In quali casi e perché vale la pena dotarsi di un forno a vuoto?

Un'azienda che voglia giocare al meglio le sue carte, in termini di investimento e resa, sa già che deve ricorrere ai vantaggi offerti dai trattamenti termici in vuoto. E questo sia nel breve-medio periodo, che a lungo termine. Perché con un forno in vuoto il matrimonio è destinato a durare. Andiamo a capire dunque come scegliersi il partner ideale per gli anni a venire, iniziando dalle applicazioni.

A chi serve un forno a vuoto

Il forno da vuoto trova il suo campo di utilizzo più comune nei trattamenti termici di alcuni acciai. Acciai rapidi per utensili, acciai per utensili da lavorazione a caldo o a freddo, acciai inossidabili martensitici, acciai indurenti per precipitazione, ecc.: un forno per trattamenti termici sottovuoto è da tempo indicato come la soluzione consigliabile per lavorare al top con questi acciai. È dimostrato che, con questo tipo di impianto, si massimizza la qualità del trattamento, in virtù delle minori deformazioni, e si ottiene un grande vantaggio economico.

Molteplici sono i campi, che spaziano dalla sinterizzazione in vuoto di polveri metalliche o ceramiche alla brasatura in vuoto di leghe di alluminio per proseguire con le brasature ad alta temperatura, in cui spicca l'avanguardismo tecnologico. In questi settori, la decisione di utilizzare un forno da vuoto è legata alla possibilità di realizzare un processo produttivo di sviluppo avanzato, per il quale si è puntato su impianti ad alta resa.
Altre applicazioni tipiche sono collegate ad un uso nel campo nucleare o aeronautico: qui i requisiti rispetto ai quali scegliere la tipologia di forno si attengono a parametri altamente tecnici.
Per tirare le somme di questa succinta rassegna di campi applicativi si può affermare che, per tutti, la domanda non è se comprare un forno da vuoto, ma quali parametri fanno di un impianto per trattamenti termici quello ideale per le proprie necessità.

Andiamo quindi a vedere cosa prendere in considerazione per fare una scelta ponderata.

Parliamo di potenza e isolamento

Parto subito con una ferma dichiarazione: il tentativo di paragonare due o più impianti per capire quale sia il più conveniente è una operazione stressante e non produttiva. Meglio evitare questo percorso e scegliere strade a maggior garanzia di successo.
La vostra valutazione deve basarsi su una serie di criteri, rispetto ai quali è indispensabile avere le idee chiare e, siccome non è un test, i nostri consulenti saranno sempre a disposizione per aiutarvi. Quello che cercherò allora di fare, entrando nel merito di questi aspetti, è spiegare come si possano approfondire le conoscenze del prodotto che vi viene offerto.

La potenza di riscaldamento del forno da vuoto è, certamente, uno degli elementi da non trascurare. Si pone spesso il caso di due impianti che, a parità di funzioni, presentano potenze diverse; non è coinvolto il consumo di energia per ciclo, poiché esso è pressoché identico per entrambi gli impianti, quanto, invece, la possibilità di avere cicli più veloci e quindi più corti. Sarà una vostra valutazione in termini di efficienza e tempistica, stabilire a quale dare la priorità.
Allo stesso modo, due forni con la stessa dimensione utile e una "zona calda" isolata con pannelli in wafer di grafite di identico spessore (per esempio 40 mm), potrebbero presentare differenti capacità di isolamento, con consumi di energia a pari ciclo divergenti, oppure una durata di vita estremamente varia. Ciò avviene perché il processo di produzione dei pannelli ha un ruolo essenziale sulla loro capacità isolante. Le fibre di maggiore lunghezza e la presenza di una protezione esterna, con uno strato sacrificale in lamina di grafite flessibile o un coating resistente all'abrasione, sono, infatti, fondamentali nel determinare una maggiore efficacia e longevità dei pannelli. Questo risultato si rileva anche in presenza di un flusso molto veloce del gas di spegnimento.

Ma rimaniamo ancora in tema di isolamento del vostro futuro forno per trattamenti termici in vuoto. Il sistema di fissaggio dei pannelli isolanti è un altro aspetto delicato, in quanto deve rispondere alla necessità di evitare che l'energia cinetica del gas di spegnimento possa incurvare i pannelli stessi. Un fissaggio insufficiente sarebbe responsabile dei danni che il gas potrebbe creare all'isolante, infiltrandosi nella superficie esterna del pannello, ovvero nella porzione di pannello a contatto con la struttura del frame.

Fate sempre caso a questo aspetto: vengono usati, ad esempio, sistemi di fissaggio dei pannelli che utilizzano viti in CFC (Carbon Fibre Composite), più resistenti di quelle in Molibdeno. Il sistema di fissaggio ottimale deve garantire una perfetta adesione alla struttura metallica di sostegno del pannello, anche dopo molti cicli, senza subire un rilassamento per effetto termico.

