Pernos de vástago largo de 310S para pantallas térmicas de hornos: permitir el movimiento térmico

Esta guía trata de cómo pedir pernos para pantallas térmicas en función del movimiento, no solo del diámetro. Deben indicarse conjuntamente la temperatura de la pantalla, la distancia de dilatación y qué posiciones deben fijar y cuáles deben permitir el deslizamiento: un perno de vástago largo con la longitud adecuada también falla si inmoviliza una posición que debía deslizarse.

Una pantalla térmica no es una unión a presión. Bloquea el calor radiante y se mueve con la temperatura; en las posiciones deslizantes, sus pernos sirven ante todo de guía y retención, y en segundo lugar de sujeción por apriete. Esa diferencia determina el vástago, el agujero y la arandela de cada posición.

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Figura: pantalla térmica de 310S; las posiciones de fijación y de deslizamiento requieren pernos distintos. Ejemplo de cálculo del movimiento a partir de los coeficientes medios de dilatación térmica de Outokumpu.

01 La pantalla se mueve y el perno debe permitir el recorrido previsto

Cuando una pantalla de acero pasa de la temperatura ambiente a la del horno, se dilata a lo ancho. Una pantalla de 1 metro de anchura, calentada de 20°C a 820°C, se dilata unos 15.5 mm con un coeficiente medio de 19.4 µm/m·K entre 20°C y 800°C. Ese aumento de tamaño debe encontrar espacio: en un agujero que permita deslizar, en una holgura junto al borde de la pantalla o, si todos los pernos la sujetan rígidamente, mediante pandeo.

310S, UNS S31008, pertenece a la familia de materiales habitual para pantallas: conserva la resistencia a la oxidación a la temperatura del horno y su dilatación puede calcularse en el diseño. La ficha de aceros inoxidables de la gama Therma de Outokumpu atribuye a Therma 310S/4845 una resistencia a la oxidación generalmente muy buena y una temperatura máxima de aplicación en aire de 1050°C, solo como orientación, con una ligera susceptibilidad a la fragilización durante el funcionamiento continuo entre 600°C y 900°C. La misma ficha indica un coeficiente medio de dilatación térmica de 18.8 µm/m·K entre 20°C y 600°C, que aumenta a 19.4 entre 20°C y 800°C y a 20.0 entre 20°C y 1000°C; por tanto, el cálculo del movimiento debe utilizar el coeficiente medio en el intervalo de temperatura de la pantalla, no solo un valor a temperatura ambiente. La composición normalizada de S31008 según ASTM A479 incluye cromo 24–26% y níquel 19–22%; 310S es la versión de bajo carbono, con un máximo de 0.08%, que debe confirmarse frente a la edición aplicable de A479. Solicite 310S de bajo carbono, no 310 convencional, cuando haya soldadura o servicio prolongado a temperaturas intermedias.

El soporte suele dilatarse menos que la pantalla, y esa diferencia constituye una segunda magnitud de movimiento. Con los valores medios de Outokumpu entre 20°C y 800°C, una pantalla de 310S con 19.4 µm/m·K frente a un soporte ferrítico con 13.0 µm/m·K se dilata 5.1 mm más que su soporte en una anchura de 1 metro y con un aumento de 800°C; por ello, las posiciones deslizantes deben absorber esa diferencia además de la propia dilatación de la pantalla.

• Identifique el material de la pantalla, su intervalo de temperatura, su anchura entre puntos fijos y la disposición de esos puntos.
• Clasifique cada posición como fija o deslizante antes de dimensionar cualquier agujero o arandela.
• Registre el movimiento calculado a partir de esos cuatro datos, ya que de él parten todos los agujeros y holguras que se definan después.

02 Las posiciones fijas y deslizantes requieren pernos distintos

Una pantalla térmica necesita ambos tipos de posición, y no deben pedirse como si correspondiera el mismo perno a todas. Una posición fija sujeta la pantalla contra su soporte, soporta su peso y fija su ubicación. Una posición deslizante permite que la pantalla se dilate desplazándose respecto al perno, soporta solo la carga necesaria para impedir que la pantalla se levante o traquetee y no debe bloquearse en caliente. Un vástago largo ayuda en ambas: en una posición fija proporciona una mayor longitud de alargamiento, por lo que el perno conserva más precarga residual cuando la unión se relaja a temperatura de servicio; en una posición deslizante, un vástago liso más largo proporciona una superficie de deslizamiento definida, en vez de hacer que la pantalla deslice sobre una rosca que sufrirá gripado, desgaste y bloqueo.

