Cuando se realiza con nitrógeno seco de gran pureza, el equipo correcto y un control disciplinado del proceso, la purga de nitrógeno puede reducir el hidrógeno en el aluminio fundido a niveles aceptables para muchas piezas fundidas industriales, proteger la vida útil del filtro y reducir la repetición de trabajos. El nitrógeno suele ser menos costoso que el argón, pero elimina el hidrógeno disuelto más lentamente y a menudo requiere una geometría de rotor optimizada, una dispersión de burbujas más fina, un mayor tiempo de tratamiento y un control estricto de la sequedad del gas y la temperatura de fusión para igualar los resultados metalúrgicos de los tratamientos basados en argón.
Por qué el hidrógeno en el aluminio es un problema
El hidrógeno se disuelve en el aluminio fundido, alcanzando a veces varias partes por millón, y luego sale de la solución durante la solidificación formando porosidad gaseosa. Estos poros reducen la resistencia a la tracción, disminuyen la vida a fatiga y crean imperfecciones superficiales que aumentan los costes de mecanizado y acabado. En el caso de los componentes de alta precisión, incluso niveles bajos de porosidad pueden provocar el rechazo de la pieza. Controlar el hidrógeno disuelto es, por tanto, un punto central de control metalúrgico en todas las fundiciones de aluminio.
Cuadro 1: Efectos típicos de la porosidad del hidrógeno en las piezas moldeadas
| Defecto | Causa común | Consecuencia práctica |
|---|---|---|
| Porosidad del gas | Hidrógeno disuelto liberado durante la solidificación | Resistencia estructural reducida, mal acabado superficial |
| Agujeros y soplos | Nucleación y escape de gas localizado | Defectos cosméticos, residuos de recorte |
| Maquinabilidad reducida | Huecos internos e inclusiones | Aumento de la chatarra y del desgaste de las herramientas |
| Fallos de montaje o estanqueidad | Porosidad interna cerca de las superficies de contacto | Rechazos del cliente, riesgo de garantía |
El control del hidrógeno no es una acción única; es una combinación de almacenamiento, práctica de fusión, control de la atmósfera del horno, desgasificación y filtración.
Por qué usar nitrógeno y cómo compararlo con el argón
El nitrógeno se utiliza mucho porque es abundante y más barato que el argón. Para muchas aplicaciones industriales de fundición, especialmente piezas estructurales no críticas, el nitrógeno puede ser eficaz cuando se aplica correctamente. Sin embargo, el argón, al ser más denso y menos soluble en aluminio a las temperaturas típicas de fundición, suele producir una eliminación más rápida del hidrógeno y burbujas de menor tamaño para los mismos ajustes de equipo. La consecuencia práctica es que un proceso basado en nitrógeno debe ajustarse para compensar, requiriendo normalmente una dispersión más fina, tiempos de tratamiento más largos o mayores volúmenes de gas para alcanzar los mismos resultados de ppm de hidrógeno que el argón.
Hay que tener en cuenta las compensaciones clave:
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Coste por metro cúbico: el nitrógeno suele ser inferior.
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Velocidad de desgasificación: el argón suele ser más rápido y eficaz por unidad de gas.
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Comportamiento de las burbujas: el tamaño de las burbujas y el tiempo de residencia controlan la difusión del hidrógeno; la elección del gas influye a través de las diferencias de densidad y difusividad.
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Sensibilidad de la aleación: algunas aleaciones de alta especificación pueden requerir argón para cumplir los criterios de aceptación.
Esto significa que el nitrógeno es pragmático para muchas casas, pero no es un sustituto universal del argón en todas las situaciones.
Física de la desgasificación, cinética de las burbujas y lo que realmente elimina el hidrógeno
En el corazón de cualquier purga está la transferencia de masa entre el metal líquido y las burbujas de gas. Los átomos de hidrógeno se difunden hasta la interfase gas-líquido, se acumulan dentro de la burbuja y abandonan la masa fundida cuando la burbuja asciende y estalla en la superficie. La velocidad de eliminación del hidrógeno depende de:
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Superficie de la burbuja por unidad de volumen de fusión (las burbujas pequeñas son mejores).
