Cálculo del potencial de carbono mediante sondas de oxígeno
La composición de equilibrio de los gases viene determinada por la reacción agua/gas:
H2 + CO2 CO + H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (7)
Si combinamos las reacciones (5) y (7):
2 CO CFe + CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(6)
Es posible calcular la actividad de carbono en la atmósfera mediante el uso de la constante de equilibrio termoquímico en la anterior reacción:
ac = p CO2 K6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8)
p CO2
Dado que K6 depende solamente de la temperatura, se puede calcular la actividad de carbono a partir del CO y CO2; como el CO es relativamente constante, es posible utilizar únicamente el CO2.
Ya hemos visto que la sonda de oxígeno mide la pequeña cantidad de oxígeno en equilibrio con el CO y el CO2, que se ajusta a la reacción siguiente:
2 CO + O2 2 CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (9)
Si combinamos las reacciones (6) y (9), y utilizamos la constante de equilibrio para calcular la actividad del carbono,
ac = p CO K10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (10)
p O2 0.5
De ahí que pueda utilizarse la sonda de oxígeno para determinar la actividad de carbono en la atmósfera y que se demuestre que el potencial de carbono es una función de la actividad de carbono (ac), la temperatura y la composición del acero (q).
Por lo tanto:
Cp = f (T, V, CO, q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (11)
Donde
Cp es el potencial de carbono (%) T es la temperatura (K)
V es la tensión de la sonda (v) CO es el monóxido de carbono (%)
q es el factor de la aleación de acero
El hecho de que el potencial de carbono dependa de la composición del acero puede explicarse debido a que, en presencia de los elementos de la aleación, el potencial de carbono efectivo de la atmósfera se incrementa con los elementos que forman carburos más estables que el hierro, como Cr y Mo, mientras que los menos sólidos, como Ni o Si, disminuyen el potencial efectivo de carbono.
Los complejos cálculos matemáticos necesarios para determinar el potencial de carbono de la atmósfera están creados en la mayor parte de los controladores. El instrumento obtiene directamente la tensión de la sonda (mV) y la temperatura, mientras que el CO y los factores de aleación se combinan como una constante para un grupo determinado de condiciones de carga conocido como FACTOR DE PROCESO (PF) o factor CO, donde:
29 (PF) + 400 = 945.7 q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (12)
A partir de la ecuación anterior, se puede calcular que para un acero al carbono corriente (q=1) procesado en un gas endotérmico generado a partir de metano (CO = 20), el factor de proceso será de 147. No obstante, la experiencia práctica ha desmostrado que el factor de proceso, en estas condiciones, puede variar entre 150 y 250, en función de las condiciones de cada horno. Un aspecto importante a la hora de determinar el factor de proceso es la duración del ciclo, ya que se ha demostrado que la superficie metálica no alcanza un equilibrio con la atmósfera gaseosa hasta que no han transcurrido 20 horas. Por lo tanto, si el potencial de carbono se controla en el 0,8 %, la superficie metálica tan sólo habrá alcanzado el 0,7 % después de 4 horas.
En atmósferas sin equilibrio o cuando el CO pueda mantenerse constante durante el ciclo, es posible obtener un valor de CO con un analizador de infrarrojos por medio de la entrada auxiliar.
Para controlar el carbono con precisión absoluta, es posible actualizar el factor de proceso continuamente en base al potencial de carbono calculado mediante un sistema por infrarrojos ULTRACARB 1000 de tres gases (CO, CO2 y CH4). Este sistema ofrece total precisión en el cálculo del carbono de 3 gases con la velocidad de respuesta de una sonda de oxígeno.
