por el impacto de una partícula subsecuente orientada apropiadamente.

b) Corte tipo II.

En este tipo, la partícula rota hacia atras durante el impacto removiendo una astilla de

material con una cierta acción de maquinado.

El corte tipo IL es favorecido por sólo un pequeño rango de ángulos de impacto y

orientaciones de partículas, y por lo tanto ocurren muchas pérdidas frecuentemente en el

modo de corte tipo 1; sin embargo, ambos tipos de comportamientos han sido observados

por una fotografia de alta velocidad en los modelos de experimentos y pueden también ser

U.N.AM 54

Desgaste en boquillas. Capítulo JI. • .o\ná1isis del fenómeno de desgasle.

identificados desde sitios dañados a superficies golpeadas por los granos abrasivos

irregulares. Ambos tipos pueden ser también pronosticados periódicamente del modelo de

corte (o abolladura) rígido-plástico.

El problema de la estimación de presión de corte (o abolladura) aplicable al impacto de

la partícula erosiva puede ser tratada empíricamente; ésta aproximación consiste de una

correlación experimentalmente midiendo los rangos de erosión con ¡as predicciones de la

teoría de corte ngido..:plástica. La pérdida de peso es dependiente de una significativa

fracción del volumen desplazado realmente removido por un impacto, e inversamente sobre

la presión de flujo del metal. Las dos variables no pueden ser separadas sin hacer una

medición independiente de la presión de flujo. Se ha hecho una comparación de las formas

de corte con las predicciones de la teona, es decir, que la presión en estos dos casos afecta a

la dureza estática de corte del metal.

En esto debe notarse que un simple análisis dimensional del impacto de la partícula, en

el cual el volumen de corte es asumido para depender únicamente de la energía expandida

en su formación y en algún flujo de tensión o presión de corte del metal, también se puede

predecir que el volumen de corte debe ser inversamente proporcional a la energía del

trabajo plástico.

Para el impacto nonnal de las partículas erosivas, el coeficiente medio de restitución ha

sido medido y colocado típicamente dentro del rango de 0.1 a 0.3; para proyectiles esféricos

el comportamiento es similar. Para proyectiles esféricos normalmente impactadas, un 1 a 10

% de la energía cinética inicial a la partícula por fuerzas elásticas. Más de la energía inicial

es disipada en el objeto. La energía contenida en el campo elástico de onda, el cual no

puede contribuir a la erosión, puede ser estimado y encontrado para explicar el 1 al 5 % de

la energía inicial, dejando cerca del 900/0 de gasto de energía en el trabajo plástico. De esto,

arriba del 10 % puede ser almacenado en el metal en dislocaciones y otras imperfecciones

cristalinas, dejando casi el 80 % de la energía cinética de la panícula, la cual debe ser

degradada en alta temperatura. Para metales de trabajo endurecido lentamente la fracción

de la energia almacenada puede perderse, e incluso la energía puede ser disipada con calor.

En este análisis, las contribuciones muy pequeñas de energía de superficie, y de la energía

cinética de los fragmentos erosionados han sido ignoradas.

U.N.A.M. 55

Desgaste en boquillas. Capitulo n. Análisis de] fenómeno de desgaste.

El impacto de ángulos oblicuos. más la pérdida de la energía inicial de la partícula es

gastada en el trabajo plástico. El impacto cortante de una esfera a un ángulo de 30°

alrededor del 40 % de la energía inicial es aprovechable para la ronna de corte y de aquí se

causa erosión. El caso de las partículas angulares es más complejo, desde la forma y

orientación del grano son importantes. La energía rotacionaJ de la partícula rebotada puede

ser apreciada, y que tal vez el 40 al 80 % de la energía inicial es disipada en el trabajo

plástico.

2.1.2.2 EROSION POR IMPACTO DE LlQUIDOS.

Esta se puede dar en turbinas de vapor, principalmente en álabes y en el rotor. Las

gotas de agua de un diámetro de décimas de milímetros hasta 10 mm pueden golpear con

una velocidad de 1 km/s causando grandes daños.

El objetivo de este estudio puede ser la determinación de la resistencia a la erosión u

otros daños a los materiales o recubrimientos en servicio, o investigar los mecanismos de

daños y los efectos de las variables de las condiciones de servicio. También provee una

escala estandarizada de números de resistencia a la erosión aplicables a metales y otros

materiales estructurales.

CONDICIONES PARA ESTE ESTIJDIO.

Ambientes erosivos. Este estudio puede ser usado para evaluación de la resistencia a la

erosión de materiales para servicio en ambientes donde las superficies sólidas son sujetas a

impactos repetidos por gotas o chorros de líquidos, o que están expuestas a líquidos

cavitantes.

Resistencia a la erosión. La erosión por choque de líquidos y por cavitación son

procesos similares y la resistencia relativa de los materiales a ellos son similares. En ambos,

el daño es asociado con pulsos repetidos, de pequeña escala y presiones de gran intensidad

actuando en una superficie sólida. Los mecanismos de fayas en sólidos han sido mostrados

para diferenciarse según el material en una naturaleza detallada, escala e intensidad de la

interacción fluido-sólido. Así, la resistencia a la erosión no debería ser considerada como

una propiedad precisamente definida de un material, sino más bien como un conjunto de

propiedades de un material cuya relativa importancia puede diferir dependiendo de las

U.N.AM 56

-

Desgaste en boquillas. Capítu10 11. Aná1isis del fenómeno de desgaste.

variables mencionadas (no ha sido posible aún relacionar con éxito la resistencia a la

erosión con cualquier propiedad medible de un material). Las diferencias entre dos

materiales de 20 % o menos probablemente no son significantes: Para la masa de

materiales, como de metales y phisticos estructurales, el rango de la resistencia a la erosión

es mucho más grande que de las propiedades tipicas a la resistencia: En una escala

normalizada en el cual el acero inoxidable Tipo 316 es dado como un valor de unidad, los

materiales mas resistentes deberían tener valores más grandes que 10 y los menos

resistentes, valores más pequeños que 0.1.

Significado de la variación de la velocidad de erosión con el tiempo.

La velocidad de erosión debido al impacto de líquidos o cavitación no es constante con

el tiempo, pero muestra uno de muchos patrones de la curva velocidad de erosión-tiempo.

Para los materiales, este estudio indica como calcular el periodo de incubación, así

como la máxima velocidad de erosión, y la clasificación del material basada en cada uno de

los aspectos anteriores. En las siguientes ecuaciones el periodo de incubación y la máxima

velocidad de erosión pueden ser estimados para cualquier condición de choque de líquidos

donde se conocen las principales variables del choque.

log No = log NOR - 4.90 log V + 16.24 -Iog Fo

logR.= 4.80 log V - NER-16.31 +Iog F,

Fo y F c: representan el factor de servicio para el medio ambiente para el cual las

predicciones se hicieron. Pueden ser estimados por:

logFo=OAOJ -0.16

log F, = 0.67 log d + 0.57 J - 0.22 K - 0.34

Donde:

No = Periodo racionalizado de encubación.

~ = Má:xima velocidad racionalizada de erosión.

NER = Número de resistencia a la erosión del material.

NOR = Número de resistencia a la incubación del material.

V = Velocidad de impacto, en mis.

d = diámetro de las gotas o chorro, en mm.

J = O para gotas y 1 para chorros.

K =.0 para especímenes planos en impactos normales y 1 para curvados o

u. N. A. M. 57

Desgaste en boquillas. Capítulo II. Arui1isis del fenómeno de desgaste.

cilindricos.

log := logaritmo base 10.

Debe ser enfatizado, de cualquier modo que por la variación previamente descrita de la

velocidad de erosión con tiempo de exposición, los paramentos arriba mencionados no

bastan para predecir la erosión en una exposición de larga duración. La extrapolación

basada en la maxima velocidad de erosión podria sobrestimar la magnitud absoluta de un

valor grande de erosión acumulativa a un factor que excede una orden de magnitud.

Además, podria predecir incorrectamente la diferencia relativa entre los grandes resultados

para diversos materiales.

Calculo de la resistencia a la erosión.

Desde que el daño debido al choque de líquidos no se da linealmente con el tiempo, es

necesario proveer aproximaciones para representaciones cuantitativas de los datos

dependientes del tiempo.

Casi todas las cantidades asociadas con rangos de erosión, (por ejemplo, velocidades

de erosión y periodos de incubación de diferentes materiales o diferentes velocidades) por

encima de muchas ordenes de magnitud y exhiben una gran variabilidad. Por esta razón,

todos los cálculos de medias y desviaciones estilndares, y otras evaluaciones estadísticas

deben ser creadas por logaritmos de las cantidades fisicas. Este procedimiento produce la

media geométrica de las cantidades fisicas. Tambien note que la desviación estándar que la

escala logarítmica es por naturaleza una medida de variabilidad, y semejante al coeficiente

de variación en la escala fisica.

Recubrimientos elastométricos.

Para recubrimientos elastométricos, la formación en "tiempo de falla" (o pérdida de

masa) es calibrada relativamente. La presentación de la información puede tomar la forma

de tabla estadística donde se comparan las resistencia relativa a la erosión de varios

recubrimientos. Si los tiempos de falla son detemlinados como una función del espesor del

recubrimiento o de los panimetros de exposición, entonces el rendimiento de la cubierta

puede ser establecida por esos recubrimientos. Típicamente las variaciones del tiempo de

falla serán del JO al 15% dentro de algún substrato de un recubrimiento combinado

expuesto a cualquier condición de medio ambiente.

u. N. A. M. 58

Desgaste en boquillas. CapituJo n Análisis de) fenómeno de desgaste.

Cálculos a considerar.

Profundidad media de erosión (Y). Es calculada dividiendo el volumen perdido por el área

expuesta definida.

Choque acumulativo medio (H). Es calculada multiplicando el tiempo acumulativo de

exposición por la velocidad de choque (U;).

Velocidad de choque (U;). Es definida por:

U;~nnb/A

donde los símbolos han sido definidos anterionnente. Para impactos repetitivos de chorros,

b es el volumen de la porción del chorro en el cual los impactos son en la superficie

expuesta del espécimen y tiene una área protegida igual a "A "0 Para impactos distribuidos,

la velocidad de choque es a menudo calculada por:

u;~",vcose

El volumen de concentración (\V) puede ser determinado por métodos fotográficos,

muestreos, o calculados por las características del spray. de acuerdo a la velocidad de la

lluvia del fluido. Si el espécimen es cilíndrico, Vi como la calculada aniba variará sobre su

superficie. Para valores nominales de un número independiente, la variación del ángulo es

ignorada y cos e se da como unitario.

Si la velocidad de la lluvia V r es conocida.. y si sus 'gotas pueden ser asumidas por

haber alcanzado la velocidad terminal Vt , la concentración de volumen \¡I_ está dada por:

",~U,/U.

La velocidad tenninal V t puede ser medida fotográfica o teóricamente. Existen curvas

de l1t contra d, para condiciones atmosféricas normales. En el rango para d, de 0.1 a 3 mm,

puede ser dado por:

UI ~ 4.0 rf'" donde d es el diámetro de la gota en mm y Ut es la velocidad en mis. De esto se obtiene:

'1' ~ U, 1.44 X 107 do.S6

con Ur en rnmIs y d en mm.

Velocidad de erosión racionalizada (Re).

Corresponde simplemente a la pendiente de la línea de máxima velocidad, en

coordenadas. En una forma alternativa se puede calcular por:

U.N.A.M 59

Desgaste en boquillas. Capítolo n Análisis del fenómeno de desgaste.

R.=U,fU;=Q,/U;A

Periodo de incubación racionalizada (No).

El periodo de incubación racionalizada representa el número nominal de «impactos

específicos"> o ciclos de esfuerzos por cualquier punto típico en la superficie expuesta,

durante el tiempo de incubación.

Cuando se tienen impactos repetitivos, el número de impactos es, por definición, el

mismo en todos los puntos de la superficie expuesta, y es directamente contable o

calculable por su tiempo de duración, velocidad y el número de impactos. Las definiciones

de las variables relevantes son así escogidas que los mismos vaIores deberían ser obtenidos

por aplicación de las relaciones dadas para impactos distribuidos que se da abajo.

Para pruebas de impacto distribuido, es asumido que los impactos son uniformemente

distribuidos en la superficie expuesta. Entonces el número de "impactos específicos" dados

en un punto de la superficie es igual al número total de impactos que se dan en la

superficie, multiplicada por el área de influencia de cada impacto, y dividido por el-área de

la superficie. Se define el área nominal de influencia de un impacto como el área

proyectada del cuerpo líquido impactante. Entonces se da la siguiente relación:

No= f; to = (a/b) U; lo = (a/b) Ro

donde (a/b) es el área dividida por el volumen de gotas o chorros que se impactan. Para

gotas, a/b = 3/2 d; para chorros a/b = 4ht d.

2.1.2.3 EROSION POR CAVITACION.

Ocurre cuando la presión de un líquido cae por debajo de su presión de vapor. El

rápido colapso de estas cavitaciones en contacto con una superficie sólida provocará una

región de alta presión hidrostática, causando erosión sobre la superficie. La erosión por

cavitación ocurre principalmente en propelas marinas, en válvulas y bombas que manejen

líquidos.

Este fenómeno se da con gran frecuencia en sistemas de bombeo rotatorios, dañando

las aletas y las carcasas, pero no tiene gran importancia en el desgaste de boquillas.

U.N.A.M 60

•

Desgaste en boquillas. Capítulo ll. Análisis del fenómeno de desgaste.

2.1.3 CORROSION.

La corrosión es un deterioro que ocurre cuando un metal reacciona con su medio

ambiente y se da en diferentes formas.

La corrosión es un problema que se presenta en todos los procesos químicos en las

plantas industriales. La mayoría de los componentes metálicos se deterioran debido a la

naturaleza química en algún proceso. Para controlarla hay que saber donde se inicia, como

reconocerla, como se genera, como medir su severidad, técnicas de inspección, las variables

de diseño que afectan la corrosión, selección de materiales, como interpretar y aplicar la

información de corrosión y donde se puede obtener ayuda.

Todos los metales y aleaciones son susceptibles a corroerse. Nmgún material es

adecuado para todas las aplicaciones. Por ejemplo, el oro es conocido por su excelente

resistencia pero si se expone a una atmósfera de mercurio, se corroerá a temperatura

ambiente. Por otra parte, el hierro no se corroe en mercurio aunque se llena de henumbre.

Afortunadamente, hay muchos metales que funcionan adecuadamente para cierto

ambiente. Además existen métodos para su control que minimizan el problema.

DIFERENTES FORMAS DE CORROSION.

La corrosión se da en muchas fonnas y su clasificación se puede dar basada en tres

factores:

a) Naturaleza de la atmósfera corrosiva. Puede clasificarse en húmeda, ocasionada por

líquidos y en seco que se da con gases a elevadas temperaturas.

b) Mecanismo de corrosión. Puede ser por ataque electroquímico o por reacción química

directa.

c) Apariencia del metal corroído. Puede ser unifonne o localizada, dándose en un área

especifica.

Esta última es más práctica para diferenciar los tipos de corrosión. En la corrosión

localizada hay que diferenciar la macroscópica, que se nota a simple vista y la microscópica

se da en las debilitaciones que se dan en la estructura del metal.

En la figura 2.3 se muestran los tipos de corrosión y enlistados en la tabla 2.1.

U. N.A.M 61

Desgaste en boquillas. Capítu10 IT. Análisis del fenómeno de desgaste.

Metol Más noble

Meta.l

. . . . I ..... l· .. · . . ........ .

I o. Sin corrosi6n. b. UniforMe. c. Go,(v6.nica. d. Por erosión.

MOviMiento cíclico.

................

F.···· .. ··~·= e. Por o.brasión. f. Por hendidura.. 9. Por picadura. h. Por exfollo.ción.

Esfuerzo.

i. Por desla.ve. j. Intergro.nular. k. Por grietos oca.- l. Por fo.tigo.

FIGURA 2.3. Corrosión de metales y aleaciones metálicas en sus diferentes formas.

TABLA 2.1. Diferentes fonnas de corrosión

I CORROSION I

I I I UNIFORME I LOCALIZADA I

I I I

Macroscópica Microscópica. Galvánica Intergranular. Erosión. Grietas Hendiduta. ocasionadas Picadura. a esfuerzos. Exfoliación. Por fatiga. Deslave.

UKAM Q


2.1.3.1 CORROSION UNIFORME.

El ataque uniforme sobre grandes áreas de la superficie de un metal es la forma de

corrosión más común, puede ser húmeda o seca, electroquímica o química. Esta forma de

corrosión es la más fácil de medir y se pueden evitar fallas con una inspección· frecuente.

2.1.3.2 CORROSION LOCALIZADA.

Como ya se mencionó, se da en una área pequeña en el metal y se divide en

macroscópica y microscópica.

2.1.3.2.1 MACROSCOPICA:

• CORROSION GAL V ANICA.

Ocurre cuando dos metales diferentes están en contacto y expuestos a una solución

conductiva. Existe una diferencia de potencial eléctrico entre dos metales diferentes, y sirve

como una fuerza conductora que pasa corriente de un metal al otro. Esta corriente fluye

corroyendo uno de los metales.

Entre más grande es la diferencia de potencial en los dos metales, habrá mayor

posibilidad de que exista una corrosión galvánica. Esto ocasiona que solo uno de los

metales sufre deterioro, y es al que se le llama "metal más activo o anódico", mientras que

el metal menor corroído es el "metal noble o catódico".

Las áreas relativas de los dos metales son importantes. Una área mucho más grande del

metal noble, comparada con el metal activo, acelerara el ataque.

Este tipo de corrosión se puede reconocer por la gran cantidad de corrosión que se da

en la unión de los dos metales por lo que esto puede solucionarse evitando el uso de dos

metales juntos y que produzcan una gran diferencia de potencial dentro de un ambiente

dado o minimizando las relaciones de áreas entre el metal noble y el activo.

• CORROSION POR EROSION.

Se da cuando hay un liquido corrosivo en movimiento sobre la superficie de un metal o

viceversa, se incrementa la velocidad de ataque debido al desgaste mecánico y corrosión.

La erosión se da cuando se remueven las películas protectoras que se forman en los

metales, o de las partículas ya corroídas.

U.N.AM 63

Desgaste en boquillas. Capítulo TI. Análisis del fenómeno de desgaste.

Su aspecto es como de picaduras poco profundas y cuentan con un patrón erosión que

10 da la dirección del fluido corrosivo en movimiento. Los factores que la pueden

determinar son las condiciones de altas velocidades, turbulencias y choque de partículas. Se

puede ver con más frecuencia en los rodetes de bombas, agitadores, tuberías principalmente

codos. Las soluciones espesas pueden contener sólidos y dar origen a este problema. Esto

puede evitarse realizando cambios en el diseño o seleccionando materiales más resistentes.

Este material tiene que ser más resistente a la corrosión y mucho más duro.

Dos formas especiales de corrosión por erosión son la cavitación y por abrasión.

a) Cavilación. Es causada por la rannación y colapso de burbujas de vapor. La alta presión

producida por este colapso deforma la superficie del metal, removiendo las películas

protectoras.

b) Abrasión. Se presenta cuando un metal se desliza sobre otro y causa un daño mecánico

en uno O en ambos metales. Este deslizamiento puede ser el resultado de vibraciones. La

corrosión llega a ser de una de las siguientes formas: el calor o la fricción corroen el metal

y su óxido vuelve a desgastar, o el desprendimiento mecánico del óxido protector y de

productos resultantes de la oxidación originan una exposición continua de las superficies de

los metales. Esto se puede reducir evitando la fricción o y usando materiales más duros.

• CORROSION POR HENDIDURA.

Las condiciones ambientales en una hendidura pueden, con el tiempo, llegar a abrir la

superficie y en un medio ambiente más agresivo puede causar corrosión local en una

hendidura. Las hendiduras existen en juntas, pernos, tomillos, remaches, etc. También son

formadas por depósitos de suciedad, productos de corrosión, etc. Este tipo de corrosión es

atribuida a:

a) Cambios de acidez en la hendidura.

b) Falta de oxígeno en la hendidura.

e) Acumulación progresiva de iones perjudiciales en la hendidura.

d) Reducción de un inhibidor en la hendidura.

Como todas las formas de corrosión localizada, la corrosión en hendiduras no ocurre en

todos los metales corroídos ya que algunos materiales son más susceptibles que otros.