En una posición deslizante, el agujero de la pantalla debe superar el diámetro del vástago en la holgura necesaria para el movimiento más un margen para cascarilla y deformaciones. La arandela situada bajo la cabeza o la tuerca debe cubrir ese agujero sobredimensionado incluso al final del recorrido; de lo contrario, la pantalla podrá rebasar la arandela en su posición más caliente. En una posición fija, el agujero puede ser ajustado y la arandela estándar, con un método de apriete que proporcione una precarga repetible. Indique para cada posición si es fija o deslizante, el diámetro del agujero, el diámetro de la arandela y el recorrido requerido. Un plano que represente todas las posiciones como simples agujeros para pernos, sin indicar cuáles son fijas o deslizantes, dará lugar a un montaje completamente fijo y la pantalla pandeará en el primer ciclo térmico.

La precarga también disminuye con el tiempo a temperatura de servicio, aunque ninguna tuerca haya girado. La página técnica de Bolt Science sobre la relajación de tensiones describe esa pérdida; una posición fija dimensionada únicamente a partir de un valor de apriete en frío estará apretada durante el montaje y floja después de los primeros ciclos térmicos. El pedido debe indicar el método de apriete para cada posición y el estado esperado en caliente, no solo un valor de par.

03 Aleaciones candidatas y límites de cada una

310S, UNS S31008, en barra según ASTM A479, es el punto de partida para una pantalla cuando predominan la oxidación y el coste. Los límites que señala Outokumpu son una temperatura máxima de aplicación en aire de 1050°C, solo como orientación, y una ligera susceptibilidad a la fragilización durante el funcionamiento continuo entre 600°C y 900°C. La resistencia a temperatura ambiente de un perno de pantalla es un dato que debe constar en el certificado, no el criterio que determina su dimensionamiento: el pedido indica el estado según A479 y el certificado debe reflejar el estado del perno terminado, ya que este se dimensiona para el peso, la vibración y la carga térmica, no para asentar una junta de estanqueidad. Aquí no se indica ningún mínimo de barra ni se aplica a un elemento de fijación de barra un mínimo correspondiente a chapa.

Inconel 601, UNS N06601, en barra según ASTM B166, es la alternativa para temperaturas superiores cuando la pantalla trabaja a temperaturas más altas o con ciclos más exigentes de lo que admite 310S. El boletín de Special Metals sobre INCONEL alloy 601 indica níquel 58–63%, cromo 21–25% y aluminio 1.0–1.7%, con resistencia a la oxidación hasta 1200°C y una capa de óxido resistente al desprendimiento bajo ciclos térmicos severos. Su comportamiento bajo carga se apoya en un valor típico de fluencia del boletín de 4.1 ksi, unos 28 MPa, para una deformación del 1% en 1000 horas a 760°C; el material solubilizado se destina al servicio limitado por rotura por fluencia a unos 540°C y temperaturas superiores, y el recocido al servicio limitado por resistencia a la tracción por debajo de esa temperatura. Los valores típicos de varillas y barras recocidas son de 80–115 ksi de resistencia a la tracción y 30–60 ksi de límite elástico, expresamente identificados como intervalos típicos; no se indican mínimos de barra de B166.

Incoloy 800H, UNS N08810, en barra según ASTM B408, es la alternativa centrada en la resistencia a la fluencia cuando el soporte de una pantalla soporta una carga sostenida a alta temperatura, con carbono 0.05–0.10%, aluminio 0.15–0.60% y titanio 0.15–0.60% individualmente, y tamaño de grano ASTM No. 5 o más grueso. Los requisitos a temperatura ambiente deben comprobarse frente a la edición aplicable de ASTM B408 y al estado especificado de la barra. Los mínimos de piezas forjadas de ASTM B564 no son los mínimos de barra de B408 ni constituyen la base de dimensionamiento de un perno mecanizado a partir de barra. Un conjunto de 304, UNS S30400, con tornillería según ASTM A193 B8, marca el límite que debe evitarse a temperatura de horno: compruebe las condiciones de oxidación frente a la especificación del proyecto antes de cualquier sustitución por 304.