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Tiempo de residencia de las burbujas y distribución a lo largo de la masa fundida.
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Temperatura de fusión y solubilidad del hidrógeno.
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Turbulencias y patrones de flujo que exponen las bolsas de hidrógeno atrapadas a las burbujas.
La desgasificación rotativa crea burbujas muy finas porque el rotor cizalla el gas inyectado en una distribución fina. Las burbujas finas y uniformemente distribuidas aumentan drásticamente la superficie de contacto y aceleran la difusión del hidrógeno fuera de la masa fundida. Si las burbujas de gas son grandes o están desigualmente distribuidas, la eficacia de la desgasificación disminuye. Esto explica por qué la geometría del rotor, la sequedad del gas y la velocidad del rotor se encuentran entre los parámetros operativos más críticos.
Métodos habituales de desgasificación con nitrógeno utilizados en las fundiciones de aluminio
Desgasificación rotativa por gas inerte
Los dispositivos rotativos utilizan un rotor giratorio de grafito o cerámica para dispersar el nitrógeno en la masa fundida, produciendo burbujas finas y una circulación activa. Este es el método industrial más común para grandes cucharas y hornos de mantenimiento. La desgasificación rotativa suele combinarse con el control automático de recetas y el registro de datos.
Purga con lanza estática o tapón poroso
Una lanza o un tapón poroso introduce el gas en el fondo de la cuchara. Las lanzas son más sencillas y menos caras, pero suelen producir burbujas más grandes y una dispersión menos uniforme, lo que requiere tiempos de tratamiento más largos.
Desgasificación asistida por flujo combinada con purga de nitrógeno
Las pastillas de sal o fundente ayudan a adherir las inclusiones no metálicas a las superficies de las burbujas y a la escoria superior. Aunque el fundente se centra más en las inclusiones que en el hidrógeno disuelto, su uso conjunto puede mejorar la limpieza general de la masa fundida.
Vacío más nitrógeno
La desgasificación al vacío elimina los gases disueltos directamente reduciendo la presión. En algunos sistemas, el tratamiento al vacío va seguido de un relleno de nitrógeno o una purga ligera para homogeneizar y proteger la calidad de la masa fundida. El vacío sigue siendo más eficaz para las necesidades ultrabajas de hidrógeno, pero los costes de capital son más elevados.
Tabla 2: Comparación rápida de los métodos basados en el nitrógeno
| Método | Instalación típica | Eliminación relativa de hidrógeno | Rendimiento | Factores de coste |
|---|---|---|---|---|
| Rotor rotativo | Fundiciones medianas y grandes | Alta con los ajustes adecuados | Alta | Desgaste del rotor, calidad del gas |
| Lanza / tapón poroso | Pequeña a mediana | Moderado | Moderado | Consumo de gas, vida útil de la lanza |
| Flujo + purga | Reparación/limpieza secundaria | Moderado para las inclusiones | Bajo | Manipulación de fundentes, residuos |
| Vacío + N2 | Especialidad | Muy alto (vacío primario) | Bajo a medio | Coste de capital, mantenimiento |
A la hora de elegir un método, hay que tener en cuenta los objetivos de calidad del producto, el rendimiento y los costes derivados de la chatarra.
Selección de equipos: qué comprar y por qué
La elección de los componentes influye en la capacidad de proporcionar burbujas pequeñas, una inmersión constante y un funcionamiento seguro.
Rotores y materiales de los rotores
Los rotores de grafito son habituales y ofrecen un buen comportamiento térmico y facilidad de fabricación. Los rotores revestidos o cerámicos toleran aleaciones más abrasivas, pero cuestan más. El diseño del rotor influye en la distribución del tamaño de las burbujas; la geometría del impulsor, el tamaño de las cavidades y la velocidad de rotación deben adaptarse al tamaño de la cuchara.