Normalmente depende de una película de óxido formada para proteger contra la corrosión.,

como en el acer9 inoxidable y el titanio. Estos materiales pueden ser aleados para mejorar

U.N.AM 64


su resistencia; y esto, junto con el diseño para minimizar las hendiduras y un

mantenimiento para mantener las superficies limpias ayudará para evitar este problema.

• CORROSION POR PICADURA.

Esta se da por la fonnación de hoyos en la superficie del metal, los cuales pueden tener

distintas formas según su constante crecimiento, originadas por las mismas razones que por

la corrosión por hendiduras. De hecho, una picadura es una hendidura que se forma por sí

misma.

Para minimizar las picaduras se debe tener una superficie homogénea y limpia.

Este tipo de corrosión es lcnto~ tomando meses o años para ser visible, pero puede

causar fallas inesperadas.

• CORROSION POR EXFOLIACION

La exfoliación es un tipo de corrosión que se da y se ex.-tiende por debajo de la

superficie del metal. Difiere de las picaduras ya que esta es en forma laminar, y se puede

reconocer por una superficie escamosa. Esto se da frecuentemente en aleaciones de

aluminio y puede ser combatido por tratamientos térmicos y aleaciones.

• CORROSION POR DESLAVE O LIXIVIACION SELECTIVA

Es cuando se remueve algún elemento en una aleación. Un ejemplo muy común es

cuando se desprende el zinc cuando esta aleado con cobre, esto es conocido como

dezincificación. La corrosión es perjudicial ya que produce un me1al poroso con

propiedades mecánicas pobres, y para solucionarlo se pueden emplear aleaciones que no

sean susceptibles a este fenómeno.

2.1.3.2 2 MICROSCOPICA:

• CORROSION INTERGRANULAR.

Este tipo de corrosión localizada, surge al haber una diferencia de potencial entre el

metal o aleación y fas fronteras de grano. Por lo general tiene lugar cuando hay

precipitación de una fase desde una solución sólida. Corno la precipitación se da más rápido

en las fronteras de grano, el material en las fronteras de grano pierde cantidades del

elemento disuelto, creando una diferencia de potencial y la frontera de grano se disolverá

preferentemente. Al ser una corrosión microscópica, un examen visual de la pieza no

U.N.AM 65


revelará algún daño, y en la mayoría de los casos hay una apreciable pérdida den las

propiedades mecánicas.

• CORROSION EN GRIETAS OCASIONADAS. POR ESFUERZOS.

Se presenta cuando los metales están bajo esfuerzos extremos o a esfuerzos residuales

ocasionados por un trabajo en frío. Dichas grietas pueden ser transgranulares,

inergranulares o ambas. La magnitud del esfuerzo necesario para producir alguna falla en el

material depende del medio corrosivo y de la estructura del metal base. Es uno de los tipos

de corrosión más importantes, ya que se puede encontrar en la mayoría de los metales,

aunque es dificil predecir cuando surgirá una grieta, pero cuando hay nitrógeno en hierro y

acero, estos serán más propensos a la presencia de grietas en soluciones de nitrato.

Los aceros con a1uminio resisten mejor la corrosión por esfuerzo, porque el aluminio se

combina con el nitrógeno para formar nitruro de aluminio. Algunos aceros inoxidables son

susceptibles a la presencia de fisuras mediante corrosión por esfuerzo en presencia de

cloruros, como las soluciones de cloruros de sodio, cloruro de calcio entre otras.

Para los aceros inoxidables fallan principalmente por la presencia de grietas producidas

por la corrosión por esfuerzo cuando están en ambientes con presencia de cloruros,

mientras que los aceros inoxidables ferríticos se picarán extensamente pero son menos

probables a fallar mediante este tipo de corrosión que los austeníticos martensíticos. La

presencia de fisuras mediante corrosión por esfuerzo también puede ocurrir en aleaciones al

cobre sometidas a esfuerzos cuando están expuestas a amoniaco y sus compuestos,

especialmente en presencia de oxígeno y bióxido de carbono.

El peligro de la formación de grietas se puede reducir evitando los esfuerzos residuales,

utilizando recubiertas protectoras, y para latones, manteniendo el zinc por debajo del 15 %

ya que al tener de 20 a 40 % de zinc, son altamente susceptibles al ataque químico.

• CORROSION POR FATIGA.

Es un tipo especial de corrosión en grietas que se da por la presencia de esfuerzos. Las

fallas por fatiga ocurren aún en ausencia de medios corrosivos ya que son causados por

ciclos repetitivos bajo esfuerzos. Tales fallas son comunes en estructuras sujetas a

vibraciones continuas. Cuando hay susceptibiJidad a fatiga. se incrementa al existir una

atmósfera corrosiva, originando fallas atribuidas a la corrosión por fatiga.

U.N.AM 66


Un metal que ha fallado debido a una corrosión por fatiga, tendrá productos visibles de

la corrosión en la superficie, peto puede ser una indicación engañosa en algunos casos

porque una fractura regular ocasionada por fatiga se corroerá antes de que. sea

. inspeccionada.

Las grietas fonnadas por fatiga no serán tan ramificadas como en las grietas

ocasionadas por esfuerzos.

Un factor ~ue tiene gran importancia es 'a temperatura. La corrosión a alta temperatura

se da cuando, además del oxígeno, se encuentran en el medio ambiente otros agentes

corrosivos que atacan los materiales. En calderas de centraJes termoeléctricas, o en equipos

en donde los ,·materiales en contacto con los gases y productos de combustión están

expuestos a este tipo de ataque y en ocasiones, la velocidad de corrosión es muy elevada

debido a que el diseño no fue adecuado o por condiciones de operación extrema. Un

ejemplo de ello son los depósitos que se forman sobre la superficie de componentes que

están a alta temperatura y que llegan, bajo ciertas condiciones, a encontrarse en estado

líquido. provocando que la velocidad de corrosión sea mucho más alta. De cualquier

manera, la presencia de elementos como azufre y sodio son las causas de mayor corrosión.

u. N.A.M 67

Desgaste en boquillas. Capítulo II. Análisis del fenómeno de desgaste.

2.\ METODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL DESGASTE.

Existen muchos métodos para combatir, prevenir y reducir el desgaste de los metales,

esto depende de las condiciones en que se esté trabajando, como atmósfera y tipo de

material que se esté trabajando así como su uso.

En la tabla 2.3 se muestran algunos de los principales métodos de protección contra el

desgaste.

Tabla 2.3. Métodos para reducir el desgaste.

METODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL DESGASTE PROTECCION TEMPLADO. SUPERFICIAL.

Electrodepositación. Temple normal. Anodizado. De austenización Difusión. completa.

Carburización. De austenización Cianuración. incompleta. Carbonitruración. Templado intenumpido. Nitruración. En agua y aceite. Cromado. En agua y aire. Siliciado. Templado isotérmicos.

TennoITociado. Austempering. Rociado por flama. Martempering. Rociado con arco eléc- Temples superficiales. trico. Por inducción. Rociado por plasma. Por flama.

Revestimiento duro. Inmersión en caliente. Níquel electroless.

2.2.\ PROTECCION SUPERFICIAL.

2.2.1.\ ELECTRODEPOSIT ACION.

ALEACIONES.

Aceros al carbóno. Aceros aleados. Aceros inoxidables. Aceros para herramientas.

La electrodepositación o electropJatinado es una técnica muy utilizada. Es grande el

número de metales que pueden platinarse o utilizar para platinar, como el cromo, el níquel

y el radio. El revestido con indio se ha utilizado para reducir el desgaste de cojinetes de

plomo. Este método produce normalmente un recubrimiento más unifonne q~e otras

técnicas y es menos poroso que el termoITociado. La necesidad de una celda electrolítica

U.N.AM 68

Desgaste en boquillas. Capítulo n Análisis del fenómeno de desgaste.

para aplicar esta técnica, implica restricciones sobre el tamaño y la forma de la pieza que se

desea recubrir.

La calidad y el grosor de un proceso de electrodepositación dependerán del acabado de

la superficie base y de los parámetros del platinado, tales como temperatura, densidad de

corriente, tiempo y composición del baño electrolítico. El problema que presenta la técnica

de electrodepositación es la mala adherencia del recubrimiento con el metal base. Esto se

soluciona platinando sucesivamente varios metales diferentes para obtener un

recubrimiento óptimo. Por ejemplo, si se desea platinar una pieza de acero con cromo

puede platinar primero el acero con níquel y, entonces, agregar el cromo. El níquel dará una

mayor resistencia a la corrosión y formará una adecuada base sobre la que se aplique el

platinado de cromo.

Pueden emplearse dos tipos de revestidos: de cromo, el cromo duro y el poroso. El

revestido de cromo duro es el mismo que el utilizado para propósitos decorativos, pero

mucho más grueso, generalmente de 0.0025 a 0.25 mm. El revestido de cromo poroso tiene

sobre su superficie, cuidadosamente controlados, agujeros o canales para mantener los

lubricantes. Puede tener la misma porosidad que la superficie cuando se reviste con cromo.

Puede llegar a tener una dureza desde 950 haSta 1050 VHN. Pueden ensamblarse y

desensambIarse las piezas de acero recubiertas con cromo aun con ajuste forzado

(dimensiones con interferencia) y muchas veces sin que haya adherencia o soldado. La alta

resistencia a la corrosión del cromo es útil para reducir el desgaste bajo condiciones

corrosivas. Otro factor que contribuye a reducir el desgaste es el bajo coeficiente de

fricción del revestimiento de cromo, por lo que puede ser utilizada en los cilindros y anillos

para pistón de motores de combustión interna.

Al variar la solución química de revestimiento de níquel utilizada, el revestido de

níquel puede alcanzar una dureza de ]40 a 425 VHN. El revestimiento de níquel es bastante

más suave que el de cromo, pero en muchos casos es lo suficientemente duro para el

propósito de que se trate y más económico. Este tipo de revestimiento puede tener un

maquinado final, mientras que uno de cromo debe esmerilarse.

Para el caso del revestido de rodio, se pueden alcanzar durezas de 540 a 640 VHN Y

una resistencia al desgaste que va desde la del revestido de níquel hasta la del revestido de

U.N.AM 69

Desgaste en boquillas. Capítu10 Il Análisis del fenómeno de desgaste.

cromo. Aparte de tener una gran resistencia al desgaste al tener una gran dureza, es muy

resistente al calor.

2.2.1.2 ANODIZADO.

Este método es utilizado para mejorar la resistencia al desgaste al formar una cubierta

de oxido, aunque solo se puede emplear a aluminio, magnesio, zinc y sus aleaciones. En el

anodizado, la pieza es el ánodo, y las capas de óxido se fonnan en el metal base. Como la

capa de óxido más nueva se fonna siempre adyacente al metal base, al fin de que el proceso

continúe, las capas de óxido previamente fonnadas deben ser suficientemente porosas para

permitir que los iones de oxígeno pasen a través de ellas.

Para el aluminio, su función es crear una capa de óxido más gruesa y por lo tanto más

resistente que la que se forma solo con la exposición al aire. Para esto se puede utilizar

ácido sulfúrico como electrólito para el anodizado. Las películas producidas son

transparentes, más gruesa y más porosa que las producidas por otros electrólitos. Este

proceso es conocido como Alumite, los cuales son más gruesos y duros que las cubiertas

ordinarias anódicas. Por este método se hacen de aleaciones al aluminio de cubierta dura,

como es el caso de las piezas de avión como pistones hidráulicos, rieles, guías, engranes,

tornillos, levas, uniones o articulaciones giratorias y dispositivos que están dispuestos a la

fricción. Este tipo de anodizado puede ser empleado para el magnesio y sus aleaciones. El

anodizado de zinc produce una cubierta que tiene mayor resistencia al desgaste que las

peliculas de cromato.

2.2.1.3 DIFUSION.

La difusión es otra fonna de endurecimiento que se da al cambiar la composición

química de un metal. Se define como:

a) E1 esparcimiento de un constituyente en un gas, líquido o sólido, tendiente a

uniformizar la concentración de todas las partes.

b) Es el movimiento espontáneo de átomos y moiéculas a nuevos sitios dentro de un

material.

Como se vio en los métodos de protección contra el desgaste puede darse por varios

métodos que se explican a continuación.

U.N.AM 70

Desgaste en boquillas. Capítulo ll. Análisis del fenómeno de desgaste.

CARBURIZACION.

Este tipo de endurecimiento superficial es de los más antiguos y económicos. Consiste

en colocar un acero de bajo carbóno (0.2%) en una atmósfera de rnonóxido de carbono a

una temperatura de 900 oC dándose la siguiente reacción:

Fe + 2CO --.. Fe¡c) + CO,

donde Ff(C) representa el carbono disuelto en austenita. En el diagrama de equilibrio hierro

carburo de hierro (mostrado mas adelante en la figura 2.4) en la línea Acm se ve la máxima

cantidad de carbono que puede disolverse en austenita a 900 oC. Se formara una capa de

1.2% de carbono fonnándose en la superficie ya que los átomos de carbono van de afuera

hacia adentro. La rapidez de difusión del carbono en austenita, a una temperatura dada,

depende del coeficiente de difusión y el gradiente de concentración del carbono. Cuando se

conoce la concentración de carbono se puede establecer la cantidad de carbono que se

depositara, así como en que tiempo se hará. Este tiempo puede variar según la profundidad

que se requiera.

La ventaja de este procedimiento es que puede ser reversible y puede darse en una

manera inversa, eliminando carbono de la capa superficiaJ si el acero se calienta en una

atmósfera que contiene dióxido de carbono (COÜ. obteniéndose la siguiente ecuación:

Fe¡C) + O, --<> Fe + CO,

ESto es llamado descarburización que es un problema principalmente en Jos aceros al

alto carbono y los aceros para herramienta. La superficie, carente de carbono, no se

transfonnará a martensita en un tratamiento ulterior, y el acero se dejará con una cubierta

blanda. Para muchas aplicaciones con herramientas, los esfuerzos a que se somete la pieza

en servicio son máximos en la superficie o cerca de ella, de manera que la descarburización

es peligrosa. La descarburización puede prevenirse mediante una atmósfera endotérmica de

gas en el horno, a fin de proteger la superficie del acero de oxígeno, del dióxido de carbono

y del vapor de agua. Una atmósfera en.doténnica de gas se prepara haCiendo reaccionar

mezclas relativamente ricas de aire y de: gas hidrocarburo (por lo general, gas natural) en un

generador calentado extremadamente en presencia de un catalizador de níquel. El gas

producido consta de 40 % de hidrógeno, 40 % de nitrógeno y 20 % de monóxido de

carbono. La carburización comercial puede llevarse a cabo por medio de material sólido de

carburización, gas rico en carbono, y carburización por líquido.

U.N.AM 71

Desgaste en boquillas. Capitulo n. Análisis del fenómenO de desgaste.

Puede darse por gas y por líquido. Por gas consiste en calentar un acero y exponerla a

una atmósfera de gas que contenga carbono, como monóxido de carbonO O algún

hidrocarbono. Por liquido consiste en sumergir la pieza a una solución de ciantJro fundido

para que el carbono se difunda de afuera hacia adentro.

CIANURACION.

Consiste en hacer la superficie de un metal más duro por agregarles carbono y

nitrógeno por medio de baños líquidos de sales a una temperatura de 760 a 870 oC, en las

que se formaran superficies de hasta 0.25 mm, Estas son más delgadas ya que St.I tiempo de

exposición es menor.

El baño de cianuro puede variar dependiendo de la composición y de la temperatura. El

contenido de nitrógeno es más alto en los baños que funcionan en el extremo inferior del

intervalo de temperatura que en aquellos que operan en el extremo superior del intervalo.

La cantidad de carbono lIega a ser del 0.5 al 0.8 %, siendo menor que por carbvflzaCión. Y

un 0.5 % de nitrógeno. Se dispone de diversas mezclas de cianuros para el baila. El baño

común contiene 30 % de cianuro de sodio, 40 % de carbonato de sodio y 30 % de cloruro

de sodio. Esta mezcla tiene un punto de fusión de 620 oC y se conserva estable, en

condiciones de operación continuas. Los agentes activos de endurecimiento de lOs baños de

cianuración, carbono y nitrógeno no se producen directamente del cianurO de sodio

(NaCN). El cianuro fundido se descompone ante la presencia de aire en la· superficie del

baño, para producir cianato de sodio (NaNCo), el cual a su vez se descompone cOmo sigue:

2NaCN + O, --+ 2NaNCO

4NaNCO ->Na,CO, + 2NaCN + CO + 2N

Al aumentar la cantidad de cianuro en el baño aumentara la cantidad de carbono

depositado en la superficie endurecida.

Un acero descarburizarlo puede someterse a un baño de cianuro al 3 % a 840 oC para

restablecer el carbono perdido. Si el porcentaje de cianuro se eleva a un 30 % servirá para

formar una capa de 0.125 mm de espesor para un acero al 0.65 % en un tiempo de 45

minutos, siendo esto útil en partes que requieren una porción eXLerna muy dura. Y delgada,

como torninos, pequeños engranes, tuercas y pernos.

U.N.AM 72

Desgaste en boquiUas. Capítulo ll. Análisis del fenómeno de desgaste.

CARBONlTRURACION.

A diferencia de la cianuración, este procedimiento se da en atmósferas gaseosas, y se

llegan a obtener espesores de la superficie endurecida de 0.03 pulg.

El acero es calentado en la atmósfera gaseosa con contenidos de carbono y nitrógeno,

los cuales serán absorbidos, por esto puede ser conocido como nitrocarburizaci6n, así como

cianuración seca o por gas. Pueden incluirse como gas portador un gas enriquecedor y

amoniaco. Este gas portador consiste en nitrógeno, hidrógeno y monóxido de carbono

producido en un generador endoténnico.

Este gas actúa como una sustancia inerte para los gases activos (hidrocarburos y

amoniaco), yes suministrado a presión positiva, esto sirve para que el proceso pueda ser

controlado facilmente. El gas enriquecedor será la principal fuente de carbono y puede ser

propano o gas natural, mientras que el nitrógeno se suministra por medio de amoniaco

(NH3), el cual se disocia a elevadas temperaturas.

La austenita carbono.nitrógeno es estable a temperaturas inferiores que la austenita al

carbono puro y se transforma con más lentitud al enmarse; por tanto, la carbonitruración se

puede efectuar a temperaturas inferiores y permite rapideces de enfriamiento más lentas

que la carburización en la operación de endurecimiento. Debido al tratamiento a menor

temperatura y al templado en aceite en vez de templado en agua, se reduce la distorsión y

hay menos peligro de que haya fisuras. Este proceso no es tan caro que cuando se carburiza,

ya que el nitrógeno aumenta la capacidad de endurecimiento y se obtienen propiedades

similares. También se ha encontrado que la resistencia de una superficie carbonitrurada al

reblandecimiento durante el revenido es marcadamente mayor que la de una superficie

carburizada.

NITRURACION.

En este proceso se usa amoniaco y amoniaco disociado, de manera similar a la

carbonitruración, pero se omite el carbono. Al variar la formación de nitruros en el acero,

dado que la reacción del nitrógeno con los elementos de: la aleación también puede variar,

dependerá la efectividad de este proceso, a menos que se controle adecuadamente la

temperatura para una buena fonnación de nitruros en el hierro. Los mejores resultados se

obtienen en aquellos aceros que contienen elementos de aleación tales como aluminio,

cromo y molibdeno ya que el nitrógeno formarán nitruros.

U.N.AM 73


El tiempo en que se da la nitruración es muy largo, dependiendo de la profundidad de

la superficie dura que se requiera. La temperatura de reacción es de 500 a 570 oC.

La capa que se fonna por nitruración consta de dos zonas distintas. En la zona exterior,

los elementos que fonnan el nitruro, incluyendo el hiero, se han convertido en nitruros. La

capa blanca muy delgada obtenida mediante este método, generalmente de 0.005 a 0.01 mm

de profundidad aunque puede variar hasta un valor máximo de 0.05 mm. Comúnmente se

conoce como capa blanca, debido a su apariencia después de un ataque químico con rutal

Esta capa blanca es frágil y tiende a astillarse desde la superficie si se tiene un espesor que

exceda 0.0125 mm. Esta capa también tiene buenas propiedades de resistencia al desgaste y

cabe esperar que mejore la resistencia a la corrosión. En la zona por debajo de esta capa

blanca, s610 los nitruros aleados se han precipitado.