Las especificaciones de barras y materiales como ASTM A479, B166, B408 y B564 no definen por sí solas un perno terminado: el perfil de rosca, las dimensiones, el acabado, la combinación con tuerca y los ensayos de la pieza terminada deben indicarse por separado en el pedido.

04 Longitud, agujero, arandela y conjunto recibido

Un perno de vástago largo para pantalla falla por el tamaño del agujero o de la arandela con más frecuencia que por el grado del material. Indique los espesores de la pantalla y del soporte, las longitudes del vástago y de la rosca, y el diámetro del agujero, el diámetro de la arandela y el recorrido permitido en cada posición; acote el vástago por separado de la rosca en el plano. Un perno con suficiente longitud total pero con vástago liso demasiado corto en una posición deslizante hace que la pantalla deslice sobre la rosca, que sufrirá gripado y se bloqueará. Una arandela que cubre el agujero en frío pero no al final del recorrido permite que la pantalla la rebase en caliente.

Indique el método de apriete para cada posición. Una posición fija necesita un par especificado o un procedimiento de par y ángulo: apretar hasta un par indicado y después girar la tuerca un ángulo adicional definido, para obtener un alargamiento más repetible que con el par solo cuando varía la fricción. Una posición deslizante necesita una holgura especificada o un ajuste ceñido controlado, no un apriete completo que la bloquee. Las roscas inoxidables pueden soldarse en frío y desgarrarse cuando superficies de la misma aleación giran una contra otra bajo carga. La nota técnica de Bossard sobre el gripado describe la rotura de la capa de óxido en roscas inoxidables; por eso importa el lubricante y deben figurar en el pedido la norma y el estado de la tuerca. Durante la parada de mantenimiento, inspeccione los pernos desmontados por posición: espesor de cascarilla, desgaste de rosca en posiciones deslizantes, huella de la arandela y cualquier perno que haya tenido que cortarse para retirarlo. Un perno desgastado solo en una posición deslizante requiere cambiar el agujero, la arandela o la holgura; un conjunto con cascarilla en todas las posiciones requiere otra aleación o una descripción diferente de la temperatura.

Antes de realizar el pedido, envíe al equipo de ingeniería de BYBOLT el plano de la pantalla, el intervalo de temperatura, la disposición de puntos fijos y el mapa de posiciones fijas y deslizantes para su comprobación. Esa revisión permite detectar un conjunto de pantalla pedido como si todas las posiciones fueran fijas, una arandela demasiado pequeña para el recorrido completo o un vástago demasiado corto para permitir el deslizamiento.

A la recepción, la documentación de calidad debería vincular cada conjunto de pernos con su colada, su registro de recocido y su informe de dureza en el estado final. Solicite certificados EN 10204 3.1, un informe dimensional de los pernos reales y un informe de PMI cuando el proyecto lo requiera. Un certificado de barra por sí solo no demuestra que el perno terminado y roscado cumpla el estado en el que se basó el dimensionamiento de la pantalla.

05 Solicite una oferta con los datos de la pantalla, no solo con el grado

Si se está redefiniendo la especificación de una pantalla térmica de horno o se estudia utilizar un conjunto de 310S para sustituir otro que ha sufrido pandeo o aflojamiento, envíe los datos de la pantalla junto con las dimensiones. Una nota como «Conjunto de pernos hexagonales M12 de vástago largo en 310S para pantalla térmica de horno, temperatura de pantalla de 850°C pendiente de confirmar con la ficha del horno, 6 posiciones fijas y 18 posiciones deslizantes, recorrido permitido pendiente de confirmar con el plano» proporciona al equipo de ingeniería de BYBOLT lo necesario para comprobar la aleación, el vástago, el agujero, la arandela y el movimiento antes de ofertar. Incluso una foto de un perno desmontado que muestre desgaste de rosca en una posición deslizante o la huella de la arandela al final del recorrido ayuda a determinar si el último fallo fue por bloqueo, pandeo o formación de cascarilla.

Envíe esa nota junto con el plano si lo tiene; el equipo de BYBOLT resolverá con usted los datos pendientes de temperatura, movimiento o posiciones antes de ofertar un lote pequeño o un conjunto completo con trazabilidad EN 10204 3.1.