Suministro y acondicionamiento de gas
Un suministro seco y sin aceite es esencial. La humedad y la contaminación por aceite crean hidrógeno e introducen defectos. Utilice secadores de punto de rocío, trampas de aceite y controladores de flujo másico para regular el suministro. Debe verificarse la pureza del gas, idealmente ≥ 99,99%, y los conductos de gas deben ser aptos para servicio inerte.
Lanzas, tapones porosos y esparcidores
Para aplicaciones no rotativas, seleccione lanzas con porosidad fina y materiales duraderos. Los tapones porosos que crean muchos sitios de liberación de burbujas diminutas superarán a las lanzas de un solo orificio.
Instrumentación y automatización
El control de recetas basado en PLC, los transductores de presión diferencial y temperatura y el registro RPT simplifican la reproducibilidad y apoyan la EEAT cuando puede mostrar datos de funcionamiento trazables a los clientes.
Tabla 3: Lista de comprobación del equipo para la desgasificación del nitrógeno
| Artículo | Por qué es importante |
|---|---|
| Desgasificador rotativo con opciones de rotor adaptadas | Produce burbujas pequeñas y distribuidas |
| Secador de gas y filtros | Evita la contaminación por humedad y aceite |
| Regulador de caudal másico o válvulas de aguja | Dosificación precisa del gas |
| Monitor de pureza del gas o certificado del proveedor | Confirmar la calidad inerte |
| Kit RPT o analizador de hidrógeno | Medir el rendimiento y la aceptación |
| Rotor de repuesto y kit de juntas | Reducir el tiempo de inactividad |
La selección de un equipo inadecuado suele ser la razón principal por la que la desgasificación de nitrógeno no rinde tanto como la de argón.
Parámetros del proceso y procedimientos previstos
La desgasificación con nitrógeno requiere recetas disciplinadas. A continuación se indican las variables más importantes y los intervalos prácticos. Se trata sólo de puntos de partida; cada línea requiere ensayos in situ.
Pureza y sequedad del gas
Utilice gas con el menor contenido posible de humedad e hidrocarburos. Incluso pequeñas cantidades de vapor de agua se convierten en una fuente de hidrógeno en la masa fundida. Las herramientas para conseguirlo incluyen secadores de gas en línea, trampas de tamiz molecular y filtros de neblina de aceite.
Caudal de gas y estrategia de dosificación
Mantener un flujo que produzca burbujas finas sin turbulencias excesivas en la superficie de la masa fundida. El exceso de flujo crea un vórtice en la superficie que arrastra los óxidos de vuelta a la masa fundida. Comience con flujos bajos y aumente hasta alcanzar el objetivo de RPT o ppm de hidrógeno.
Velocidad del rotor y profundidad de inmersión
Una mayor velocidad del rotor tiende a producir burbujas más finas, pero aumenta el desgaste del rotor y puede provocar un vórtice excesivo si la profundidad de inmersión o la posición de la pluma son incorrectas. La profundidad de inmersión debe garantizar una rotación completa de la masa fundida sin crear un vórtice superficial. Las RPM típicas del rotor y las profundidades de inmersión varían según el modelo y el tamaño de la cuchara; siga las curvas del proveedor y afínelas en el taller.
Tiempo de tratamiento y masa fundida
El tiempo de tratamiento depende de la masa fundida y de la agresividad de los objetivos. En el caso del nitrógeno, el tiempo suele ser de 1,5 a 3 veces superior al del argón para la misma gota de hidrógeno, pero esto depende en gran medida del tamaño de la burbuja y de la turbulencia de la masa fundida. Utilice el RPT o la valoración de hidrógeno para determinar el tiempo suficiente.