Superficies más duras, aproximadamente de 70 Re, se obtienen con aceros aleados al

aluminio, conocidos como nitroaleaciones., que son aceros al medio carbono que contienen

también cromo y molibdeno. También puede aplicarse en aceros inoxidables y aceros para

herramientas destinadas a ciertos fines y aunque con menor dureza a aceros al medio

carbono conteniendo cromo y molibdeno (series AISI 4100, 4300).

El acero generalmente se endurece y reviene entre 590 y 700 oC para producir una

estructura sorbítica de máxima tenacidad en la parte interna y luego nitrurada. Al ser un

proceso a temperaturas bajas no se templa, reduciendo la distorsión aunque si hay un

aumento de tamaño debido al aumento de volumen. Se obtiene una buena resistencia al

desgaste, la cual se mantiene a elevadas temperaturas, también se da una gran resistencia a

la fatiga y a la corrosión, esto solo si no se elimina la capa blanca pero si se nitruran aceros

inoxidables, esta resistencia puede disminuir.

Las desventajas que se pueden tener con este método son los largos ciclos

generalmente requeridos, la fragilidad de la superficie endurecida, el uso de aceros aleados

especiales si se va a obtener dureza máxima, el costo de la atmósfera de amoniaco y el

control técnico requerido.

CROMADO.

Este es un método en el cual el cromo se introduce al metal el cual pueden ser tanto

materiales ferrosos y no ferrosos como el níquel, cobalto, molibdeno y tungsteno. En el

caso de hierro o acero, al combinarse con el cromo, se forma una capa de acero inoxidable,

U.N.A.M 74

Desgaste en boquillas. Capitulo n Análisis del fenómeno de desgaste.

y si el acero contiene grandes cantidades de carbono (superiores al 0.60%),105 carburos de

cromo ,se precipitarán, incrementando la resistencia al desgaste.

La reacción se da a temperaturas de 900 a 1100 oC. Al ser elevadas se pueden originar

deformaciones y crecimiento de grano durante el tratamiento.

Puede ser empleado en troqueles forjados a martinete, herramientas, martinetes

hidráulicos. pistones y ejes para bomba, ya que los aceros cromados de alto contenido de

~no tienen una dureza de 800 a 1000 VJrn, un bajo coeficiente de fricción, resistencia

a la corrosión" y al calor.

SlLlelADO.

Este método se basa en mezclar silicio en una superficie de hierro a temperaturas desde

930 a los 1010 oC. La pieza a cubrir es calentada junto a otra que contiene silicio (como

carburo de silicio) en una atmósfera de doro que servirá como catalizador.

Se obtienen profundidades de 0.12 hasta los 2.5 mm, lo cual variará según la cantidad

de carbono que contenga el material base. Esta capa puede llegar a contener un 14 % de

silicio. Al contar con un bajo coeficiente de fricción y soldado por fricción incrementa la

resistencia al desgaste, por lo que son dificiles de maquinar, aunque la dureza es sólo de 80

a 85 RB. Su uso se puede dar en ejes para bombas, eslabones de transportadores de cadena,

camisas de cilindros, guías de válvulas, válvulas y accesorios para las industrias químicas y

petroleras.

2.2.1.4 TERMORROCIADO.

El termorrociado consiste en la aplicación de un roCÍo de metal atomizado. Un buen

número de metales pueden aplicarse con esta técnica; el grosor de la capa aplicada puede

variar entre 0.5 y 3.0 mm. Un problema que presenta esta técnica es que el recubrimiento es

poroso; sin embargo, esto puede solucionarse aplicando una capa de pintura como sel10 en

los casos que sea factible.

Este método ha recibido mucha atención ya que pueden emplear recubrimientos

metálicos como el zinc y el aluminio en grandes estructuras en campo, en tanto que otras

técnicas sólo es posible aplicarlas en interiores.

Puede definirse como un ténnino general que cubre todos los aspectos de rociado, en el

que materiales metálicos se depositan en condición fundida o semifundida. Los materiales

U.N.AM 75

Desgaste en boquillas. Capítulo rr. Análisis del fenómeno de desgaste.

queque se depositan se encuentran originalmente en forma de polvos o alambres. El

proceso de termorrociado pude subdividirse en tres procesos de rociado: por flama. arco

eléctrico y por plasma.

ROCIADO POR FLAMA.

Este es un proceso donde una mezcla de oxigeno y gas combustible se usa como fuente

de calor. Usualmente, el combustible es acetileno, aunque también el propano y el

hidrógeno son comunes. En el rociado de alambre y, en algunos casos, en el de polvos, se

usa aire a presión para proyectar el material hacia el sustrato. El procesó de rociado por

flama se subdivide a su vez en tres técnicas: alambre, polvo y detonación.

Rociado con alambre (wire llame spray).

En este proceso, se alimenta alambre metálico a través de una pistola de construcción

especial. La combustión de la mezcla oxígeno~acetileno funde el alambre, entonces, el

alambre es atomizado en pequeñas gotas (por un flujo de aire u otro gas) que son

depositados en un estado semifundido sobre la superficie que se va a recubrir. Las

partículas semifundidas se solidifican inmediatamente que impactan la superficie que se

recubre.

Rociado en polvo.

En este proceso el metal O cerámico en polvo se utiliza en lugar del alambre, el polvo

es normalmente suministrado por un alimentador de polvos o un contenedor abierto por la

base, dentro de un flujo de aire comprimido o gas, que suspende y entrega el material a la

flama (mezcla oxígeno-acetileno), donde se calienta a un estado fundido o semifundido y.

entonces, se enVÍa hacia la pieza de trabajo para formar el recubrimiento.

Pistola de detonación (pistola D).

Este es un proceso que utiliza una pistola especial con una cámara en la que se

introduce el material de recubrimiento y una combinación determinada de gas (oxígeno,

nitrógeno y acetileno). Entonces, la chispa, a periodos determinados, detona la mezcla,

creando un fluido de gas ca1iente con alta velocidad que proyecta violentamente el material

fundido a muy altas velocidades áesde la pistola. Mediante una serie de explosiones, se

deposita el recubrimiento sobre el sustrato. Una limitación de este proceso es que no puede

aplicarse en campo.

u. N. A. M. 76


ROCIADO POR ARCO ELEClRICO.

Este proceso emplea material en forma de alambre y como fuente de calor, se crea un

arcO de alto voltaje y se mantiene entre las puntas de dos electrodos consumibles, conforme

los electrodos se funden un gas comprimido (generalmente aire) se usa para proyectar el

material hacia el sustrato.

ROCIADO POR PLASMA (PLASMA SPRA YlNG).

En este proceso, el gas del plasma es la fuente de calor y el agente impulsor. Se usa una

corriente eléctrica para producir un arco de alto voltaje que excita el gas que [onnará el

plasma. El arco se mantiene entre un ánodo, llamado boquilla, y un cátodo, llamado

electrodo. La entrada de gases tales como nitrógeno, argón, hidrógeno y helio produce el

arco de excitación fonnando la flama de plasma. La flama muy caliente se fuerza a pasar

por una boquilla convergente divergente para formar un plasma de alta velocidad. Con alta

energia, se introducen polvos metálicos o cerámicos para producir el recubrimiento.

Dentro de los materiales que pueden ser aplicados están el cromo, bronce aluminio, o

aleaciones silicio-aluminio, aleaciones Ni-Cr-B, las aleaciones con alto contenido de Co y

las mezclas de carburo de tungsteno y cobalto en una matriz de Cr-Ni autofundentes.

También el molibdeno puede ser aplicado. El molibdeno se adhiere a casi todos los aceros y

a muchos otros metales y aleaciones, pero no se enlazará al cobre. al latón, al bronce o a los

aceros nitrurados. Las cubiertas de molibdeno combinan una superficie de desgaste dura

con buena adhesión, tienen una buena resistencia al desgaste y a la abrasión.

2.2.1.5 REVESTIMIENTO DURO.

Consiste en recubrir una superficie dañada por medio de soldadura, por ]0 que es muy

fácil de aplicar, solo se requieren de electrodos de la aleación requerida y puede ser por

oxiacetileno o arco eléctrico. Las ventajas de este método son:

a) Puede aplicarse a áreas específicas que se someten al desgaste.

b) Estan disponibles compuestos duros y resistentes al desgaste.

e) Proporciona el uso efectivo de aleaciones caras y una protección a fondo.

Con este método se forman recubrimientos uniformes que pueden colocarse más

precisamente, en tanto que las rapideces de calentamiento y enfriamiento son más lentas. Es

un método económico y fácil de aplicar. Aquí, se funden los electrodos sobre el material

U.N.AM. 77

Desgaste en boquillas. Capítulo U. Análisis del fenómeno de desgaste.

base y ligándose, y pudiéndose formar capas desde 1.5 hasta 6.3 mm de espesor. Al

soldarse solo se calienta la superfici.e del metal base, evitando un cambio en la estructura

del interior y se pueden aplicar a casi todos los metales ferrosos y los aceros al carbono son

relativamente fáciles de revestir en esta forma, sobre todo para aquellos con menos de

0.35% de carbono. Para las aleaciones no ferrosas con un punto de fusión por debajo de los

1100 oC no es aconsejable aplicar este método, como es el caso del cobre, latón y bronce,

pero JX>r otra parte el manci puede revestirse üicilrnente. Los revestimientos con más

dureza son los de carburo de tungsteno por lo que tienen mayor resistencia la desgaste, por

lo que tienen un costo mayor. Los hierros al alto cromo contienen del 17 al 32 % de cromo

están disponibles en diferentes composiciones. Esta capa revestida adquieren mejor

resistencia al desgaste, al calor y la corrosión que cuando se depositan, por difusión o por

endurecimiento con flama. Existen más de 150 composiciones diferentes, que van desde

aceros con sólo 2% de aleación total hasta aleaciones de base niquel y base cobalto y

carburo de tungsteno. En la tabla 2.4 se muestra una clasificación simplificada de

. revestimientos duros, aleados y resistentes al desgaste.

Tabla 2.4. Serie clasificada de aleaciones resistentes al desgaste.

Tenacidad + Resistencia a la abrasión l. Carburo de tungsteno.

2. Hierros al alto cromo. 3. Hierros martensíticos.

4. Aleaciones de base cobalto.

5. Alea¡;iones de base cobalto.

6. Aceros martensíticos. 7. Aceros perliticos. 8. 9. Aceros austeniticos.

Aceros inoxidables. Aceros al manganeso.

+ Tenacidad Resisten¡;ia a la abrasión

u. N. A.M

Máxima resistencia a la abrasión; las superficies gastadas hacen ásperas. Excelente resistencia a la erosión y a la oxidación. Excelente resistencia a la abrasión y resistencia compresiva. Resisten¡;ia a la oxidación, resistencia en caliente y a la {lueO( Resistencia a la corrosión, pueden tener resistencia a corrosión J a la fluencia. Buenas combinaciones de resistencia a la abrasión y de cal aplicadas con impacto; buena resistencia compresiva. No costosos; regular resistencia a la abrasión y a cal aplicadas con impacto. Endurccibles por trabajado. Resistencia a la corrosión. Máxima tenacidad con regular resistencia a la abrasión~ bu resistencia al desgaste metal-metal bajo cargas aplicadas im~acto.

78

Desgaste en boquillas. • Capitulo II. Análisis del fenómeno de desgaste.

2.2.1.6 INMERSION EN CALIENTE.

Esta técnica de inmersión en caliente consiste en sumergir la pieza a recubrir en un

baño que contiene el recubrimiento líquido. Un ejemplo es el recubrimiento con zinc del

acero; conocido como galvanizado. Los recubrimientos formados por inmersión caliente

son bastante dúctiles.

Esta técnica se aplica cuando se necesita un recubrimiento grueso y cuando la

geometría de la pieza es sencilla o cuando la uniformidad del grosor del recubrimiento no

es muy importante.

2.2.1. 7 N1QUEL ELECTROLESS.

Esta técnica consiste en aplicar un recubrimiento de una aleación de niquel-fósforo. No

se requiere de un ánodo o equipo eléctrico. Una de las principales características de esta

técnica es el alto grado de uniformidad del recubrimiento. Esto se debe que en una

adecuada superficie catalizada, el potencial en la reducción química es constante en todos

los puntos sobre la superficie. Una ventaja de esta técnica es que se pueden platinar objetos

de forma irregular o interiores de tubos. La resistencia a la corrosión de materiales

recubiertos con esta técnica es superior que con otras técnicas debido a:

a) La uniformidad del recubrimiento, lo que elimina la necesidad de un sobreplatinado.

b) La virtual ausencia de porosidad que se logra con esta técnica.

e) La naturaleza amorfa del recubrimiento.

d) La gran resistencia a la corrosión.

e) Cuenta con una gran adherencia al metal base.

f) Gran resistencia a medios alcalinos.

Mientras que las desventajas son:

a) Con el aumento en la temperatura (alrededor de 400 oC) empieza a perder resistencia a

la corrosión debido a que el recubrimiento empieza a adquirir una estructura cristalina.

b) La solución es muy inestable por lo que requiere un control muy riguroso.

Debido a su resistencia al desgaste y a la erosión, este proceso se aplica en acero,

aluminio, titanio, hierro, latón y materiales no metálicos. Existen aplicaciones para

u. N. A. M. ESTA TlE§][§ NO §.AJI...E DlE lLAlBKJBUOTlECA

79

Desgaste en boquillas. Capitulo JI. Análisis del fenómeno de desgaste.

componentes en sistemas hidráulicos, industria nuclear y en equipo de procesos

quimicos, como tanques, bombas, filtros, intercambiadores de calor los cuales son

protegidos con este método.

2.2.2 TEMPLADO.

El temple es un método que sirve en aceros para herramientas para aumentar la dureza,

resistencia al desgaste y resistencia mecánica. Después de este tratamiento se aplica un

revenido.

2.2.2.1 TEMPLE NORMAL.

DE AUSTENlTIZACION COMPLETA .

. Este tipo de temple se aplica a los aceros hipoeutectoides, en el cual se calentará a unos

10 oC encima de la crítica superior A .. y se mantendrá así hasta que todo el material se haya

transformado en austenita. Su enfriamiento se hará en agua, aceite, salmuera, aire, etc, pero

este debe de ser a una velocidad superior.3 la crítica. Se identifica porque al final del

temple el unico constituyente es martensrta.

DE AUSTENITIZACION INCOMPLETA

Se aplica también a los aceros hipereutectoides. Aquí se calienta el acero a una

temperatura superior a la crítíca de 720 oC por unos 50 mino hasta que se transforme la

perlita en austenita para que con un enfriamiento a velocidad crítica se transforme en

martensita, siendo el único constituyente formado, junto con la cementita que no sufre

ning6n cambio.

2.2.2.2 TEMPLADO INTERRUMPIDO.

EN AGUA Y ACEITE.

En este templado el acero se enfría primero con agua para rebasar la velocidad critica

y posteriurmente en aceite para disminuir esa velocidad. Con esto, la austenita se

transfonna en manensita. Este tipo de enfriamiento evita tensiones en el interior de la pieza,

las que causan deformaciones y grietas, con esto la superficie tiene mayor dureza que el

interior de la pieza.

U.N.A.M 80

Desgaste en boquillas. Capítulo 11. AnáJísis del fenómeno de desgaste.

EN AGUA Y AIRE.

Este temple es igual que el anterior, la única diferencia es que el segundo medio con el

que se enfría la pieza es con aire.

2.2.2.3 TEMPLADOS ISOTERMlCOS.

AUSTEMPERlNG (DIFERIDO O BAlNlTlCO).

Este es un método isotérmico método se usa para tratar pequeñas piezas o herramientas

de acero al carbono de 0.5 a 1.2 % de e o que sean de baja aleación. Aquí se forma la

austenita a temperatura constante. Para aceros hipereutectoides se calientan por encima de

su temperatura crítica que es A3 Ó Al y se enfría a una velocidad mayor a la crítica hasta

una temperatura por encima de Ms ,para que se comience a formar la martensita. Esto es de

482 a 1022 0F. La austenita se transformará a bainita hasta que sea el único constituyente.

Si la velocidad de enfriamiento no es la suficiente la austenita se transfoffilará en perlita. En

este tipo de temple no se producen tensiones internas y grietas las cuales si se dan en los

demás temples martensiticos, además de que se incrementa la tenacidad aunque la dureza es

similar a la conseguida con los otros métodos.

MARTEMPERlNG (MARTEMPLADO).

Es utilizado para tratar engranes, troqueles, pistas de cojinetes de boja, etc. También es

otrO tratamiento isotermico. Los aceros hipereutectoides se calientan por encima de su

temperatura crítica que es A) Ó Al y a diferencia del austempering, la pieza se enfria a una

velocidad mayor a la crítica hasta una temperatura ligeramente por encima de M", que es de

200 a 300 oc. Se espera a que la pieza tenga una temperatura constante manteniéndola en el

baño adecuado pero sin prolongarlo para que no cause una transformación isoténnica. A

continuación la pieza se enfría con aire y se somete a un revenido. Al final se obtiene

martensita revenida. Este método sirve para evitar deformaciones y tensiones.

2.2.2.4 TRATAMIENTOS TERMICOS SUPERFICIALES.

En este tipo de tratamientos no cambia la composición química del acero, ya que sólo

se endurece la superficie un cierto espesor. Las superficies se calientan en el intervalo de

austenita y luego se templan para formar martensita y es conveniente aplicarlo a aceros con

cantidades de carbono de 0.30 a un 0.60 % de C.

u. N. A. M. 81

Desgaste en boquillas. Capitulo 11. Aruilisis del fenómeno de desgaste.

ENDURECIMIENTO POR INDUCCION.

En este tratamiento se calienta el metal por corrientes inducidas bajo la acción de un

campo magnético de alta frecuencia por medio de una bobina en donde se introduce la

pieza. Cuando la corriente alterna pasa por la bobina de trabajo se forma un campo

magnético de alta frecuencia. El calentamiento se da ya que el metal opone resistencia al

paso de estas corrientes las cuales viajan por la superficie del metal, conocido como efecto

de piel, con esto se logra que solo se caliente la superficie del metal. Se debe de tener un

control del tiempo ya que el calor puede pasar al centro de la pieza por conducción. La

superficie del metal se calienta instantáneamente a una profundidad que será igual a la raiz

cuadrada de la frecuencia, la cual generalmente se utilizan de 10000 a 500000 Hz. A

diferencia del endurecimiento por flama. aqui se logran superficies más delgadas. En aceros

de baja aleación se endurecen fácilmente y con un poco profundidad pero para altas

aleaciones la temperatura aumenta. Para los aceros aleados se pueden emplear temperaturas

de 40 a 100 oC mas que por otro método sin que el grano crezca excesivamente. Se pueden

tratar variI1as para pistones, flechas para bomba, engranes para rueda dentada y levas.

ENDURECIMIENTO POR FLAMA.

En este tipo de tratamiento el calor es suministrado por medio de soplete de

oxiacetileno el cual puede variar en su forma. Para controlar el proceso se gradúa la

intensidad de la flama, el tiempo de y la velocidad del recocido. Un sobrecalentamiento

forma fisuras y crecimiento de grano en la región interior de la zona endurecida. Una vez

caliente la pieza se somete a un baño de agua, aceite o en algunos casos con aire. Ya tratada

la pieza se tiene que volver a calentar ~e 350 a 400 ~ para liberar esfuerzos y se enfría con

aire. La superficie endurecida suele ser más profunda que por carburización y va de 3.17 a

6.35 mm pero si se aumenta la velocidad de calentamiento y templado se pueden conseguir

superficies de 1.5 mm. Es un método muy práctico ya que puede aplicarse a piezas grandes.

Sus desventajas son que se puede obtener un sobrecalentamiento, dañando la pieza entera y

que es dificil obtener capas menores a 1.5 mm.

U.N.AM. 82

Desgaste en boquillas. Capitulo U. Análisis del fenómeno de desgaste.

2.2.1 ALEACIONES.

Un acero es una aleación de base hierro, maleable en algun intervalo de temperatura a

que fue inicialmente fundida; contiene manganeso, generalmente carbono y a menudo otros

elementos de aleación. En acero de baja aleación. el maximo contenido de carbono es del

2 % aproximadamente; en acero de alta aleación del 2.5 %. La linea de separación entre

aceros de baja aleación y a~ros de alta aleación, se considera generalmente como deIS %

de elementos metalicos de aleación, se considera generalmente corno deiS % de elementos

metálicos.