Scambiatore di calore e vessel

Proseguiamo con la rassegna dei fattori chiave per la scelta e parliamo dello scambiatore di calore. Cosa incide sulla sua durata e sul suo rendimento?

• Le perdite di carico del gas che lo attraversa;
• la validità delle saldature sui giunti per i diversi materiali (saldatura a TIG oppure con brasante d'apporto);
• la corrosione sui giunti;
• le vibrazioni provocate dall'attraversamento del gas.

È certamente opportuno analizzare le perdite di carico del gas circolante, in funzione del percorso realizzato dallo scambiatore di calore (curve nel percorso o restringimenti). La pressione del gas di spegnimento, di fatto, può essere la medesima in due forni simili, ma la velocità risulta diversa nonostante la girante sia identica.

Fate attenzione alla presenza di un inverter. A parità di pressione, di girante e motore girante, l'utilizzo dell'inverter vi consentirebbe di ottenere velocità superiori della girante nella fase di alta temperatura, quando la densità del gas è più bassa, mentre si raggiungerebbero velocità minori (pari alla targa del motore) a temperature più basse.

Per ottenere un'elevata velocità di raffreddamento della carica, hanno effetti rilevanti sia la dimensione dello scambiatore di calore sia il materiale con cui questo è costruito (acciaio da costruzione, acciaio inossidabile, rame).
A parità di pressioni massime di esercizio e temperatura, seppur dichiarata con una varietà di codici (ASME, PED, GOST, ML, ecc.), l'esecuzione del vessel è un fattore di difficile comparazione, soprattutto se è confrontato da solo, fra due unità di produttori diversi.
Per esempio, la circolazione dell'acqua di raffreddamento in camicia può essere convogliata per interessare tutte le superfici del vessel soggette a carico termico; nel caso di una distribuzione non corretta, si possono determinare ostruzioni nel circuito per deposito di sali in zone non sufficientemente raffreddate.

Il ruolo del gruppo pompante

Anche sul gruppo pompante vanno fatte un paio di precisazioni, che aiutano nella stima. Spesso, gli stessi cataloghi dei produttori sorvolano su alcuni aspetti tecnici, che non possono essere trascurati dagli esperti del settore.

Infatti, a parità di portata, la tipologia di pompa può essere molto diversa; per la fase di pre-vuoto le pompe possono essere a pistone rotante o a palette, ma hanno una vita diversa a seconda della contaminazione dell'olio. La longevità delle pompe, in questo caso, è determinata dal rilascio della carica in trattamento di solventi o polveri. Le pompe intermedie tipo Roots possono avere un accoppiamento diretto di albero pompa-albero motore elettrico, oppure un accoppiamento mediante il giunto idrodinamico o, ancora, attraverso la valvola ad apertura, per favorire la ricircolazione del gas in pressione. I tempi di vuotatura variano a seconda delle diverse esecuzioni.

Un forno da vuoto, per essere impiegato, necessita di diversi gruppi:

• un quadro di regolazione e controllo (con o senza PLC per controllo delle sicurezze, anche con software adeguato al Cliente)
• un sistema dell'acqua refrigerante (studiato per calibrare i consumi e soddisfare le esigenze del raffreddamento del forno e delle varie pompe)
• un sistema di alimentazione dei gas (N2, Ar, H2, ecc.) con sofisticato controllo della pressione
• il dew point per la misura della purezza del gas, etc

Per approfondire questo argomento vi consiglio di leggere: Pompe rotative per forni ad alto vuoto: facciamo chiarezza.

Conclusioni: la parola al consulente

Vi ho mostrato quali sono i punti chiave che devono guidare la scelta del forno a vuoto. Sicuramente ne avrete dedotto che il gioco è calibrare il peso dei vari fattori e arrivare a determinare una scala graduata di priorità.

È giunto il momento di approfondire, con uno o più colloqui col fornitore, tutti gli aspetti, specie quelli ritenuti critici, per esempio:

• temperatura massima di esercizio del forno
• velocità di raffreddamento della carica, ipotizzando la dimensione dei pezzi in essa contenuti (kg di carica, diametro/altezza/forma del materiale trattato e tipo di acciaio)
• quantità di turni di funzionamento
• ammortamento dell'investimento
• costi accessori dell'impianto (circuito dell'acqua, potenza elettrica necessaria, disposizione e caratteristiche dei serbatoi del gas).

Determinare il forno per trattamenti termici in vuoto che risponde al meglio alle esigenze produttive aziendali è un processo interessante e importante: la scelta del partner commerciale adeguato inciderà sia sulla qualità del prodotto acquistato che sulla consulenza fornita al momento e negli anni a venire.

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