Control de la temperatura
Las temperaturas de fusión más bajas reducen la solubilidad del hidrógeno y aceleran la cinética de desgasificación, pero las temperaturas excesivamente bajas pueden aumentar la viscosidad y ralentizar el ascenso de las burbujas. Encuentre la ventana de proceso para cada aleación. La gestión de la temperatura también evita la reabsorción innecesaria de humedad atmosférica durante la transferencia.
Tabla 4: Ejemplos de recetas de partida para la desgasificación rotativa con nitrógeno
| Familia de aleaciones | Masa fundida por lote | RPM del rotor (arranque) | Caudal de N2 L/min | Tiempo de tratamiento (min) |
|---|---|---|---|---|
| Fundición general de Al-Si | 500 kg | 900 | 10-20 | 8-15 |
| Aleaciones estructurales Al-Mg | 500 kg | 1000 | 12-25 | 10-18 |
| Aleaciones de alta precisión | 500 kg | 1200 | 15-30 | 12-20 |
Estos son ilustrativos. Optimizar con RPT y valoración de hidrógeno.
Consideraciones específicas sobre la temperatura y la aleación
La solubilidad del hidrógeno aumenta con la temperatura. Cada aleación se comporta de forma diferente, por lo que la práctica del horno, el tiempo de mantenimiento y la geometría de transferencia influyen en los niveles iniciales de hidrógeno.
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En el caso de las aleaciones de aluminio-silicio utilizadas habitualmente en la fundición de automóviles, mantenga las temperaturas de fusión en el extremo inferior de la ventana de colabilidad para reducir la solubilidad del hidrógeno y preservar al mismo tiempo la fluidez.
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Para las aleaciones con magnesio que pueden ser más reactivas, preste especial atención a la compatibilidad del material del rotor y a la sequedad del gas para evitar la corrosión o la reacción.
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Si se realizan tratamientos sensibles al calor, como la modificación con estroncio del Al-Si, hay que asegurarse de que los pasos de desgasificación no deshagan los tratamientos químicos.
Los estudios empíricos muestran que la eficacia de la desgasificación disminuye a medida que aumenta la temperatura, y que el tiempo de proceso para alcanzar un contenido objetivo de hidrógeno se duplica aproximadamente para determinados aumentos de temperatura. Esta relación debe tenerse en cuenta durante el diseño de la receta.
Cómo encaja la desgasificación con nitrógeno en el tren de la limpieza de la masa fundida
La desgasificación es un eslabón de una cadena que incluye el almacenamiento de la masa fundida, el desnatado, el fundido, la desgasificación y la filtración. La secuencia y la calidad de cada paso afectan al siguiente.
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El almacenamiento adecuado de la carga y el secado de la chatarra y los lingotes reducen el hidrógeno inicial.
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La fusión controlada y el espumado eliminan los óxidos gruesos.
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La desgasificación con nitrógeno reduce el hidrógeno disuelto.
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La filtración elimina las inclusiones no metálicas y acondiciona el flujo antes del llenado del molde.
Si la desgasificación se realiza sin desnatado previo, los filtros se obstruirán más rápidamente y la eficacia de la desgasificación disminuirá porque las películas de óxido superficiales reintroducen la contaminación.
Criterios de medición, muestreo y aceptación
Hay que medir para mejorar. En las fundiciones se utilizan varias técnicas.
Prueba de presión reducida (RPT)
RPT es una prueba de detección rápida para comparar el potencial de porosidad antes y después del tratamiento. No es una medición absoluta de ppm de hidrógeno, sino que proporciona una comparación directa de la calidad de la masa fundida.
Valoración del hidrógeno y análisis del gas portador
Los analizadores de hidrógeno de laboratorio miden el hidrógeno disuelto en partes por millón. Utilícelos para validar que el tratamiento con nitrógeno cumple las especificaciones.
Rayos X, ultrasonidos y metalografía
Para las piezas fundidas críticas, utilice pruebas no destructivas para confirmar que se ha controlado la porosidad. Los recuentos metalográficos de inclusiones proporcionan pruebas adicionales de la limpieza general.