El acero es clasificado por su forma de manufactura, uso y composición química. Este

último método muestra en un sistema numérico los elementos aleantes y es el mas

conocido.

Los elementos pueden variar las características mecánicas, fisicas y químicas como:

a. Aumentar la templabilidad.

b. Mejorar la resistencia a temperaturas comunes.

c. Mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a bajas temperaturas.

d. Mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resistencia mínima.

e. Aumentar la resistencia al desgaste.

f Aumentar la resistencia a la corrosión.

g. Mejorar las propiedades magnéticas.

Las especificaciones para los aceros pueden ser representados según la American lron

and Steellnstitute (AISI) y por la Society of Automotive Engineers (SAE), en los cuales el

primero de los cuatro o cinco dígitos de la designación numérica indica el tipo a que

pertenece el acero. De este modo, 1 indica un acero al carbón, 2, un acero al níquel, 3, un

acero al níquel cromo, etc. En el caso de acero de aleación simple, el segundo dígito indica

el porcentaje aproximado del elemento predominante en la aleación. Los dos o tres últimos

dígitos generalmente indican el contenido de carbón medido dividido entre 100. También,

en el caso de la AIS1, se puede incluir un prefijo para poder indicar el proceso de

manufactura empleado en la producción del acero. Las especificaciones SAE emplean las

mismas designaciones numéricas de cuatro dígitos que las AISI, pero eliminando todos los

prefijos literales.

u. N. A. M. 83

Desgaste en boquillas. ülpituJo 11 i\nilisis del fenómeno de desgaste.

A continuación se muestran los números básicos para la serie de cuatro dígitos de los

diversos grados de aceros al carbono y de aleación con porcentajes aproximados de

elementos.

IOXX Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y bessemer ácidos.

IIXX Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y bessemer ácidos, azufre alto, fósforo

bajo.

12XX Aceros al carbono: básicos de hogar abierto, azufre alto, fósforo alto.

13XX Manganeso 1. 75.

23XX Niquel3.50 (eliminada).

25XX Níquel 5.00 (eliminada).

31XX 1.25 y cromo 0.6 (eliminada).

33XX Niquel3.50 y cromo 1.50 (eliminada).

40XX Molibdeno 0.20 Ó 0.25.

41XX Cromo 0.50,0.80, Ó 0.95 y molibdeno 0.12, 0.20 Ó 0.30,

43XX NiqueI 1.83, cromo 0.50 Ó 0.80 y molibdeno 0.25.

44XX Molibdeno 0.53.

46XX Niquel 0.85 Ó 1.83 y molibdeno 0.20,0.20 Y 0.30.

47XX Niquell.05, cromo 0.45 y molibdeno 0.20 Ó 0.35.

48XX Niquel3.50 y molibdeno 0.25.

50XX Cromo 0.40.

51X,X Cromo 0.80.0.88,0.93,0.95 Ó 1.00.

5XXX Carbono 1.04 y cromo 1.03 Ó 1.45.

61XX Cromo 0.60óo.95 y vanadio 0.13 Ó 0.15 mino

86XX Niquel 0.55, cromo 0.50 y molibdeno 0.20.



92XX Silicio 2.00.

93XX Niquel 3.25, cromo 1.20 y molibdeno 0.12 (eliminada).

98XX Niquel LOO, cromo 0.80 y molibdeno 0.25 (eliminada).

94BX Niquel 0.45, cromo 0.40 molibdeno 0.12 y boro 0.0005 mino

U. N. A. M. 84

Desgaste en boquillas. Capirulo 11. AnáJisis del fenómeno de desgaste.

• TIPOS DE ACEROS.

Para poder estudiar mejor los aceros se hizo la siguiente clasificación, dependiendo del

elemento con el que sea aleado.

2.2.3.1 Aceros al carbono.

2.2.3.2 Aceros aleados.

2.2.3.3 Aceros inoxidables.

2.2.3.4 Aceros para herramientas.

2.2.3.1 ACEROS AL CARBONO.

Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama

hierro-carburo de hierro en dos partes. Aquellas aleaciones que contienen menos del 2 % (y

sólo cantidades residuales de otros elementos, excepto aquellos agregados para

desoxidación, con silicio generalmente limitado a 0.60 % Y manganeso a aproximadamente

1.65 %) Y aquellas que contienen mas del 2 % de carbono se conocen como hierros

fundidos. El intervalo de acero se subdivide aún mas en base al contenido de carbono

eutectoide (0.8 % de e). Los aceros que contienen menos del 0.8 % de e se llaman aceros

hipoeutectoides, en tanto que los que contienen de 0.8 a 2.0 % de e se llaman aceros

hipereutectoides. El intervalo de hierro fundido también puede subdividirse por el

contenido de carbono eutéctico (4.3 % de C). Los hierros fundidos que contienen menos del

4.3 % de e se conocen como hierros fundidos hipoeutecticos, en tanto que los que

contienen mas del 4.3 % de e se llaman hierros fundidos hipereutécticos.

En la tabla 2.4 se muestran algunas especificaciones para aceros al carbono para

maquinar y en la figura 2.4 se muestra dicha clasificación con ayuda del diagrama de

equilibrio hierro-carburo, así como sus principales estructuras.

U.N.AM 85

Desgaste en boquillas. Capitulo 11. Aruilisis del fenómeno de desgaste.

Tabla 2.4. Especificaciones de acero estándar representativo.

AISI O/OC %Mn %Pmáx %Smáx I SAE ACEROS AL CARBONO

CIOIO 0.08-0-13 0.30-0.60 0.04 0.05 1010 CI015 0.13-0.18 0.30-0.60 0.04 0.05 1015 CI020 0.18-0.23 0.30-0.60 0.04 0.05 1020 CI025 0.23-0.28 0.30-0.60 0.04 0.05 1025 CI030 0.28-0.34 0.60-0.90 0.04 0.05 1030

CI035 0.30-0.38 0.60-0.90 0.04 0.05 1035 CI040 0.37-0.44 0.60-0.90 0.04 0.05 1040 CI045 0.43-0.50 0.60-0.90 0.04 0.05 1045 CI050 0.48-0.55 0.60-0.90 0.04 0.05 1050 CI055 0.50-0.60 0.60-0.90 0.04 0.05 1055

CI060 0.55-0.65 0.60-0.90 0.04 0.05 1060 CI065 0.60-0.70 0.60-0.90 0.04 0.05 1065 CI070 0.65-0.75 0.60-0.90 0.04 0.05 1070 CI075 0.70-0.80 0.50-0.80 0.04 0.05 1075 CI080 0.75-085 0.60-0.90 0.04 0.05 1080

CI085 0.80-0.93 0.70-1.00 0.04 0.05 1085 CI090 0.85-0.98 0.60-0.90 0.04 0.05 1090 CI095 0.90-1.03 OJO-0.50 0.04 0.05 1095

ACEROSDEMA JUINADO LIBRE BI1I2 0.13 máx. 0.70-1.00 0.07-0.12 0.16-0.23 1112 BI1I3 0.13 máx. 0.70-1.00 0.07-0.12 0.24-0.33 1113 CIliO 0.08-0.13 0.30-0.60 0.04 0.08-0.13 CI1I3 0.10-0.16 1.00-1.30 0.04 0.24-0.33 CI1I5 0.13-0.18 0.60-0.90 0.04 0.08-0.13 1115

C1120 0.18-0.23 0.70-1.00 0.04 0.08-0.13 1120 CI137 0.32-0.39 1.35-1.65 0.04 0.08-0.13 1137 C1141 0.37-0.45 1.35-1.65 0.04 0.08-0.13 1141 CI212 0.13 máx. 0.70-1.00 0.07-0.12 0.16-0.23 1212 CI213 0.13 máx. 0.70-1.00 0.07-0.12 0.24-0.33 1213

U.N.A.~ 86

Desgaste en boquillas. Capítulo 11. Análisis del fenómeno de desgaste.

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Figura 2.4. Diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro.

2.2.3.2 ACEROS ALEADOS.

Un acero aleado contiene cantidades moderadas de elementos de aleación (distintos del

carbono, manganeso, silicio, azufre, fósforo, etc.) con el fin de efectuar cambios en las

propiedades mecanicas o fisicas.

Algunos de las aleaciones mas importantes son:

ACEROS AL N1QUEL (SERlE 2XXX).

Este es uno de los elementos de aleación mas viejos, tiene ilimitada solubilidad en

hierro gamma y es altamente soluble en ferrita, por lo que aumenta la resistencia y la

tenacidad, también disminuye las temperaturas criticas del acero, amplía el intervalo de

temperatura para un tratamiento térmico exitoso, retarda la descomposición de la austenita

y no formar carburos. Reduce el contenido de carbono del eutectoide, por lo tanto la

U. N.A.M 87

Desgaste en boquillas. Capitulo II. Análisis del fenómeno de desgaste.

estructura de los aceros no endurecidos al níquel contiene mayor porcentaje de perlita que

los aceros al carbono tratados de manera similar.

Los aceros al 3.5 % de níquel (serie 23XX) con bajo contenido de carbono se emplean

extensivamente para carburizar engranes de transmisión, tomillos de bielas, etc. Los que

tienen un 5 % de níquel (serie 25XX) proporcionan mayor tenacidad y se utilizan para

aplicaciones de trabajo pesado, como engranes para camiones, levas y cigüeñales.

ACEROS AL CROMO (SERIE 5XXX).

El cromo es menos costoso además de que tiene alta dureza y buena resistencia al

deterioro. Puede ser soluble hasta en un 13 % en hierro gamma y tiene solubilidad limitada

en ferrita aJfa.

Estos aceros contienen entre 0.15 y 0.64 % de carbono y de 0.70 a 1.15 % de cromo.

La presencia del cromo aumenta la resistencia al desgaste de la superficie endurecida, pero

la tenacidad en la parte interna nO es tan alta como en los aceros al níquel. Al medio

carbono, estos aceros son endurecibles en aceite y se utilizan para resortes, tomillos para

motores, pernos, ejes, etc. Un acero ajeado 52100 al alto carbono (1%) y al alto cromo

(1.5%) se caracterizan por la gran dureza y resistencia al desgaste.

ACEROS AL NIQUEL-CROMO (SERIE 3X-XX).

Este acero mantiene una proporción de 2.5 de níquel con una de cromo. Al alearse,

también se combinan algunas características de cada uno; el níquel aumenta la tenacidad y

ductilidad, mientras que el cromo da mejor templabilidad y resistencia al desgaste. En los

aceros aleados al níquel-cromo se carburan cuando son de bajo carbono. El cromo

proporciona la resistencia al desgaste de la superficie endurecida, mientras que ambos

elementos de aleación mejoran la tenacidad en la porción interna. Su variación en el

contenido de niquel y cromo dependerá de su utilidad, la cual puede ser para pernos de

pistón, flechas, levas, etc.

ACEROS AL MANGANESO (SERIE 31 XX).

Se considera como acero aleado cuando está presente con más de un 0.80 %. Este

aleante reduce la fragilidad cuando se trabaja en caliente, cuando existe azufre, también

sirve como desoxidador y se encuentra en la mayoría de los aceros. Contribuye a la dureza

principalmente cuando se cuenta con carbono. Los aceros aJ manganeso de grano fino

cuentan con gran tenacidad y resistencia, por lo que se utilizan en engranes, pero si se le

U.N.A.M 88

Desgaste en boquillas. Capítulo 11. Análisis del fenómeno de desgasle.

agrega vanadio puede ser forjado. Este acero al normalizarse puede tener propiedades

semejantes a las del un acero al carbono puro luego de un temple y revenido. Si es tratado

térmicamente podrá tener gran resistencia, ductilidad y una buena resistencia al desgaste.

Es un material relevante para resistir condiciones severas de servicio, en las que se presenta

abrasión y desgaste como el presente en excavadoras mecánicas y maquinaria para

esmerilar y triturar. Cuando es austenítico, y luego de un enfriamiento nipido no es muy

duro pero al ser sometido a impactos su dureza se eleva, esta dureza se debe a su capacidad

de endurecerse con el trabajo en frío y a la transformación de austenita en martensita.

ACEROS AL MOLIDDENO (SERIE 4XXX).

Es un fuerte formador de carburos aunque tiene una solubilidad limitada en hierros y y

a. Al igual que el cromo, este aleante hace que se tenga mayor dureza y resistencia a

elevadas temperaturas. Puede ser carburizado para mejorar la resistencia al desgaste en su

superficie y da tenacidad en el interior. Estas aleaciones, con bajo contenido de carbono no

son utilizadas en condiciones extremas, pero al aumentar el carbono pueden servir para

resortes de suspensión, así como muelles.

ACEROS AL TUNGSTENO.

Es un buen formador de carburo y tiene gran templabilidad. Su efecto es similar al del

molibdeno. AJ ser relativamente caro no es factible su uso, a menos que se emplee en

aceros para herramientas.

ACEROS AL VANADIO.

Tiene un marcado efecto sobre la templabiJidad y aporta grandes propiedades

mecánicas con el solo enfriamiento con aire. Con tan solo un 0.05 % se pueden obtener

piezas fundidas uniformes y de grano fino. Es el aleante más caro pero es usado para forjas

de locomotoras y maquinaria. Con poco contenido de carbono son usados para la

manufactura de pernos y cigüeñales. Con medio contendido de carbono tienen buena

tenacidad y resistencia, empleándose para ejes y resones. Cuando tienen un alto contenido

de carbono son usados en cojinetes y herramientas.

ACEROS AL SILICIO (SERIE 92XX).

Sirve como desoxidador y es de los más baratos. Se considera acero al silicio cuando se

tiene más del 0.06 %. Se disuel\'e en ferrita, por lo que su resistencia y tenacidad aumentan.

Puede tener un alto punto de cedencia cuanto se encuentra de 1 a 2 %, pero con un 3 % de

u. N. A. M. 89


silicio y menos del 0.01 % de carbono se obtienen buenas propiedades magnéticas. Si es

combinado con manganeso se puede obtener una gran resistencia, ductilidad y tenacidad

siendo utilizado en resortes, punzones y cinceles.

En la tabla 2.5 se muestran algunas especificaciones para aceros aleados.

Tabla 2.5. Especificaciones de acero aleado representativo.

AISI %C %Mn %Ni %Cr %Mo %V SAE TIPO 1330 0.28-0.33 1.60-1.90 1330 Aceros al 1340 0.38-0A3 1.60-1.90 1340 Mn.

2317 0.15-0.20 OAO-0.60 3.25-3.75 2317 Aceros al 2330 0.28-0.33 0.60-0.80 3.25-3.75 2330 3% de Ni.

E2512 0.09-0.14 OA5-0.60 4.75-5.25 2515 Aceros al 2515 O. 12.{). 17 OAO-0.60 4.75-5.25 5% de Ni

3115 0.13-0.18 0.40-0.60 1.10-1.40 0.55-0.75 3115 Aceros al 3130 0.28-0.33 0.60-0.80 1.10-1.40 0.55-0.75 3130 Ni-Cr 3140 0.38-0.43 0.70-0.90 1. 10-1.40 0.55-0.75 3140

E3310 0.08-0.13 0.45-0.60 3.65-3.75 1.40-1.75 3310

4023 0.20-0.25 0.70-0.90 0.20-0.30 4023 Aceros al 4037 0.35-0AO 0.70-0.90 0.20-0.30 4037 Mo 4419 0.18-0.23 OA5-0.65 0.45-0.60 4419

4118 0.18-023 0.70-0.90 0.40-0.60 0.08-0.15 4118 Aceros al 4130 0.28-0.33 OAO-0.60 0.80-1.10 0.15-0.25 4130 er-Mo. 4140 0.38-0.43 0.75-1.00 0.80-1.10 0.15-0.25 4140 4150 OA8-0.53 0.75-1.00 0.80-LlO 0.15-0.25 4150

4320 0.17-0.22 0.45-0.60 1.65-2.00 0.40-0.60 0.20-0.30 4320 Aceros al 4340 0.38-0.43 0.60-0.80 1.65-2.00 0.70-0.90 0.20-0.30 4340 Ni-er 4720 0.17-0.22 0.50-0.70 0.90-1.20 0.35-0.55 0.15-0.25 4720 Mo.

4620 0.17-0.22 0.45-0.60 1.65-2.00 0.20-0.30 4620 Aceros al 4626 0.24-0.29 0.45-0.65 0.70-1.00 0.15-0A5 4626 Ni-Mo. 4820 0.IS-0.23 0.50-0.70 3.25-3.75 0.20-0.30 4820

5120 0.17-0.22 0.70-0.90 0.70-0.90 5120 Aceros al 5130 0.28-0.33 0.70-0.90 0.80-1.10 5130 er. 5140 0.38-0.43 0.70-0.90 0.70-0.90 5140 5150 0.4S.{).53 0.70-0.90 0.70-0.90 5150

E52100 0.95-1.10 0.25-0.45 1.30-1.60 52100

U.N.AM. 90

Desgaste en boquillas. Capilulo H. Análisis del fenómeno de desgaste.

6118 0.16-0.21 0.50-0.70 0.50-0.70 0.12 6118 Aceros al 6150 0.48-0.53 0.70-0.90 0.80-1.10 0.15 6150 Cr-V.

8620 0.18-0.23 0.70-0.90 0.40-0.70 0.40-0.60 0.15-0.25 8620 Aceros 8630 0.28-0.33 0.70-0.90 0.40-0.70 0.40-0.60 0.15-0.25 8630 al bajo 8640 0.38-0.43 0.75-1.00 0.40-0.70 0.40-0.60 0.15-0.25 8640 Ni-Cr-

Mo. 8720 0.18-0.23 0.70-0.90 0.40-0.70 0.40-0.60 0.20-0.30 8720 Aceros 8740 0.38-0.43 0.75-1.00 0.40-0.70 0.40-0.60 0.20-0.30 8740 al bajo 8822 0.20-0.25 0.75-1.00 0.40-0.70 0.40-0.60 0.20-0.30 8822 Ni-Cr-

Mo. 9269 0.59-0.64 0.75-1.00 1.80-2.20 9269 Aceros al

Si. E9310 0.08-0.13 0.45-0.65 3.00-3.50 1.00-1.40 0.08-0.15 9310 Aceros 9840 0.38-0.43 0.70-0.90 0.85-1.15 0.70-0.90 0.20-0.30 9840 al alto 9850 0.48-0.53 0.70-0.90 0.85-1.15 0.70-0.90 0.20-0.30 9850 Ni-Cr-

Mo. 94B30 0.48-0.53 0.70-0.90 0.85-1.15 0.70-0.90 0.20-0.30 94B30 Aceros al

Boro.

Como se puede ver a lado derecho de la tabla anterior. existen varios tipos de aceros.

diferenciándose según el elemento al que se le alee y cada uno aporta elementos

específicos, como se muestra en la tabla que sigue:

Tabla 2.6. Efectos especificas de los elementos de aleación en el acero.

ELEMENTO FUNCIONES PRINCIPALES Aluminio. 1. Desoxida eficazmente.

2. Restringe el crecimiento de grano (por deformación de óxidos o nitruros dispersos).

3. Elemento de aleación en la nitruración del acero. Cromo. 1. Aumenta la resistencia a la corrosión y a la oxidación.

2. Aumenta la templabilidad. 3. Añade alguna resistencia a altas temperaturas. 4. Resiste la abrasión y al desgaste (con alto contenido de

carbono). Cobalto. 1. Contribuye a conservar la dureza al rojo, endureciendo la

ferrita. Fósforo. 1. Aumenta la resistencia del acero al bajo carbono.

2. Aumenta la resistencia a la corrosión. 3. Mejora la maquinabilidad en los aceros de cortado libre

(aceros rápidos). Manganeso. 1. Contrarresta la fragilidad debida al azufre.

U.N.A.~ 91

Desgaste en boquillas. Capilulo Il. Análisis del fenómeno de desgaste.

Molibdeno. l. Eleva la temperatura del inicio de crecimiento del grano de la austenita.

2. Profundiza el endurecimiento. 3. Contrarresta la tendencia a la fragilidad por revenido. 4. Aumenta la resistencia a alta temperatura, a la fluencia y a

la dureza al rojo. 5. Mejora la resistencia a la corrosión en aceros inoxidables. 6. Forma partículas resistentes a la abrasión.

Níquel. l. Hace resistentes los aceros no templados o recocidos. 2. Hace tenaces los aceros perlítico-ferriticos (especialmente

a baja temperatura). 3. Austeniza las aleaciones de hierro al alto cromo.

Silicio. l. Se emplea como desoxidador de propósito general. 2. Elemento de aleación para láminas eléctricas y magnéticas. 3. Mejora la·resistencia a la corrosión. 4. Aumenta la templabilidad de los aceros que no tienen

elementos grafitizadores. 5. Hace resistentes los aceros de baia aleación.

Titanio. l. Fija el carbono en partículas inertes. a) Reduce la dureza martensitica y la templabilidad en

aceros al cromo medio. b) Previene la formación de austenita en aceros al alto

cromo. e) Previene el agotamiento localizado de cromo en aceros

inoxidables durante un largo calentamiento. Tungsteno. l. Forma panículas duras y resistentes a la abrasión en aceros

para herramientas. 2. Promueve la dureza V la resistencia a altas ternDcraturas.

Vanadio. l. Eleva la temperatura de inicio de crecimiento del grano de la austenita (promueve el grano fino).

2. Aumenta la tcmplabilidad (cuando está disuelto). 3. Resiste el revenido y produce un marcado endurecido

secundario.

2.2.3.3 ACEROS INOXIDABLES.

Son resistentes a la corrosión debido a que cuentan con una película delgada adherente,

estable de óxido de su principal aleante que protege efectivamente al acero contra muchos

medios corrosivos. Esta propiedad no es evidente en los aceros estructurales al bajo cromo

ya que solo son inoxidables al contar con más de un 10% de cromo.

Estos aceros tienen aplicaciones donde se requiere resistencia a la corrosión y al calor.

Para clasificarlos se utilizan tres números en los cuales el primero es el que tiene

significado.

u. N. A. M. 92

Desgaste en boquilL.1s. Capítulo JI. Análisis del fenómeno de desgaste.

2XX Cromo-níquel-manganeso; no endurecibles, austeniticos y no magnéticos.

3XX Cromo-níquel; no endurecibles, austeniticos, no magnéticos.

4XX Cromo; endurecibles, martensíticos y magnéticos.

4XX Cromo~ endurecibles, feITiticas y magneticos.

5XX Cromo; bajo cromo (no menor al 10%), resistentes al calor.

Al contener grandes cantidades de cromo, las aleaciones hierro, cromo-carbono

pertenecen a un sistema ternario.

En cuanto a su contenido de cromo pueden dividirse en:

ACEROS INOXIDABLES MARTENSITICOS.

Su porcentaje de cromo va de un 11.5 a 18 % entre los que están los tipos 403, 410,

416, 420, 440", 501 Y 502. Pueden trabajarse en frío y maquinarse satisfactoriamente, tienen

buena tenacidad y resisten bien a la corrosión atmosférica y a algunos agentes químicos.

ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS.

Contienen de 14 a 27 % de cromo. En esta clasificación se encuentran los tipos 405.

430 Y 446. Al tener poco carbono no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico.

Cuentan con mejor resistencia a la corrosión y a la maquinabilidad que los martensíticos.

ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS.

Son los aceros al cromo-níquel-manganeso (1XX) y al cromo-níquel (3XX) que

resultan austeníticos. El contenido total de cromo y níquel es de por lo menos 23 %, siendo

un 11.5 % de cromo y el resto de níquel.

2.2.3.4 ACEROS PARA HERRAMIENTAS.

Este término se limita a aceros especiales de alta calidad utilizados para corte o

formado.

Para ser identificados y clasificados, la AISI (American Iron and Steel Institute) se

basa en el medio de temple, aplicaciones, caracteristicas particulares y aceros para

industrias específicas. Generalmente son agrupados en 7 subgrupos a los que se les han

asignado una letra del alfabeto, tal y como se muestra en la tabla 1.7.

U.N.AM 93

Desgaste en boquillas. Capítulo ll. Análisis del fenómeno de desg.'lStc.

Tabla 2.7. Clasificación de los aceros para herramientas.

GRUPO SIMBOLO TIPO USOS Templado en agua. W Martillos, cinceles,

hmtas. para madera. Resistentes al impacto. S Matrices, punzones,

hmtas. neumáticas. Trabajo en frio. O Templado en aceite. Rodillos, hmtas. de

A Mediana aleación y forma. templable en aire. Matrices de corte,

rodillos. D Alto carbono, alto cromo. Alambre, barras, tubos,

matrices V punzones. Trabajo en caliente. H. HI-H19, incluso base Matrices, partes

cromo; móviles, polvos, moldes H20-H39, incluso, base y troqueles para tungsteno; extrusión, cizallas, H40-H59, incluso, base troqueles. molibdeno.

AJta velocidad. T Base tungsteno. Trabajos resistentes a la M Base molibdeno. abrasión.

Moldes. P Aceros para moldes (P)- Hmtas. de corte, moldes P19. incluso bajo carbo- para el procesamiento no; P20-P39. incluso otros de plásticos. tipos).

Propósitos especiales. L Baja aleación. Hmtas. sometidas a golpes, embragues, trinquetes.

F Carbono-tungsteno. Hmtas. para bruñir matrices para estampar

I y ex1.rusión.

U.N.A.NL 94

Desgaste en boquillas. CapíruIo m. Boquillas.

U.N.AM.

Desgaste en bequilIas. Capítulo nI. Boquillas.

CAPITULO Ill. BOQUILLAS.

3.1 ATOMIZACION.

La atomización tiene una aplicación extensa en hornos industriales y domésticos. La

atomización a nivel industrial depende de un chorro detenninado de combustible a gran

velocidad que al dejar el orificio de la boquilla toma forma de una película pequeña y

cónica.

Cuando es atomización por rotación, esta película se fragmenta en partículas que son

mucho más pequeñas que si fueran obtenidas por un chorro sin rotación aún con la misma

presión.

La rotación se da al chorro en una cámara de remolino antes del orificio de salida. El

radio de esta cámara es mas grande que el del orificio y como las particulas del fluido son

forzadas a rotar en un camino de radio mas pequeño, ganan energía rotacional a expensas

de la presión total.

Hay estudios sobre la atomización y las características de flujo para un tipo en

particular de boquilla, pero no se han generalizado los resultados en términos del diseño de

la boquilla, por lo que' es preferible tomar información de las condiciones del diseño y

operación para tener datos generales que puedan ser empleados en el diseño del equipo de

quemadores.

Hay que tener presente, que para determinar el tamaño de las gotas y de la distribución

se tiene que basarse en las propiedades del medio en donde se da la distribución, la energía

del fluido cuando sale por la boquilla, propiedades fisícas del fluido y las dimensiones del

cono de atomización.

Para condiciones donde hay fluctuaciones no violentas del spray se da que para el cono

formado:

=D..!!.-,-se,-,n--,a",--/2~ = cte.

donde:

Do = diámetro de gota de peso medio.

ro = radio del orificio de la boquilla.

a = ángulo del cono.

u. N. A. M. 95

Desgaste en boquilbs. Capítulo 111. Boquillas.

y cuando se tiene una presión y viscosidad, la ecuación anterior se hace:

donde:

v = viscosidad en stokcs.

p = presion en psi.

Do sen a /2 e(l,1o" -"'--- = O.72----¡w-

'. P

Debe notarse que Do decrece cuando aumenta la presión y el ángulo de cono y

decreciendo la viscosidad, la variable que tiene mayor efecto es el radio del orificio. Esto

demuestra que para obtener una buena atomización se deben usar boquillas pequeñas.

El coeficiente de descarga a v = O es usual al comparar varias boquillas y se da por la

ecuación:

~ , ~ , [ I+.jl-bc; ] ct}=-Jl-hc~-(fbc~'.,o -1-bc;ln . ,(, )

;íbc; .Ja~ -1 +0

donde:

coeficiente de descarga cuando v == O.

b - . , "'1"' (r 'j' - A' -; , .

donde:

rs = radio promedio de la partícula al entrar a la cámara de remolino.

ro = radio del orificio.

r, = radio del vórtice en el orificio.

r,p = radio al cual toda la energía de la partícula sería en la forma de energía rotacional.

As = arca combinada de la ranura tangencial.

Esta ecuación se obtiene de un análisis aproximado del flujo en la boquilla, a depende

del vórtice formado y como es dificil medirlo se necesita de una correlación de estas

U. N. A. M. 96

Desgaste en boquillas. Capítulo 1lI. Boquillas.

variables. Una buena correlación fue obtenida graficando a contra rsI. / A.r., donde L es la

distancia desde la parte trasera de la cámara de arremolinamiento al orificio de la boquilla.

El ángulo del cono es de interés desde que afecta)a distribución del tamaño de gota y

la forma del spray. Por encima del rango de una buena atomización, el ángulo del cono

decrece al crecer la viscosidad pero no cambia con la presión. El ángulo a v = O puede

estimarse de la ecuación:

a, e C05-= o

2: l-al~cob

a se encuentra cuando se grafica a contra rJ.JA, para diferentes valores de Uro.

Si el chorro no produce un cono, la atomización será pobre desde que el chorro forma

una pelicula.

La presión para que se forme un cono divergente se puede estimar por la ecuación

empírica:

donde:

v = viscosidad en stokes.

Pd = presión inferior donde no se fonnar3 un cono divergente en psi.

Co = coeficiente de descarga.

ra = radio del orificio.

a = ángulo del cono.

Para los valores dados de presión, las gotas en la boquilla y la viscosidad, se relacionan

de la siguiente manera:

DOsen~ r.

es constante, valores pequeños del tamaño de gota de peso medio son obtenidos al hacer

rú ¡sen a l2 tan pequeño como se pueda. A una velocidad de flujo dada, ro variará

u. N.A. M. 97

Desgaste en boquilL1S. Capitulo lIt Boquillas.

inversamente como a la raiz cuadrada de Co ; así que para una velocidad de flujo dada es

deseable tener un valor tan grande de .¡;;; sen~ como se pueda.

Los efectos más imponantes en las variables de diseño en la operación de boquillas

pueden ser generalizadas por los siguientes puntos, basados en las correlaciones

previamente mencionadas:

l. Al disminuir As/rol de un valor grande a. aumenta y probablemente va a su máximo, Co

disminuye, ..,Jc; sena.}{ aumenta también al maximo así como la viscosidad para la

formación del cono divergente decrece.

2. Al crecer Uro a un valor de As/rol , a. decrece, Co crece, la viscosidad para la

formación de cono decrece marcadamente, la viscosidad para la formación de cono

divergente aumenta ligeramente.

3. Al aumentar fl/ro , a aumenta, Co decrece, hay un pequeño efecto en la viscosidad de la

formación del cono, viscosidad para la formación del cono divergente disminuye y el

de rc; sen a.y; aumenta.

4. El radio del orificio afecta soJo a la viscosidad para la formación de con divergente que

es mucho menor cuando el radio es menor.

3.1.1 FACTORES QUE INTERBIENEN EN EL TAMAÑO DE DlSTRlBUCION.

3.1 l.1 PROPIEDADES DE LA ATMOSFERA y CAMARA.

La atmósfera que rodea puede afectar el tamaño de distribución de gota debido a sus

propiedades fisicas y debido a efectos como el medio de transferencia de calor que puede

cambiar las propiedades físicas del combustible a ser atomizado. Puesto que la densidad del

aceite puede variar poco debido a los cambios de temperatura, la viscosidad y la superficie

de tensión son las variables que sus cambios tengan un mayor efecto. Ambas aumentan al

disminuir la temperatura y desde que el tamaño de gota existira un mayor tamaño de

distribución.

3.1.1.2 DISEÑO DE LA BOQUILLA.

Su función es expulsar el fluido en una película cónica. El diseño de una boquilla en

particular determinara el angula del cono y el espesor de la película del fluido al salir por el

orificio para unas propiedades determinadas de fluido y de energía.

u. N. kM 98

Desgaste en boquillas. Capítulo III. Boquillas.

Si el tamaño del vórtice disminuye, el angula del cono aumentara.

3.1.1.3 PROPIEDADES FISICAS DEL FLUIDO.

Las principales propiedades que afectan la atomización son la densidad, superficie de

tensión y la viscosidad, siendo la densidad tan importante como las demas, aunque cambia

poco. La superficie de tensión es poco importante en el efecto de atomización. La

viscosidad del aceite afecta al angulo, el espesor de la película así como su ruptura. para

diferentes valores de

se tienen diferentes valores de viscosidad.

3.1 1.4 EFECTO DE LA PRESION A TRA VES DE LA BOQUILLA.

Al aumentar la presión se tendrá una disminución en el diámetro de la gota. Si se

quiere una gran disminución en la distribución, se debe usar una boquilla pequeña, por lo

que el tamaño de la distribución depende del radio del orificio.

3.1.2 VELOCIDAD DE DESCARGA.

Las condiciones de flujo en la boquilla no son una función de la presión a una sola

viscosidad, por Jo que la velocidad del flujo es proporcional a la raiz cuadrada de la cabeza,

pudiendo ser e definida por:

donde:

Q ~ velocidad del flujo.

ro = radio del orificio.

CQ = coeficiente de descarga.

g = aceleración debido a la gravedad.

P = presión del fluido a través de la boquilla.

p ~ densidad del fluido.

Ya que el coeficiente de descarga es representado por ténninos dimensionales corno el

tamaño de la boquilla, estas, aun con modelos geométricamente iguales se espera tener el

U.N.A.M. 99

Desgaste en boquilL1S. Capitulo 111. Boquillas.

mismo coeficiente de descarga para una v == O. Esta medición se lleva a cabo a una presión

en la cual se fonna el cano.

3.1.3 CONO.

El angula del cono afecta al tamaño de distribución y la mezcla de la flama es

importante predecirlo. En la región de una buena formación del vórtice, el ángulo

disminuye y la viscosidad aumenta. Para altos valores de viscosidad el vórtice deja la parte

trasera de la cámara del remolino y se reduce su tamail.o. Cuando esto ocurre, el ángulo

comienza a crecer hasta que es formado. En la región donde se fomla el vórtice. el ángulo

no es función de la presión ni de la viscosidad.

La ecuación para el ángulo si se tiene una velocidad de fluido constante en el orificio

es:

ao cos-

2 J-d1cgb

La presión y viscosidad a los que se forma el cono para x tipo de boquillas es de interés

cuando no se tiene una buena atomización a menos que se forme un cono.

3.1.4 DISEÑO DE BOQUILLAS.

Si se especifica un cierto fluj~ a una velocidad y a una presión, el problema sera

encontrar la boquilla que dará las gotas de menor tamaño, el rango más amplio de

viscosidad de operación y el cono más estable~ no hay método para predecir este último,

pero los dos primeros pueden ser estudiados.

El tamaño de la gota es tal vez la característica más importante para la boquilla desde

que los combustóleos, en general, pueden ser ajustados a tal valor que las boquillas pueden

operar satisfactoriamente. Los estudios del tamaño de gota indican que su diámetro a v = O

es un criterio satisfactorio en la fabricación de la boquilla de acuerdo al tamaño de

distribución de gotas. El radio para:

Do sen a o 2

ro

es constante para una presión dada. Haciendo:

U.N.A.M. lOO


__ '0 __

sel1~ 2

Capítulo III. Boquillas.

tan pequeño como se pueda, obtendremos el tamaño de gota mas pequeño. Ya que a una

velocidad de descarga el radio depende de .f'C-, puede usarse la siguiente relación:

ao ,sel1--"\¡'c O

2

siendo Ca = a cuando v =0 iguales para boquillas dimensionalmente iguales, asi que dicho

parametro no depende del tamaño de boquilla, por lo que bajo este criterio, pueden ser

juzgadas según su diseño y no por su tamaño, a esto se le llama "criterio de atomización".

Debe Dotarse que no hay información sobre valores absolutos de Do para este criterio, pero

para un radio o una velocidad de descarga, la boquilla que tiene un valor mas grande del

parámetro antes mencionado tendrá un tamaño de distribución de gota más pequeño.

Las variables que deben ser usados para la fabricación de boquillas son el radio del

orificio, longitud, el radio promedio en el punto en que la partícula de fluido entra a la

cámara de remolino y el área de la ranura tangencial. De estas variables, pueden ser

encontradas el coeficiente de descarga, el angula del cono, las condiciones para la

formación del cono y las condiciones para la formación de un cono divergente. Sólo la

última depende de la escala de la boquilla, por lo que se usarán siguientes variables seran

usadas: Llro , rs Iro , As Ir02. Se debe usar ro en forma separada cuando se determinan las

condiciones para la formación de un cono divergente.

En la tabla 3.1 se muestran algunas relaciones que intervienen en el diseño de boquillas

para la predicción de su comportamiento.

El efecto de estas variables son tal vez las mas importantes para el criterio de

atomización. Estos valores van al máximo al disminuir Á¡¡ Ir02. Los efectos generales son

sumarizados en la tabla 3.1 pero se debe notar que la ventaja de ir a un valor alto de A. /r02

para obtener un muy alto valor de criterio de atomización que es comparado por la

disminución de la viscosidad para la formación del cono sin un gran aumento en el criterio

de atomización. Si el rango de atomización es de interés primordial, para boquillas con ro

mayor a 0.03 cm, valores de A~ /ro::' = 10 daran los mejores resultados con L/ro y r~ /ro

con un valor de 3.

u. N.A. M. lO]

Desgaste en boquillas. CapiluJo III. Boqu.iIl:1s.

La desventaja de un valof grande de L 1 fu es obvio, y la indicación es que un valor

pequeño será mejor par el diseño de la boquilla. El tipo de construcción usado en las

boquillas es limitado al valor más bajo de L 1 ro de cerca de 3 en la región de alto As Ir02 y

rs Iro. Aumentando el valor de r$ Iro, aumenta el valor de As Ir02 necesariamente para

obtener un valor bajo del criterio de atomización. Desde que la viscosidad para la

formación del cono no cambia mucho al aumentar r5 IrrJ, ya sea que la atomización mas

pobre será obtenida o el rango de viscosidad en las cuales se puede obtener una buena

atomización sera reducida, desde la región de mejor diseño aumentando A, lro2 resulta en

una disminución en la viscosidad de atomización aceptable. Cuando As Ir02 es grande, es

dificil tener una boquilla con r, Iro mucho menor que 3 y L 1 ro continua siendo pequeño.

Se observa que una boquilla tendrá un buen efecto si se relaciona un rango de

atomización así como cualidad en la misma, teniendo las siguientes dimensiones:

L 1 ro "" 3

Tabla 3.1. Relaciones para el discrl0 de boquillas.

Aumento de: Coeficiente Angulodel A$/ro~ para Viscosidad Viscosidad de descarga cono un valor para la para la

"" ex. máximo de formación del formación del a, ¡;:;;

. lenT"\¡cQ cono . cono

divergente. A¡ Iro· Aumenta. Decrece por Va hasta su Aumenta.

encima del máximo. rango de interés.

Uro Aumenta. Disminuye. Disminuye. Disminuye. Aumenta ligeramente.

R,/r. Disminuye. Aumenta. Aumenta. Tiene poco Disminuye. efecto.

Si fO es menor a 0.03 la viscosidad a la cual se forma el cono divergente, limitara

seriamente el tipo de fluido que se atomizara por la boquilla. Esta limitación, asi como

mantener las boquillas pequeñas tendrán un límite en el diámetro del orificio usando un

aceite a una viscosidad dada.

U. N. A. M. 102

Desgaste en boquillas. Capítulo 111. Boquillas.

Una boquilla con un orificio extremadamente fino, dará un mímmo L I ro y es

probablemente lo mas fácil de hacer. Esta boquilla funcionará bien a alta presión, pero a

baja. detendra el flujo. chorreá.ndolo en la superficie de la boquilla teniendo un resultado

serio, ya que el aceite tiende a carbonizarse. arruinando la atomización y haciendo el

orificio aspero. desigual, rugoso y quebradizo.

Las ranuras tangenciales deben hacerse lo mas cortas posibles para reducir perdidas en

la viscosidad, sólo lo suficientemente grandes para proporcionar la dirección al fluido.