Cuadro 5: Umbrales de aceptación típicos
| Clase de fundición | Objetivo hidrógeno ppm (H) | Aceptación típica de RPT |
|---|---|---|
| Industria general | < 0,15 ppm | Mejora moderada del índice RPT |
| Estructuras de automoción | < 0,10 ppm | Baja porosidad RPT |
| Aeroespacial o crítico | < 0,05 ppm | Puede ser necesario vacío o argón |
Definir la aceptación con los clientes y registrar los datos a nivel de lote para mostrar la trazabilidad.
Seguridad, manipulación de gases y controles medioambientales
El nitrógeno es asfixiante. Aplicar controles:
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El almacenamiento y las tuberías de gas deben cumplir los códigos locales.
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Utilice monitores de oxígeno en áreas cerradas donde se utilice o almacene N2.
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Ventile el gas lejos del personal y utilice alarmas adecuadas.
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Asegúrese de que los compresores o generadores de gas no contengan aceite y se revisen periódicamente para evitar la contaminación.
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Formar a los operarios en los procedimientos de parada segura y desconexión de emergencia.
Gestione también el fundente y la escoria desnatada como residuos del proceso; trátelos según las normas medioambientales locales.
Planificación del mantenimiento, el desgaste y las piezas de recambio
La desgasificación con nitrógeno suele requerir mayores volúmenes de gas o un mayor tiempo de funcionamiento del rotor en comparación con el argón, lo que puede repercutir en el desgaste y en las piezas de repuesto.
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Los rotores de grafito se desgastan por abrasión y deben almacenarse como repuestos.
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Los conductos de gas requieren cambios periódicos de filtros y sustitución de secadores.
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La calibración rutinaria de los controladores de flujo másico y los monitores de pureza del gas reduce la desviación del proceso.
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Mantener registros de horas de rotor, consumo de gas y resultados de RPT para planificar el mantenimiento predictivo.
Resolución de problemas comunes y medidas correctoras
Tabla 6: Síntomas y medidas correctoras
| Síntoma | Causa probable | Medidas correctoras |
|---|---|---|
| RPT muestra poca mejoría tras el tratamiento | Dispersión deficiente del gas; burbujas grandes; humedad del gas | Comprobar la geometría del rotor, reducir el flujo para evitar el vórtice superficial, verificar la sequedad del gas |
| Desgaste rápido del rotor | Inclusiones abrasivas o profundidad de inmersión incorrecta | Inspeccionar los contaminantes de fusión, ajustar la profundidad de inmersión, inspeccionar el material del rotor |
| Aumento de la escoria superficial tras la desgasificación | Agitación excesiva o residuos de fundente | Reducir la velocidad del rotor, verificar el momento de aplicación del flujo |
| Consumo de gas inesperadamente alto | Fugas o flujo incontrolado | Comprobación de fugas en las tuberías, verificación de la calibración del controlador de caudal másico |
| Variabilidad entre turnos | Recetas incoherentes o práctica de los operarios | Bloquear recetas en PLC, formar al personal, utilizar listas de comprobación y SPC |
Utilice el análisis de causas y realice pruebas controladas después de cualquier acción correctiva.
Consideraciones económicas y rentabilidad de la desgasificación del nitrógeno
Aunque el nitrógeno cuesta menos por metro cúbico, las mayores necesidades de gas y los tiempos de tratamiento más largos pueden reducir parte de la ventaja del coste bruto en comparación con el argón para el mismo resultado metalúrgico. Sin embargo, para muchas piezas con objetivos de hidrógeno moderados, el nitrógeno ofrece el mejor equilibrio coste-rendimiento.
Tenga en cuenta lo siguiente al modelar el ROI:
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Coste del gas y tasa de consumo.
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Costes y vida útil prevista del rotor y las piezas de recambio.
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Reducción de la chatarra y ahorro de tiempo de mecanizado gracias a la mejora de la limpieza de la masa fundida.
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Mano de obra y energía operativas.