Tambien es muy importante que haya más de un canal y que sean colocados

simétricamente, ya que así se coloca solo una, o con un arreglo asimétrico, se tendrá una

forma de cono muy pobre e irregular.

U.N.A.M. 103

Desgaste en boquillas. CapilUlo 111. Boquillas.

ATOMIZAClON DE COMBUSTOLEO.

Los tipos de atomizadores comúnmente utilizados en la industria son los siguientes.

a. Tipo de atomización mediana. Los atomizadores se tamaño medio se colocan por

separado y deben ser empleados cOn vapor o aire. Casi cualquier gas o vapor puede ser

usado para atomizar combustibles líquidos si están en gran cantidad y presión.

b. Tipo de atomización mecánica. Este término es utilizado con presión de chorro de

atomización.

3.2.1 ATOMlZACION POR VAPOR.

El vapor es el medio más comuo para la atomización de combustible líquido en

refinerías. Este debe ser abastecido seco o escasamente sobrecalentado. Comunrnente los

atomizadores requieren una presión de 100 a 150 psig. Presiones más altas de vapor de 300

a 400 psig deben ser requeridas cuando se atomizan combustibles líquidos pesados como la

brea.

Tiene que evitarse el vapor humedo para que no se de la formación de gotas a la salida

del quemador. El calor para vaporizar el agua absorbeni mucho del calor necesario por

ignición y completar la combustión.

Un alto grado de vapor supercalentado puede particularmente vaporizar al líquido

combustible.

La atomización de vapor y la atomización con asistencia de vapor son los más

comunes. Las diferencias entre Jos dos tipos de atomización es el grado de presión de

atomización utilizada. Un sistema de asistencia de vapor normalmente requiere una presión

más grande en el aceite combustible y usar menos vapor.

Los atomizadores de premezc1ado de vapor se describen como sigue:

a) Un atomizador de vapor o de premezc1a se muestra en la figura 3. L El dispositivo 1 es

un orificio lirnitante para flujo de aceite combustible. El vapor es inyectado a traves del

"puerto de vapor" (dispositivo 2) y mezclado con el aceite combustible parcialmente

atomizado. El vapor y el aceite mezclados son descargados a través de los puertos de las

boquillas (dispositivo 3) donde se da una atomización adicional y se de al flama.

b) La presión del combustible está comúnmente en el rango de 80 a 120 psig. y entre

mayor sea esta, se reducirá el consumo de vapor. La presión de atomizado de vapor es

U.N.A.M. 104

Desgaste en boquillas. Capitulo lIl. Boquill:ls.

normalmente mantenido como una presión diferencial constante de aprox. 20 a 30 psi por

encima de la presión del combustible.

e) El consumo de vapor nominal es aprox. de 0.15 a 0.30 libras por libra de aceite

combustible. Se requieren gastos mayores cuando se usan combustibles viscosos. El gasto

del vapor es dependiente sobre el diferencial utilizado y la presión del aceite del diseño.

Los diseños de atomizadores de altas presiones requieren menos vapor pero los de bajas

presiones requieran más.

d) Las ventajas de los atomizadores de vapor incluyen un orificio para combustible largo

que es menos susceptible a taparse y se requiere de una presión menor de combustible. La

principal desventaja es el gran consumo de vapor.

S::llld:t .... ICIC,! I I /-, I

~ ¡

Figura 3.1. Boquilla de mezclado interno o premezclado.

Los atomizadores asistidos por vapor (puerto de mezcla o chorro en Y) son como

sigue:

a) Un atomizador de asistencia de vapor o puerto de mezcla (mezclado en la salida) es

mostrado en la fig. 3.2. El aceite combustible es suministrado por una serie de orificios

limitantes en la boquilla (dispositivo 1). Un conjunto de orificios para la salida de vapor

u. N. A. M. 105

Desgaste en boquillas. Capítulo III. Boquillas.

(dispositivo 2) son encontrados también en la boquilla. Se mezcla el vapor y combustible

en el puerto de descarga donde la atomización se da.

b) La presión del vapor se mantiene constante de 100 a 150 psig del desde el principio

hasta el fin del gasto de operación.

e) El consumo de vapor es de aprox. 0.1 a 0.2 libras por libra de aceite combustible

cuando se tiene una máxima liberación.

d) El atomizador de asistencia de vapor es principalmente selecto por los quemadores de

escape largo. La principal ventaja de estos atomizadores es el bajo consumo de vapor

mientras que las desventajas son los puertos pequeños para el aceite y combustible que

requieren una gran presión para el combustible y el vapor.

Figura 3.2. Boquilla de mezcla en la salida.

Los atomizadores de vapor diseñados para combustibles ligeros, tales como la nafta y

destilados ligeros son provistos con tubos separados para el aceite y el vapor. Esto es para

prevenir que la temperatura del vapor vaporice al aceite en los tubos del quemador.

u. N. A. M. 106

Desgaste en boquillas. Capitulo 111. Boquillas.

3.2.2 ATOMIZACION POR AlRE.

La atomización por aire es aveces recomendada cuando los aceites combustibles

ligeros son quemados.

Se puede usar aire comprimido para atomizar el aceite cuando no se cuenta con vapor.

Los sistemas de aire comprimido usan los mismos atomizadores que los descritos para los

atomizadores de vapor. Se necesita generalmente una presión de aire de 100 a 120 psig. Se

pueden proveer presiones bajas (1 a 2 psig) para atomizaciones por aire para algunos

quemadores.

3.2.3 ATOMIZACION MECANICA.

Este término se asocia normalmente con presiones a chorro en la atomización. Otros

mecanismos diseñados están disponibles pero no son usados en calentadores a fuego en

refinerías.

Los atomizadores de presión a chorro rompen el líquido en pequeñas gotas para ser

usadas a través de la boquilla del quemador.

La presión del combustible tiene que ser tan alta para obtener una relación de

combustible apropiada, a menos que se use una gran presión de recirculación.

La presión del combustible para una relación de gasto de combustible mínima es aprox.

de 80 a 100 psig.

Este tipo de atomizadores se encuentra solo en quemadores de gran liberación de calor,

y el tamaño del orificio es pequeño y susceptible a taparse.

La presión alta para aceites combustibles usados en estos atomizadores requiere de

consideraciones especiales de seguridad.

Se usa la atomización mecánica cuando no se cuenta con otro medio.

u. N. A. M. 107

Desgaste en boquillas. Capítulo IV. Desgaste en boquillas.

U. N. A. M.

Desgaste en boquillas. Capitulo IV. DesgaSle en boquillas.

CAPITULO IV. DESGASTE EN BOQUILLAS.

4.1 FACTORES QUE INfERVIENEN EN EL DESGASTE EN BOQUILLAS.

El agua a lo largo del tiempo deshace rocas sólidas. Esta misma agua puede hacer lo

mismo metales y en dispositivos en que esta se deslice a gran velocidad, más aun si están

mezclados con metales y abrasivos, siendo estos componentes necesarios de los mismos

fluidos o impurezas que no es posible filtrarlas ya que su tamaño es muy pequeño. Este

fenómeno de desgaste es el mismo que se presenta en las boquillas.

Para el caso de los quemadores para CAFO se atomizan fluidos más densos que el

agua, y con gran cantidad de impurezas abrasivas se requiere una mayor presión por lo que

este desgaste el mayor o en el caso de gases, en que no son atomizados, de igual manera

desgastan las boquillas ya que estas operan a una elevada presión y temperatura.

Los combustibles utilizados pueden ser abrasivos y pueden hacerse más con los

componentes que se mezclan, por lo que una boquilla de latón puede comenzar a

deteriorarse despues de diez horas de uso a una presión de 100 lbs.

En un principio las boquillas eran de latón principalmente porque es un metal blando y

fácil de maquinar con las técnicas existentes. Al ser un metal blando, su vida era corta

especialmente a altas temperaturas. Al ir avanzando la tecnología, se han introducido aceros

inoxidables y aceros inoxidables endurecidos. Fueron superiores contra el desgaste que sus

predecesoras de latón y disponibles en muchos estilos: de abanico plano, huecas y de cono

amplio, descentrados, de abanicos múltiples, ángulos de flecha, etc. La ventaja que se tiente

con las boquillas de acero inoxidables es que tienen una duración de 3 a 5 veces más y las

de acero inoxidable endurecido es de 8 a 14 veces.

El desgaste en una boquilla de un quemador para CAFD se da principalmente por

erosión, que es una de las formas principales por las que los equipos de refinería pueden ser

desgastadas, y se da por el flujo de los combustibles líquidos y gaseosos. La mayor pane de

ero,sjón se encuentra en donde existe una obstrucción del fluido, es decir, donde se

encuentra una reducción del diámetro de paso, ya que la velocidad de dicho fluido tiende a

elevarse considerablemente, siendo la velocidad uno de los factores que rigen la erosión,

además de que el ángulo de ataque se ve afectado, tal y coma lo muestra el diagrama de la

figura 4.1.

U. N.A.M 108

Desgaste en boqwllas. Capí~o IV. Desgaste en boqwllas.

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3 ':'u;:\en~a ~I desgas'e ya que a:.:mepld Ii! ,,·,,!c~.dad cei FI.!'co

Figura 4.1. Erosión en zonas de obstrucción de fluidos.

También se puede presentar una corrosión. esto se debe a que el azufre, que es un

componente necesario del combustible, el cual se mezcla con agua o con el mismo vapor de

atomización lo cual forman ácido zulfidrico. Por tal motivo, una boquilla debe ser resistente

a la corrosión.

Es por eso que se tienen que cambiar frecuentemente para mantener el equipo

calibrado luego de presentar un desgaste superior al 10 % el cual es el punlo en el que la

mayoría de los fabricantes recomiendan. El cambio debe de ser por completo y no de tan

solo unas cuantas. El desgaste prematuro puede ser causado por la baja calidad o por el

empleo de boquillas inadecuadas. Una buena boquilla puede resultar más costosa pero a la

vez resulta ofrecer una mayor vida justificando su costo y evitando tener que parar el

proceso para un mantenimiento frecuente.

Los pequeños orificios en donde sale el gas o el combustible liquido son los que deben

de resistir más este desgaste ya que tienen que ser lo más pequeñas posibles, ya que los

orificios finos funcionan mucho mejor y dan un cono de atomización mucho más amplio

facilitando]a combustión. Estos tambien se ve afectado ya que para que esta combustión se

U.N.kM 109

Desgaste en boquilbs. Capitulo IV. Desg:lsle en boquiIL,s.

de mejor, es necesario que las gotas de combustible sean lo más pequeñas posibles, esto

también se logra aumentando la presión del combustible. Es decir, que para obtener un

buen funcionamiento se requieren orificios pequeños en las boquillas y una alta presión, y

entre mayor sea esta diferencia, la velocidad del fluido aumentara notablemente, por lo que

también aumentará la el desgaste.

En el caso de la erosión por impacto de partículas sólidas, se da cuando algunas

partículas que son igualo mas duras que el material de la misma boquilla se impactan

directamente contra las boquillas. Se trata de eliminar este tipo de panículas por medio de

filtros, pero no siempre se tiene éxito debido a que muchas veces es necesario ese tipo de

panículas, ya que pueden ser un componente del sistema, o en ocasiones pueden surgir del

desprendimiento del mismo sistema en zonas en donde se ha presentado un desgaste

corriente arriba, así como de partículas de óxido que son acarreadas.

Una partícula dura remueve material y esta cantidad dependerá de la forma de la

partícula, velocidad, presión, y ángulo de ataque.

Primero las partículas se deslizan sobre la superficie, prácticamente sm angulo de

ataque y con una erosión lenta (periodo de incubación) pero a medida que se hace mas

severa la erosión, un simple roce pasa a ser un choque que se agrava ya que las partículas

tienden a golpear en forma más perpendicular es decir, al aumentar la profundidad de la

grieta, aumenta el ángulo de ataque, aumentando la velocidad de erosión (velocidad

maxima de erosión) y esto se ve representado en la figura 4.2 que a su vez se puede

comparar por la grafica de tiempo contra volumen perdido en la cual se ve su gravedad de

acuerdo a la máxima pendiente de la curva.

U. N. A. M. lIO


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2 COrT"Q!'1:o C:~~ d¿s

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Capítulo IV. Desgaste en boquillas.

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expJS'C1cn.

I Periodo de incubación

Figura 4.2. Etapas del desgaste por erosión.

La erosión por impacto de líquidos tiene un gran efecto en las boquillas, ya que

algunos combustibles empleados como los aceites fluyen a gran velocidad y tienden a

impactarse en las zonas donde se obstruye su paso. Esto no sólo es por choque, sino que a

la salida de las boquillas se cuentan con unos orificios todavía más pequeños que la cámara

forzando el paso del combustible y aumentando su velocidad.

En una boquilla se presenta principalmente la erosión por sólidos y por líquidos a gran

velocidad ya que no solo se da por la fricción o choque de partículas abrasivas sino que

también se da con la simple fricción o deslizamiento del combustible.

En las figuras 4.3 y 4.4 se muestra una boquilla de un CAFD que utiliza combustóleo.

U.N.A. M. 111

CapÍlulo IV D~g:I~c en ooquilb ...

Figura 4.3 IJ~}Quilla para con¡uustólC() desgastad.¡.

1

Figura ,1.4. Boquilla para comhustóleo.

En l'slas hoquillas se nota un gran desgaste en IlIS orilicios por donde sale el

combustible. lo que ocasionó que la presión dl' atomización disminuyera, por lo que parte

del comhustú!C<1 se chorreó.

4 I FACTORES EN LOS OUE AFECTA UNA BOQUILLA DESGASTADA.

El desgaste en las b~'Quillas !.'ignilica que los orificios qUí..· fueron diseñados para crear

de manera óptima un spray lIc:gan a ser deformados, dislorsionandll la ti.)fma del spray,

originando un patrón de llama inegular. golCO y taponéo por lo que no sólo resulta como

IJNA.M 112

Desgaste en boquillas. Capitulo IV. Desgaste en boquillas.

ineficiencia en el sistema sino que necesita más combustible, encareciendo el proceso

además de dañar otras partes del equipo.

Cuando el fenómeno de desgaste en una boquilla esta presente, se darim varios

problemas en el CAFD entre las que están:

• Fallas en los serpentines.

Se ven afectados principalmente los tubos de radiación de los calentadores, debido a los

patrones de flama irregulares.

• Patrones de flamas irregulares.

Esto es ocasionado a que al tener el orificio de la boquilla una forma irregular, ocasionara

que el combustible sea expulsado en forma de un cono distorsionado.

• Daño del material refractario.

Esto es consecuencia de las flamas irregulares, las cuales acarrean sólidos, como cenizas. El

desgaste en el material refractario puede reducirse utilizando materiales con alta densidad.

• Chorreo del combustible y tapouéo.

Se presenta este problema porque al desgastarse los orificios de la boquilla, la presión y

velocidad disminuye, lo que impide que el combustible sea atomizado adecuadamente. Al

salir con poca presión el combustible, este no alcanza a ser quemado y se chorrea. Si no se

llega a taponear puede extender, pero si el problema es en bastantes boquillas podría

incluso hasta cubrir el piso del calentador.

• Pérdida de eficiencia del sistema.

Al no quemarse el combustible en su totalidad y para poder mantener la temperatura del

calentador constante se tendría que requerir de una cantidad de combustible mayor.

• Producción de contaminantes.

Al requerirse mayor cantidad de combustible y al ser este mal quemado. se propician

condiciones para la producción de NO".

U. N. A. M. ]]3

Desgaste en boquillas. Capítulo IV. Desgasle en boquillas.

El cambio de boquillas en forma periódica no es factible ya que representa pérdidas

económicas debido a que detiene la producción ya, que todo el calentador tiene que pararse,

por lo que es recomendable el uso de boquillas con una vida útil más larga.

Generalmente, cuando un CAFD comienza a operar, se le hace una leve reparación al

año o a los dos años, pero solo hasta los 4 o 5 años se le hace una revisión completa por lo

que se para todo el equipo. En este paro es cuando se le puede hacer un cambio de

boquillas, así como el demas equipo dañado. Luego de este paro, el próximo se dara hasta

los 2 o 3 años para que posteriormente se den cada año. En estos paros se le da una revisión

rápida, a menos que exista un daño grave.

u. N. A. M. 114

Desgasle en boquillas. C.1pitulo IV. Desgasle en boquillas.

4.2 SELECCION DE BOQUILLA.

Teniendo la posibilidad de seleccionar una boquilla entre una gran gama, es

conveniente hacer un estudio para determinar cual nos dara un mejor servicio.

Primeramente es importante seleccionar una boquilla que nos dé un patrón de flama

específico por lo que es necesario consultar el catálogo de los proveedores. Estos catálogos

también muestran su liberación de combustible y presiones a las que opera una boquilla

adecuadamente. Esta flama dependerá en gran parte de la forma de la boquilla, de la forma

del cono de atomización.

Entre la gran cantidad de materiales y gran cantidad de boquillas, es de gran

importancia seleccionar una que soporte las condiciones de operación a las cuales estará

expuesta las cuales determinarán la vida de la misma.

El numero de boquillas que llevará un quemador dependerá de la capacidad de

liberación de combustible, el tipo de combustible. Es necesario conocer la temperatura

necesaria que requiere un calentador, con esto se podrá calcular la cantidad de combustible

que se requiere en total para todo el proceso. El número de quemadores se calculara

dividiendo la liberación ténnica total que se necesita para alcanzar dicha temperatura con

un combustible específico. Teniendo la cantidad de quemadores y que cantidad de

combustible quema cada uno se puede conocer las boquillas necesarias, dividiendo la

cantidad de combustible que quema cada quemador entre el combustible que puede dar una

boquilla

Es de uso comun utilizar calentadores con varios quemadores, tal y como se muestra en

la figura 4.5 en donde se muestra un calentador en funcionamiento.

U. N.A.M 115

Desgaste en boquillas. CapltuJo IV. Desgaste en boquillas.

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· ~;<~'::: ~; . -; ~:, ~~,~S· . ;.". • .;J •• '~; .:'

Figura 4.5 Calentador en funcionamiento.

También se pueden seleccionar las boquillas comerciales. las cuales pueden ser de

diferent~s modelos, dependiendo del proveedor. el cual las diseña y evalúa. A la vez, este

hace el estudio para ver que materiales pueden resisten mejor en diferentes condiciones de

trabajo y que den el mejor rendimiento.

Los materiales con los que son fabricadas, son de materiales resistentes al desgaste y a

la erosión, como el caso del acero inoxidable y acero inoxidable endurecido.

En las siguientes imágenes se muestran boquillas de algunos fabricantes, tanto de

quemadores como de boquillas.

U. N.A.M. 116

DS~g:t~(C en hoquillas Capitulo IV. fkosg;lstc en boqUIllas.

• JjOQUILLAS DANFOSS

En la figura 4_6 se rnucstnm eslus boquillas. las cualcs atomi7.an combustihlcs líquidos

Illcl.clados con aire.

Figura 4.6. Boquillas marca Danfoss.

• BOQUII.I.AS HAGO

ESll: tipü de boquillas se muestran cn la figura 4.7, Este tipo de boquillas cUl'n1an con

filtros de hronce teniendo IIna filtración de hasta 40 micrones y permiten tina liberación de

fluido de (J.40 a 120 gph. HSlas boquillas están Htbl'icudas al alto cromo y accro inoxidable

304. por lu quc tienen una gran rcsisll'ncia a alta temperaLura.

Figura 4.7. Boquillas marca llago

11 N. A. M 117

!')csg;¡<;IC en !)(l(llli!t;¡S . CapiTulo IV. Ik!.gasle en txxluillas.

• BOQUILLAS DELEVAN

Estas boquillas Se..' muestran en la figura 4.8. Son fabricadas de un gran rango de

metales. induycndo el carburo de tungsteno. diferentes tipos de aceros inoxidables,

HIIstclloy e Incoloy. El grado del melal es determinado por el fluido que sea alomi' .. ado y

por d ambiente en que operan.

Figura 4 S. Boquillas marca DcJavan.

tJ. N. A. M. I IR

!)csg:¡..;tc cn ~KllIillas Capitulo IV. I)CS!la~1c cn hoqmll:!s.

• 1l0QUIU.AS STEINEN

La:-; boquillas de esta marea son u:-;adas en quemadores y eslán echas generalmente de.

accn) inoxidable 416 Estas pueden funcionar a tilla velocidad de O 40 a 28 gph Y prcsiLlIles

de hasla 100 psi. Los ánpJlo:-; del cono que forman varian des 30 a 90°.

Figura 49. llllquillas marca Stcincn

U N A M 119


4.3 PROPUESTA PARA REDUClR EL DESGASTE EN BOQUILLAS.

Es necesario seleccionar la boquilla adecuada dependiendo del uso y de las condiciones

de operación con las que se valla a trabajar, asi como el proceso de fabricación. Se pueden

probar varias boquillas para detenninar cual sufre menos desgaste en condiciones de

servicio. Estos resultados pueden ser representados en una gráfica de perdida de peso contra

tiempo y de ahi podemos determinar cuál es la idónea según las condiciones en las que

trabaje un calentador.

4.3 1 ALEACIONES

Las aleaciones de bajo contenido de cromo presentan una buena resistencia a la erosión

pero son empleadas generalmente para bombas de alimentación. Los aceros aleados con

cobalto-cromo-tungsteno son muy utilizadas para fabricación de elementos sometidos a

altas presiones, por lo que se recomienda para boquillas.

Entre los diferentes elementos aleantes que pueden ser utilizados están:

• Cromo.

Incrementa la resistencia, presenta una buena resistencia a la alta temperatura, a la

oxidación y a la acción corrosivos de compuestos sulfurosos, estando estos presentes en

todos los combustibles utilizados.

• Níquel.

Incrementa la dureza, la elasticidad y la resistencia del material sin propiciar una pérdida de

ductibilidad.

• Molibdeno.

Este elemento se añade a las aleaciones para incrementar su resistencia a la falla e

incrementar su resistencia al creep (escurrimiento plástico) a altas temperaturas.

• Silicio.

Este elemento brinda al material una resistencia a la oxidación y a la corrosión por

compuestos de azufre.

U. N. A. M. 120

Desgaste en boquillas. Capítulo IV. Desg.1Sle en boquillas.

• Manganeso.

Este elemento incrementa la resistencia a la falla y la durabilidad del material.

• Titanio.

Incrementa la resistencia a la corrosión y evita el ataque intergranular.

• Colombio (Niobio).

Este material tiene un efecto similar al titanio, pero también incrementa la resistencia al

impacto y la durabilidad. Pequeños porcentajes de cualquiera de estos dos elementos

evitaran la tendencia al endurecimiento.

El aleante mas recomendable es el manganeso (serie 31XX) ya que contribuye a la

dureza principalmente cuando se cuenta con carbono. Cuando es tratado térmicamente

aumentaran su resistencia, ductilidad y resistencia al desgaste. El manganeso es un material

relevante para resistir condiciones severas de servicio, en las que se presenta abrasión y

desgaste.

Estos elementos alcantes no pueden ser añadidos indiscriminadamente al acero ya que

es necesario que se tenga un balance para dar al material las características que se desean y

según su servicio, por lo que es recomendable realizar pruebas hasta determinar las

cantidades ideales para una mayor durabilidad y entre las ventajas que nos ayudan a reducir

el desgaste de las boquillas son:

3. Mejorar la resistencia a temperaturas comunes.

b. Mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a bajas temperaturas.

c. Mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resistencia mínima.

d. Aumentar la resistencia al desgaste.

e. Aumentar la resistencia a la corrosión.

4.3.2 RECUBRL\1IENTOS.

Los recubrimientos pueden ser de gran ayuda, particularmente si estos son de algún

material resistente a la erosión tales como los aceros inoxidables aunque en el caso

específico de boquillas no es usual este metodo. Esto se debe a que el recubrimiento

u. N.A. M. 121


resistiria de manera óptima al desgaste y teniendo un periodo de incubación muy largo,

pero una vez que se sea removido todo el recubrimiento, el combustible tendría contacto

directo con el material base, por lo que la velocidad de desgaste aumentaría drásticamente

ya que la dureza del material base es muy baja ya que no seria costeable utilizar un material

con alta dureza par que sea recubierto. Al aumentar drásticamente el daño, llegaría un

momento en el que forzosamente se tenga que parar el calentador para un cambio de

boquillas y evitar daños mayores.

Este' fenómeno de largo periodo de incubación y en determinado punto. una gran

velocidad de erosión se muestra en la curva D de la figura 2.2.

Este método es factible siempre y cuando se tenga un buen control del tiempo de

duración del recubrimiento para poder realizar un cambio antes de su desgaste tota1.

Para prevenir la erosión por cavitación, el primer y principal remedio es un diseño

apropiado para evitar la turbulencia. Con una distribución de velocidades adecuadas y con

superficie presión residual.

Es necesario tener suficiente aire o gas disuelto en el fluido para relevar las

condiciones de baja presión. El gas disuelto será liberado dentro de algunas cavidades que

se forman en el fluido, y cuando la cavidad se colapsa, el gas amortigua la explosión.

Al hacer una evaluación entre un material resistente al desgaste, económico y facil de

maquinar, se llega a la opción del uso de insenos en los orificios de las boquillas. Con esto

es posible utilizar materiales de alta dureza como en Tungsteno en pequeñas cantidades, ya

que si se quisiera hacer toda la boquilla de este material, sería incosteable ya que es muy

caro y dificil de trabajar.

4.3.3 INSERTOS.

El empleo de insenos es de práctica comlan cuando se tienen partes expuestas al

desgaste, como es el caso de bujes, pernos, etc., por lo que tomando esto como base, se

propone el uso de insertos en las boquillas.

Esta propuesta puede aumentar la vida de una boquilla sin que resulte sin que se tenga

un gasto excesivo, esto se debe a que se puede usar un material de alta resistencia., corno el

carburo de tungsteno o el titanio pero en insenos de poco tamaño. Estos insenos son

u. N. A. M. 122

Desgaste en boquill.1s. Capitulo IV. Desgasle en boquillas.

colocados en la parte tenninal de la boquilla, donde se localiza el oficio por donde el

combustible es expulsado y a la ves en donde se tiene mayor desgaste. Ver figura 4. 10

E]CCIL~A PhR.; :JME~ST!BL[ DE: DRiriCiüS ¡'iUL~¡¡::-LES

BOQU~i...LA PARA CmíBUST!3LE ~:: UN SOLG OR¡;¡UO

Figura 4.] O. Boquillas de quemadores con insertos.

Con esto no es necesario utilizar un material de tan aira resistencia y de tan elevado

costo en toda la boquilla. por lo que el costo es menor.

Otra ventaja de este proceso es que el resto de la boquilla es reutilizable, ya que cuando

esta, se ha desgastado lo suficiente como para hacer un cambio de boquilla, únicamente se

reemplaza el inserto.

U.N.A.M 123

Desgaste en boquillas. Capítulo IV. Desgaste en 00quillas.

4.4 MEJORAS AMBIENTALES

Al trabajar un calentador con boquillas desgastadas se pueden tener problemas de

patrones de flamas irregulares lo cual se da al tener un orificio irregular por lo que el

combustible es lanzado incorrectamente. Esto puede dañar tanto a los serpentines como al

material refractario. Otro problema es el chorrco del combustible y taponéo, debido a que al

desgastarse los orificios de la boquilla, estos aumentan en su diámetro por lo que la presión

y velocidad disminuye, impidiendo la buena atomización del combustible. Al salir con poca

presión el combustible, éste no alcanza a ser quemado y se chorrea. Estos factores hacen

que se pierda la eficiencia del calentador, ya que el material refractario es dañado y el

combustible no es quemado correctamente aumentando la cantidad de NOx .

Hoy en día es muy importante tener en cuenta los problemas que se pueden tener a

causa del mal funcionamiento de un equipo, ya que no solo son problemas económicos,

sino que también son de carácter ambienta1.

Como se vio en el capítulo 1, existen quemadores que reducen las emisiones de NOx ,

tal es el caso de los quemadores por etapas de combustible o de aire pero aún con esto, si el

combustible no es atomizado adecuadamente, habrá ineficiencia en el sistema y la

producción de NOx aumentará, por lo que aún en este tipo de quemadores, es importante

que se seleccione una boquilla adecuada.

Otro factor de gran importancia es el elevado número de boquillas gastadas que se

desperdician al no ser reutilizables, ya que puede resultar más caro su reconstrucción que la

fabricación de una nueva.

Con la propuesta de utilizar insertos, se reduce el desperdicio, ya que al desgastarse el

orificio de una boquilla, lo único que se tiene que hacer es cambiar el inserto, quedando

renovada a un costo menor y por un periodo más largo, ya que hay que recordar que los

insertos tienen que ser de un material resistente al desgaste. como es la corrosión y la

abrasión, además de que debe resistir altas temperaturas.

U.N.A.M 124

Desgaste en boqui1L1S. Conclusiones.

CONCLUSIONES.

El desgaste es un fenómeno que se presenta en todas la industria y en todos los

niveles. Prácticamente es imposible eliminarla y si esto fuera posible, resultaría

excesivamente costoso. Entre mayor sea el grado de reducción del desgaste, se requerirá de

un equipo más caro por lo que el proceso se encarecerá.

El desgaste se agrava cuando tenemos condiciones de funcionamiento muy severas, por

lo que es necesario utilizar materiales de alta resistencia, pero al mismo tiempo se deben de

considerar todas las condiciones de trabajo a las que un material trabajará, por ejemplo,

existen materiales muy duros, con gran resistencia a la abrasión y a la corrosión, pero estas

propiedades cambian si se tienen condiciones eA "tremas o no propias para esos materiales,

tal es el caso de algunos aceros, que tienen una gran resistencia al desgaste, pero su

resistencia a la descarburización es muy mala.

Es necesario seleccionar la boquilla adecuada dependiendo del uso y de las condiciones

de operación con las que se valla a trabajar, así como el proceso de fabricación. Se pueden

probar varias boquillas para determinar cual sufre menos desgaste en condiciones de

servicio. Estos resultados pueden ser representados en una gráfica de perdida de peso contra

tiempo y de ahí podemos determinar cwil es la idónea según las condiciones en las que

trabaje un calentador, como son:

• Temperatura.

Esto es debido a que hay materiales de alta dureza pero no son apropiados para

trabajarlos a elevadas temperaturas, ya que varían sus propiedades fisicas.

• Presión de servicio.

Existen calentadores que trabajan a presiones menores que otros, por 10 que puede

variar la resistencia al desgaste entre boquillas de quemadores diferentes. También depende

del tipo de combustible, ya que por ejemplo los gaseosos, son expulsados a presiones

menores que cuando se manejan combustóleo o aceites, ya que estos tienen que ser

atomizados.

U. N. A. M. 12S

Desgaste en boquillas. Conclusiones.

• Combustible.

Existen combustibles más abrasivos que otros, como es el caso de los aceites, los

cuales pueden contener más impurezas sólidas que los gases, ocasionando mayor desgaste

en las boquillas.

Es necesario hacer una selección de varios materiales para ponerlos a prueba bajo

condiciones a las que se operaran nonnalmente. Es importante que en estas pruebas

también exista una variación en las caracteristicas de las boquillas, por tal motivo, es

importante considerar variables como:

• Velocidad de fluido.

Ya que interviene en el patrón de la flama y en la atomización, pero al aumentar esta

variable, también lo hará la velocidad deJ erosión.

• Diámetro del orificio.

Para lograr una buena atomización se requiere de diámetros pequeños, especialmente

cuando se manejan combustibles muy densos. Una boquilla con un orificio ex1:remadarnente

fino, dará un minimo L/ro y es probablemente lo más fácil de hacer, pero debe de

considerarse que al reducir el orificio, es más susceptible a taponéos si no se utiliza la

presión una presión elevada

• Presión.

Es necesario que un quemador opere con la presión indicada, ya que si se excede, se

acelerará la velocidad del desgaste, pero por otra parte, si no es la suficiente el combustible

no 'lograra a ser quemado, y en vez de eso, es chorreado. Esto afecta al quemador ya que al

estar expuesto a elevadas temperaturas, el combustible se carboniza, y poco a poco va

obstruyendo la salida.

En el caso de las boquillas, es necesario contar con materiales que resistan el desgaste

ya que un calentador es muy dificil que se pare para un cambio de boquillas, por lo que

deben de durar entre periodo y periodo de paro, pero a su vez, la selección de un material

muy duro origina que su precio se eleve. El periodo de reemplazo de las boquillas es

cuando llegan a un 10 % de desgaste y esto puede ser en un periodo de tiempo muy corto,

u. N. A. M. 126

Desgaste en boquillas. Conclusiones.

debido a una mala selección. El cambio de boquillas en forma periOdica no es factible ya

que representa perdidas económicas debido a que se para la producción ya que todo el

calentador tiene que pararse, por lo que es recomendable el uso de boquillas con una vida

útil más larga. A1 probar diferentes tipos de materiales para poder determinar cual es el más

adecuado, también hay que hacer un estudio en cuanto a costos, ya que podemos tener

materiales de gran resistencia pero dificil es de maquinar, por lo que el costo de producción

se elevaría.

u. N.A. M. 127

Desgaste en boquill1s. Bibliografia.

BIDLIOGRAFIA.

LIBROS:

• ANUAL BOOK OF ASTM STANDARS 1991 SEC. 3.

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•

Metals test methods and analytical procedures. Wcar and erosion; Metal corrosion. Vol 03.02.

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• CALDERAS Y RECIPIENTES A PRESION·QUEMADORES INDUSTRIALES PARA CALDERAS QUE EMPLEAN GAS L.P., NATURAL, DIESEL, GASOLEO y COMBUSTOLEO. Anteproyecto de Nonna .Mexicana. NMX 1994.

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• INTRODUCCION A LA METALURGIA FISICA. Sydney H. A "ner. Ed. Mc Graw Hill. Segunda edición.

U. N.A. M 128


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EN MATERIALES

Instituto de Investigaciones Elcctricas (HE). Vol. 13 Num. 1. Enero-Febrero 1989.

u. N. AM.

DE CENTRALES

129

Desgaste en boquil1.1S. Apéndice.

APENDICE

A\. DEFlNICION DE TERl\fINOS DEL CAPITIJLO l.

Aire primario. Es la porción total de aire de combustión en un principio es mezclado

con el combustible.

Aire secundario. Es una porción de el total del aire de combustión que es suministrado a

los productos de combustión y combustibles no quemados corriente abajo en el area en

el cual el aire primario y el combustible son mezclados.

Aire terciario. Es la porción de el total del aire de combustión que es suministrado a los

productos de combustión corriente en la zona secundaria.

Aire precalcntado. Es el aire calentado previamente antes de su uso para combustión.

El calentamiento el al más frecuente hecho por el intercambio de calor con los gases

calientes de expulsión.

Aspirador. Es un mecanismo de venturi usado en quemadores de premezcla que utilizan

energía cinética de un chorro de gas de un orificio al entrar todo o parte del aire

combustible.

Bloque del quemador. Es el bloque refractario que rodea los componentes del

quemador. El bloque forma aberturas por donde el aire fluye y ayuda a estabilizar la

flama. Sus sinónimos son: loseta del quemador o bloque de la mufla.

B1owoff (sofocar o ahogar la flama). Es el levantamiento de la flama debido a la

velocidad de la mezcla aire combustible excediendo la velocidad de la flama. Esta

condición usualmente de como resultado que la flama se ex.1.inga.

Calor liberado. Es el total de calor liberado del combustible, usando el valor mas bajo

de calentamiento del combustible, expresado en Btu!hr.

Combustible. Es cualquier material que produce calor cuando es quemado.

Combustible secundario. Es la porción faltante del combustible que es inyectado

corriente abajo del bloque del quemador en un combustible estancado.

Combustión. Es la rápida combinación de combustible y oxígeno que libera calor.

Compuerta de aire. Es la parte del quemador que puede admitir aire de combustión a

través de las aberturas alrededor de la armadura del quemador.

U.N.A.M. 130

Desgaslc cn boquill.1s. Apendice.

Corriente de aire. Es la diferencia en presiones que causan flujo de aire de combustión

dentro del calentador. La presión diferencial es causada por la diferencia en las

densidades de los productos de combustión en el calentador, conductos y el aire externo

de el calentador.

Encendedor. Es un mecanismo usado par encender un piloto del quemador.

Estabilidad. Es la calidad de un quemador haciendo posible quedar encendido por

encima del rango de la relación de mezcla aire-combustible y del combustible.

Exceso de aire. Es la cantidad de aire por encima del requerimiento para una

combustión completa, expresada como un porcentaje.

Flujo de aire forzado. Es la diferencia en presión producida por medios mecánicos que

liberan aire al quemador a una presión mayor a la atmosferica.

Flujo de aire inducido. Es la diferencia en presiones producida por medios mecánicos

dando como resultado una presión negativa en el calentador que abastece el flujo de aire

combustible.

Flujo de aire normal. Es una diferencia de presiones resultantes de la tendencia de

crecimiento de los gases calientes del horno, hasta la creación de un vacio parcial en el

calentador. Esto sirve para sacar el aire combustible dentro del quemador.

Flujo de aire prmezclado. Es un gas para combustión el cual todo o una porción del aire

de combustión es aspirado al venturi-aspirador mezclador por el flujo de gas

combustible. El combustible y el aire son premezclados cuando entran a la zona inicial

de combustión.

Garganta del quemador. Es una restricción en la trayectoria del flujo de aire por un

bloque del quemador y otros componentes. La restricción inicia turbulencias por la

mezcla de aire y combustible.

Perdida de la corriente de aire. Se refiere generalmente como a la caída de presión del

aire a traves del quemador.

Piloto del quemador. Es un pequeño quemador que provee de la inflamación o de la

fuente de la nama al quemador principal.

Pleno. Es una cámara que rodea al quemador que es usado para distribuir el aire del

quemador o reducir el ruido de combustión; caja de aire.

U.N.AM. 131

Desgaste en boquillas. Apéndice.

Relación aire combustible. Es la relación de combustible y aire requeridos para

completar la combustión así que los productos de combustión no contienen oxígeno.

Relación hidrógeno-carbono. Es el peso del hidrógeno en un combustible de

hidrocarburo dividido por el peso del carbono.

Retroceso de la lIama. Es el fenómeno que aCUITe cuando una flama se propaga en la

dirección opuesta al flujo de la mezcla aire-combustible. Esto ocurre cuando la

velocidad de la flama excede la velocidad de la mezcla aire-combustible a través de la

boquilla del quemador.

Temperatura de autoinflamación. Es la temperatura más baja requerida para que un

combustible se encienda y se mantenga así con la ausencia de un piloto o flama.

Temperatura de flama. Es la temperatura encontrada durante una combustión constante

dentro de la flama del quemador. La temperatura de la flama adiabática es la

. temperatura de flama teórica calculada en condiciones adiabáticas y. corregida por

disociación.

Turndown. Es la relación de el máximo al mínimo gasto de combustible de un

quemador mientras esta en condiciones estables de combustión.

Valor más alto de calentamiento. Es el total de calor obtenido de la combustión de un

combustible especifico, expresado como Btu por libra por pie cúbico; valor de calor

bruto.

Valor más bajo de calor. Es el valor minimo del calentamiento más alto del calor latente

de vaporización de el agua formado por la combustión de hidrógeno y el combustible,

expresada en Btu por libra por pie cúbico; valor de calentamiento neto.

Velocidad de quemado. Es la velocidad con la que es suministrado el combustible al

quemador o calentador. Es usualmente expresada en unidades de calor como las Btu por

hora.

Velocidad de flama. Es la velocidad a la cual una flama se propaga al combustible

mezclado.

u. N. A.M 132


A.2. DEFINlCION DE TERI01NOS DEL CAPITULO 1I.

Los ténninos y sus definiciones dadas aquí representan la terminología relacionada con

el desgaste y la erosión de cuerpos sólidos, debido a las interacciones mecánicas, choque

por chorros o gotas de liquidas o por partículas sólidas. ~ por el movimiento de superficies

sólidas o fluidos.

Acanaladura. Es la formación de canales por deformación plastica en una de las

superficies mas suaves cuando se tiene un movimiento relativo.

Angulo de ataque. Es el angulo entre la dirección de movimiento de un fluido o

partículas sólidas que chocan y la tangente de la superficie en el punto de impacto.

Angula de impacto. Puede ser cualquier ángulo de ataque o de incidencia. Por esta

ambigüedad, este termino debería ser definido específicamente cuando es usado, o,

preferiblemente, usado solo en el contexto donde la ambigüedad no importa.