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Cualquier coste de residuos reglamentario derivado de la manipulación de fundentes o escorias.
Cuadro 7: Ejemplo de instantánea simplificada del ROI
| Métrica | Ejemplo de valor |
|---|---|
| Producción anual | 3,000 t |
| Reducción de la chatarra gracias a la desgasificación | 0,8% absoluto |
| Metal ahorrado anualmente | 24 t |
| Precio del metal | $1.800/t |
| Valor anual del metal ahorrado | $43,200 |
| Coste anual de gas y consumibles | $8,500 |
| Beneficio neto anual | $34,700 |
| Amortización típica | De 6 a 18 meses en función de la situación inicial |
Realice cálculos específicos de la planta para determinar si el nitrógeno o el argón ofrecen el mejor coste total de propiedad.
Preguntas frecuentes
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¿Puede el nitrógeno sustituir al argón para todas las necesidades de desgasificación del aluminio?
No siempre. El nitrógeno es una opción rentable para muchas piezas de fundición industriales, pero para los límites de hidrógeno más estrictos, el argón o los procesos de vacío pueden alcanzar los objetivos más rápidamente. Seleccione el gas en función de la aleación y los criterios de aceptación. -
¿Cómo de seco tiene que estar el nitrógeno?
Extremadamente seco. Los puntos de rocío deben mantener el vapor de agua en el gas en niveles de ppm. Cualquier humedad puede aumentar el hidrógeno en la masa fundida y reducir el rendimiento de la desgasificación. Utilice secadores y controles periódicos. -
¿Cuánto tiempo debo desgasificar con nitrógeno una masa fundida de 500 kg?
El tiempo de tratamiento depende del rendimiento del rotor y de la reducción de hidrógeno deseada. Como punto de partida, lo normal es de 8 a 15 minutos con las RPM y el caudal del rotor adecuados; validar con RPT y pruebas de hidrógeno. Véase la Tabla 4 para ejemplos de recetas. -
¿El nitrógeno dañará mi rotor o contaminará la masa fundida?
No, el nitrógeno es inerte con el aluminio fundido, pero el diseño del rotor y las condiciones de inmersión pueden acelerar el desgaste. Utilice gas sin aceite y suministro seco para evitar la contaminación. Vigile el estado del rotor. -
¿Cuál es la forma más sencilla de verificar que la desgasificación ha funcionado?
Realice una prueba de presión reducida antes y después del tratamiento para una comparación rápida. Confirmar con análisis de ppm de hidrógeno para piezas críticas. -
¿Afecta el nitrógeno a la química de las aleaciones?
El nitrógeno no es reactivo con la mayoría de las aleaciones de aluminio a temperaturas de colada, pero debe garantizarse la compatibilidad con las aleaciones especiales y cualquier adición de aleación reactiva. -
¿Puede utilizarse nitrógeno junto con fundente?
Sí. El fundente ayuda a eliminar la inclusión, mientras que el nitrógeno disminuye el hidrógeno disuelto. Para minimizar la deposición de fundente en los filtros, es esencial que el tiempo y el desnatado sean adecuados. -
¿Cómo puedo evitar la formación de vórtices en la superficie durante la purga de nitrógeno?
Controle la profundidad de inmersión del rotor y el flujo de gas, utilice esparcidores de flujo y evite colocar el rotor demasiado cerca de la superficie de la masa fundida. Reduzca las RPM si se forma un vórtice. -
¿Qué pureza de gas debo especificar a un proveedor?
Solicite documentación certificada de pureza y punto de rocío. Para obtener el mejor rendimiento, solicite gas con una pureza certificada del 99,99% y un punto de rocío bajo. -
¿Es aceptable la generación de nitrógeno in situ para la desgasificación?
Muchas plantas utilizan generadores PSA o de membrana. Asegúrese de que la producción del generador cumple los requisitos de pureza y sequedad y tiene la capacidad adecuada. Controle la producción con regularidad.