Angula de incidencia. Es el ángulo entre la dirección de movimiento de un fluido o

partículas sólidas que chocan y la normal de la superficie en el punto de impacto.

Area de contacto. Area de contacto entre dos superficies sólidas definidas por las

fronteras de sus interfaces microscópicas (contrasta con el área real de contacto).

Area real de contacto. Es la suma de las areas locales de contacto entre dos superficies

sólidas, formadas por las asperezas en contacto, que transmiten las fuerzas interfadales

entre las dos superficies.

Area de exposición. Es el area de un objeto que está expuesta a un tipo de ataque.

Aspereza. Son protuberancias topográficamente irregulares y de pequeña escala en la

superficie de un sólido.

Brinelling. Daño en la superficie de apoyo de un sólido caracterizado por uno o más

indentaciones formadas plásticamente ocasionado por sobrecarga.

Capa Beilby. Capa de una superficie que se altera, formada por una línea cristalina

sólida durante un proceso de desgaste o por un pulido mecánico.

Cavitación. Es la formación o colapso, dentro de un líquido, de cavidades o burbujas

que contienen vapor, gas o ambas.

Cavitación por flujo. Es la cavitación causada por una disminución en la presión

estática inducida por cambios en la velocidad de flujo de un liquido. Esto puede ser

causado cuando el flujo rodea un obstáculo o a través de una construcción, una cuchilla

U.N.AM. 133

Desgasle en boquillas. Apéndice.

o una hoja. Una nube de cavitación o estela cavitante generalmente se traza de algun

punto adyacente al obstáculo o construcción hasta alguna distancia comente arriba, las

burbujas se comienzan a formar en un lugar y colapsar en otra.

Cavitación por vibración. Es la cavitación causada por la presión de fluctuación sin un

liquido, inducido por la vibración de una superficie sólida sumergida en un liquido.

Choque. Es el proceso resultante en una sucesión continua de impactos entre partículas

sólidas o líquidas y una superficie sólida.

Choque acumulativo, H (L). Es el volumen acumulativo del líquido impactado por

unidad de area de la superficie impactada.

Chorro cavitante. Es un chorro de líquido continuo en el cual se produce cavitación.

Chorro de liquido. Es el cuerpo de un líquido proyectado en movimiento, usualmente de

forma cilíndrica, el cual puede ser producido por la descarga de un liquido a través de

un orificio. En el choque de líquidos dos clases de chorros son usados:

Chorro continuo. Es el flujo continuo en fanna de chorro.

Segmento de chorro. Es un liquido proyectado donde su longitud no es usualmente mas

de algunas veces su diámetro y se mueve en dirección paralela de su longitud.

Choque de sólidos. Es el choque por partículas sólidas.

Choque en el periodo de incubación, l'4 (L). Es el principal choque acumulativo

correspondiente a este periodo.

Coeficiente cinético de fricción. Es el coeficiente de fricción bajo condiciones de

movimiento relativamente macroscópico entre dos cuerpos.

Coeficiente de fricción, J.1 o f. Es la relación dimensional de la fuerza de fricción (F)

entre dos cuerpos a una fuerza normal (N) pasando estos cuerpos juntos.

Coeficiente estático de fricción. Es el coeficiente de fricción correspondiente a la fuerza

máxima de fricción que debe ser subyugado a iniciar el movimiento macroscópico entre

dos cuerpos.

Comportamiento de erosión dúctil. Es un comportamiento con caracteristicas propias

que pueden ser asociados con fractura dúctil en la superficie sólida expuesta.

Considerable deformación plástica que precede ,o acompaña una pérdida de material de

la superficie el cual puede ocurnr por goteo o al hacerse quebradiza o por el

U.N.A.M. 134


endurecimiento que conduce a la formación de grietas. En choque de sólidos, se ven

fácilmente dos aspectos de erosión que ayuda a distinguir este tipo de erosión. El

primero es donde el volumen renovable varia con el ángulo de ataque. Los materiales

dúctiles muestran un máximo volumen removido para angulas de 20 a 30v, en contraste

con los 90° para la erosión frágil o quebrantable. Una segunda indicación de erosión

dúctil es la forma de ondulaciones que se forman en la superficie expuesta a bajos

valores de ángulo de ataque.

Comportamiento de erosión frágil o quebrantable. Comportamiento erosivo teniendo

caracteristicas propias que pueden ser asociadas con fractura frágil de la superficie

expuesta. Ocurre en un flujo pequeño o no plástico, pero la cuarteadura se intercepta

para formar fragmentos erosionados. En choque de sólidos, un aspecto fácilmente

observable de erosión ayuda distinguir el comportamiento frágil del dúctil. Esta es una

manera en la cual el volumen removible varía con el ángulo de ataque. Con esta erosión

el máximo volumen renovable ocurre con un ángulo cerca a 90°, en contraste al

aproximado de 25° en el comportamiento de erosión dúctil.

Concentración de partículas. Es la medida del contenido de partículas liquidas o sólidas

en una mezcla de las partículas y un fluido. Los ténninos siguientes son usados:

Conjunto de eficiencia. Es el área de sección transversal de un fluido sin disturbio que

contiene partículas que chocaran en la superficie de un sólido dado, dividido por el área

proyectado de la superficie sólida, donde esas dos áreas son perpendiculares a la

dirección del movimiento relativo entre la superficie del sólido y las partículas en un

fluido sin disturbio.

Corrosión por choque. Es una fonna de erosión-corrosión generalmente asociada con

choques a gran velocidad, de flujo líquido que contiene burbujas de aire en contra de

una superficie sólida.

Curva de erosión acumulativa-tiempo. Una zona de erosión acumulativa contra la

duración de exposición acumulativa, usualmente detenninado por una interrupción

periódica de la prueba y peso del espécimen. Es la primera medición de una prueba de

erosión. Algunas otras características, tales como periodo de incubación, máxima

velocidad de erosión, velocidad terminal de erosión y curva de velocidad de erosión

tiempo, son derivados de esta.

U.N.A.M 135


Curva de velocidad de erosión-tiempo. Es un trazo de puntos instantáneos de velocidad

de erosión contra la duración de exposición, usualmente obtenida por diferenciación

numérica o gnifica de la curva de erosión acumulativa-tiempo.

Daño (en cavitación o choque). Cualquier efecto en un cuerpo sólido resultante de su

exposición a estos fenómenos. Puede incluir la pérdida de material, defonnación de la

superficie, o cualquier otro cambio en la micorestructura, propiedades o apariencia.

Desgajamiento. Es la separación de partículas macroscópicas de una superficie en

forma de hojuelas o virutas, usualmente asociado con los elementos rodantes como

chumaceras o dientes de engranes, pero también es el resultado de impactos.

Desgaste. Daño en una superficie sólida. generalmente involucra una progresiva pérdida

de material. debido al movimiento relativo entre esa superficie y una o unas substancias

en contacto.

Desgaste abrasivo. Desgaste debido a las particulas duras o protuberancias forzadas y

movidas contra una superficie sólida.

Desgaste adhesivo. Desgaste que se da en la unión entre el conlacto de dos superficies

sólidas y se da en cualquiera de las dos superficies.

Desgaste catastrófico. Daño, deterioro o cambio de forma ocurrido y acelerado

rápidamente en la superficie causado por el desgaste, en el cual el grado de servicio es

apreciablemente recortado o su función es destruida.

Desgaste corrosivo. Desgaste en el cual una reacción química o electroquímica con el

medio ambiente es significante.

Desgaste por fatiga. Es el desgaste de una superficie sólida causada por fractura del

material fatigado.

Duración de exposición. En erosión o desgaste, el tiempo de exposición o cualquier otra

medición adecuada de la acumulación de exposición a un medio erosivo o desgastante.

Para desgaste, es la distancia recorrida. Para erosión, es la duración de varios

parámetros como el número de impactos que han ocurrido en un punto dado, la masa o

volumen de partículas que han chocado en una unidad de área de la superficie expuesta.

Para la cavitación por vibración, es el número de ciclos.

Elasticidad última, R.... Es un parámetro de un material definido por la ecuación:

U.N.AM. 136


Ro = S"'/2E

Donde:

Su = Resistencia máxima a la tensión.

E = Modulo de elasticidad, determinado de una prueba convencional para tensión.

Erosión. Es la pérdida progresiva del material original de la superficie de un sólido

debido a la interacción entre esa supertlcie y un fluido, un fluido multicompuesto,

choque de liquidos o particulas sólidas.

Erosión acumulativa. Es la cantidad total de material perdido de una superficie sólida

durante todos los periodos de exposición desde que fueron expuestas por primera ves a

cavitación o choque.

Erosión-corrosión. Es una acción conjunta entre la corrosión y la erosión en la presencia

de una substancia corrosiva.

Erosión por cavilación. Pérdida progresiva del material original de una superficie sólida

debido a la exposición continua a la cavitación.

Erosión por choque de líquidos. Es la pérdida progresi\'a de material original de una

superficie sólida debido a la exposición continua a impactos por gotas o chorros de

líquidos.

Erosión por impacto repetiti\'o. Se da cuando se tienen un número determinado de

impactos de partículas, con tamaño, forma y velocidad de impacto similares, en una

misma zona en un objeto determinado.

Excoriación. Forma severa de desgaste caracterizado por la formación de muescas y

ralladuras en la dirección de deslizamiento de las superficies.

Factor de picadura. Es la mayor profundidad de la picadura medida desde el nivel de la

superficie original, dividido por la profundidad principal de erosión.

Fluido acarreador. Es el medio de transporte para partículas líquidas o sólidas que les da

su momento relativo hacia la superficie sólida en la cual chocan.

Frecuencia de impactos específicos, [¡ (TI). Es el número de impactos por unidad de

tiempo dado por (albl Vi.

Fretting. Es un mo\'imiento oscilatorio de pequeña amplitud, usualmente tangencial,

entre las superficies de dos sólidos en contacto.

u. N.A. M. 137


Fuerza de fricción. Es la fuerza de resistencia tangencial en la interface entre dos

cuerpos cuando, bajo la acción de una fuerza externa, un cuerpo se mueve o tiende a

mover relativamente al otro.

Gota. Es un cuerpo pequeño de líquido mantenido unido primariamente por la tensión

superficial.

Impactos específicos, N. Es el número de impactos que dañan un punto especifico en la

superficie de exposición.

Lubricante. Es cualquier substancia interpuesta entre dos superficies con el fin de

reducir la fricción o el desgaste en eIJas.

Modelo de velocidad de erosión-tiempo. Es cualquier descripción cualitativa de la

forma de la curva de velocidad de erosión-tiempo, en termino de las muchas etapas en

la cual puede ser compuesta.

Nube cavitante. Es un conjunto de un gran número de burbujas de cavilación. Las

burbujas en la nube son pequeñas. típicamente menor que 1 mm (0.04 pulg) a través de

la sección. Una superficie que comienza a ser erosionada por cavitación es comúnmente

obscurecida por una nube de cavilación.

Número de cavitación. o. Es un número dimensional que mide la tendencia de ataque

por cavilación que ocurre en un flujo de vapor o líquido y esta dado por la ecuación:

~ (Po - p,. )/(V,pV.')

Donde:

p,. = Presión de vapor.

Po = Presión estática en el vapor en un estado sin disturbio.

Vo = Velocidad de un vapor sin disturbio.

p = Densidad del líquido.

Número de resistencia a la erosión, NOR. Es el valor de la resistencia a la incubación

normalizada de un espésimen de acuerdo a una escala estandarizada.

Número de impactos especificos en el periodo de incubación., No. Es igua1 al periodo

racionalizado de incubación.

u. N. A.M. 138


Periodo de aceleración (en erosión por cavitación y choque de líquidos). Es la etapa

seguida del periodo de incubación en la cual la velocidad de erosión aumenta de casi

cero al valor máximo.

Periodo de atenuación (en erosión por cavitación y choque de liquides). Es un término

poco usual para periodo de desaceleración.

Periodo de desaceleración (en erosión por cavitación y choque de líquidos). Es el

periodo seguido al de aceleración ° al de máxima velocidad, durante el cual la

velocidad de erosión decrece en forma extrema.

Periodo de incubación (en erosión por cavitación y choque). Es la etapa inicial en el

modelo de la curva velocidad de erosión-tiempo, durante la cual la velocidad de erosión

es cero o despreciable. comparada con las anteriores. También, es la duración de la

exposición asociada con esta etapa. Cuantitativamente es la intersección del eje del

tiempo de exposición, de la extensión de una linea recta' de la porción de la pendiente

máxima de la curva de erosión acumulativa-tiempo.

Periodo de incubación racionalizado, N<;>. Es la duración de este periodo en términos al

número especifico de impactos.

Periodo de velocidad máxima (en erosión por cavitación y choque de líquidos). Es una

etapa seguida de un periodo de aceleración durante el cual la velocidad de erosión se

mantiene constante en su último valor.

Periodo terminal (en erosión por cavitación y choque de líquidos). Es una etapa seguida

de un periodo de desaceleración, durante el cual la velocidad de erosión se ha nivelado

y permanece constante (aveces con fluctuaciones superpuestas) en un valor

substancialmente menor que la maxima velocidad ocurrida anteriormente.

Picadura. Es una forma de desgaste caracterizado por la presencia de cavidades en la

superficie, el cual es dado por procesos como fatiga, adhesión local o cavitación.

Presión de contacto Hertziano. Es la magnitud de la presión en cualquier punto en el

área de contacto Herziano, como el calculado de la ecuación de deformación elástica de

Hertz.

Presión de succión positiva neta (NPSH. Det positive suction head). Es la diferencia

entre la presión total y presión de vapor en un flujo de un fluido, expresado en términos

de la altura del fluido, o presión, por la ecuación:

u. N. A.M. 139


Donde:

Po = Presión est<itica.

p ,. = Presión de vapor.

V = Velocidad de flujo.

NPSH ~ (po Iw) + (V'/2g) - (P, I w)

w = Peso especifico del !luido.

g = Aceleración de la gravedad.

Apéndice.

Esta cantidad es usada en diseño de bombas como una medición de la tendencia por

cavitación que se da en el encendido de la bomba. Puede ser relacionado por el número de

cavilación.

Profundidad principal de erosión. Es la profundidad promedio de erosión en una área

especificada. Es calculada dividiendo la masa perdida por la densidad del material para

obtener el volumen perdido, y dividiendo por el área de la superficie especificada.

Prueba de erosión por cavitación. Es un procedimiento donde una superficie sólida está

sujeta a un ataque de cavitación bajo condiciones específicas, medibles o al menos

repetibles.

Prueba de impacto distribuido (prueba de choque). Es un método que produce una serie

de choques distribuidos en cierto espacio, es dado por líquidos o cuerpos sólidos sobre

la superficie de una muestra.

Ralladura. Es una forma mecánica de remoción, desprendimiento o ambos, de material

de una superficie por la acción de partículas abrasivas o protuberancias que se deslizan

por las superficies.

Relación de erosión instantánea. Es la pendiente de la tangente de la curva de erosión

acumulativa-tiempo en un punto especifico en esa curv"a.

Relación de erosión racionalizada. Relación de erosión por choque expresado en formas

dimensionales como las siguientes: volumen del material perdido por unidad de

volumen las partículas que chocan. ambas determinadas por áreas similares.

Relación de choque. Vi (L rl). Es el volumen del liquido que se impacta por unidad de

tiempo, en una unidad de área de la superficie de exposición.

Relación en un intervalo de erosión. Es la pendiente de Una línea que une dos puntos

específicos en la curva de erosión acumulativa-tiempo.

u. N. A. M. 140


Relación promedio de erosión. Es la erosión acumulativa dividida por la

correspondiente duración de exposición acumulativa., esto es, el declive de una línea

desde el origen de un punto especifico en la curva de tiempo de erosión acumulativa.

Resistencia a ~a erosión normalizada., Ne. Es la velocidad de pérdida de volumen de un

espécimen, dividido por la velocidad de pérdida de volumen de un espécimen estudiado

anteriormente o de referencia.

Resistencia a la erosión de referencia., Sa-o Es la resistencia a la erosión normalizada.,

basada en un espécimen estudiado anteriormente o de referencia.

Resistencia a la incubación de erosión, Ser. Es la resistencia al periodo de incubación

normalizado, basada en un espécimen estudiado anteriormente o de referencia.

Resistencia a la incubación normalizada., So. Es el periodo de incubación de un

espécimen dividido por el periodo de incubación de un material de referencia.

SMD "sauter mean diameter". El diámetro de una gota que tiene la misma relación de

volumen para el área de la superficie como la relación del volumen total para el área

total de la superficie en una distribución de gotas., está dado por la ecuación:

SMD= ¿, n, d,' /¿, n, d,'

Donde:

= intervalo de tamaño de una muestra.

di = diámetro de gota.

ni = número de gotas en ese intervaJo.

Tamaño de chorro. Es el diámetro de un chorro. La longitud debe ser dada en caso de

un "slug" o segmento de chorro.

Tamaño de gota. Diámetro de una gota si es aproximadamente esférica., de otra manera

la forma y dimensiones aproximadas deben ser descritas.

Tribología. Es la ciencia y tecnología que trata la interacción de superficies en

movimiento relativo.

Túnel de cavitación. Es un flujo de prueba de cavitación en el cual el líquido es

bombeado a través de un tubo o túneL y la cavitación es inducida un una sección de la

prueba por la conducción del flujo a través de una construcción, o alrededor de un

obstáculo o una combinación de estas.

U.N.AM 141


Valor de erosión. Es el volumen del material perdido de un espécimen dividido por la

masa total de las partículas de abrasivo impactadas al espécimen, (mm3 /g).

Velocidad de desgaste. Es la velocidad de remoción de material o cambio dimensional

debido al desgaste por unidad de parámetro de exposición, por ejemplo, la cantidad de

material removido (masa, volumen, espesor) en distancia unitaria de deslizamiento o

unidad de tiempo.

Velocidad de erosión. Es la determinación de pérdida de materia (erosión) en un cierto

tiempo de exposición.

Velocidad de impacto. Es la velocidad relativa entre la superficie de un cuerpo sólido y

el choque de una partícula líquida o sólida.

Velocidad de impacto absoluta. La magnitud de la velocidad de impacto.

Velocidad de impacto normal. Es la componente de la velocidad de impacto que es

perpendicular a la superficie de exposición en el punto de impacto.

Velocidad máxima de erosión. Es la máxima velocidad de erosión instantánea que se da

en un flujo después de que comienza a decrecer.

Velocidad terminal de erosión. Es la velocidad final constante que es aJcanzada después

de que la velocidad de erosión ha disminuido de su valor máximo. Esto ocurre en

algunos fenómenos de cavitación y choque de líquidos.

Volumen de concentración. \11. Es la relación del volumen del líquido con el volumen

total de material desprendido en un área de exposición de un espésimen.

u. N. A. M 142


A.3.DEFINICION DE TERMINOS DEL CAPITIJLO IlI.

Atomización. Es dividir un ·Iiquido en pequeñas gotas para mejorar la mezcla de

combustible-aire así como la combustión. El vapor, aire y el gas combustible son

normalmente atomizados. La atomización debe ser realizada por medios mecánicos.

Atomizador. Los atomizadores son dispositivos mecánicos para dividir un liquido en

pequeñas gotas para mejorar la mezcla de combustjble~aire asi como la combustión. El

vapor, aire y el gas combustible son normalmente atomizados

Boquilla atomizadora. Dispositivo por el cual es expulsado un chorro de combustible,

aire o combinados (en quemadores de premezcla) fuera del quemador para poder ser

quemado.

O,. Diámetro de gota de peso medio.

r,. Radio del orificio de la boquilla.

A.4. DEFINICION DE TERMINOS DEL CAPITULO IV.

Desgaste en boquillas. Fenómeno de deterioro que se presenta debido a las condiciones

tan extremas con las que operan.

Flujo con angula de impacto. Flujo el cual circula de manera no lineal del medio que

lo conduce, siendo mayor el impacto ellas paredes cuando mayor es el angula.

Flujo sin ángulo de impacto. Se da cuando el flujo circula en forma paralela al medio

que lo conduce y el impacto tiende a ser menor entre mayor sea el paralelismo.

U. N. A. M. 143

TESIS: ESTUDIO PARA DETERMINAR LA INFLUENCIA DEL …

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