Dotazioni di eccellenza e appropriate possono risultare decisive per la vostra produzione aziendale. La tecnologia del vuoto si è imposta nel corso degli ultimi anni, dimostrando come un investimento iniziale ragionato sfoci in risultati concreti nel giro di poco tempo.
Nell'articolo precedente, Ho davvero bisogno di un forno a vuoto?, abbiamo analizzato le ragioni che dovrebbero motivare un'azienda a dotarsi di un forno a vuoto.
Se dunque ora ci è chiaro il "perché", in questo e nel prossimo articolo vedremo il "cosa", scopriremo cioè quali sono i 10 elementi imprescindibili da valutare rispetto alla dinamica di un forno che utilizzi il sistema del vuoto: una volta conosciuti, la vostra scelta riguardo ai trattamenti termici in vuoto sarà decisamente facilitata.

La tecnologia del vuoto viene sempre più associata ad innovative applicazioni nei settori più avanzati della ricerca: si pensi agli acceleratori, ai fasci di luce di sincrotrone, al plasma ad alta densità, ad esempio. Anche le lavorazioni industriali da tempo sfruttano il vuoto per accrescere la precisione nei risultati e ottimizzare i processi. Voglio citare la microelettronica e l'optoelettronica, il meccanismo della superconduttività e gli utilizzi nel settore della metallurgia, in campo aeronautico e spaziale. La tecnologia del vuoto trova fondamento su alcune conoscenze di base che, indipendentemente dall'applicazione finale, sono essenziali per il raggiungimento del risultato ottimale desiderato: parlo di un sistema standardizzato di componenti, di misure, di regole pratiche, che sono comuni ad impianti assolutamente diversi. Si tratta di concetti basilari e averne un'idea generale e chiara sarà di grande aiuto per i vostri prossimi passi e, soprattutto, per una scelta oculata del vostro prossimo forno per trattamenti termici in vuoto.

Lo sviluppo dei forni in vuoto è stato avviato con l'obiettivo di ottenere migliori pressioni di spegnimento, in modo da allargare il ventaglio dei materiali trattabili e ridurre i tempi di ciclo: ciò ha comportato una revisione nel significato del concetto di tecnologia del vuoto, creando le premesse per l'adozione di una componentistica diversa. Oggi non è complicato individuare gli elementi che differenziano i moderni impianti di trattamento termico da quelli classici di vuoto.
Ma andiamo per gradi. Vi conduco ad una disamina veloce dei tre aspetti che rimangono basilari e immutati, cioè:

• saldatura
• sistemi di pompaggio e misura di vuoto
• leak detection (rilevamento perdite).

Completerò questa prima parte toccando altri tre fattori chiave per i trattamenti termici sottovuoto, il cui progresso è stato sostanzioso negli ultimi anni, soprattutto grazie a ricerche sofisticate nel settore aeronautico. Sto parlando di:

• materiali
• elementi di tenuta
• componenti: flange, valvole, serraggi, ecc.

Saldature

Nella fabbricazione del forno a vuoto, la saldatura rappresenta la giunzione più semplice, perché codificata dall'uso e da norme precise (vedi le tabelle CERN, ASME, ecc.). Tali norme trovano giustificazione nella potenziale pericolosità della presenza di giunti: per questo, il codificatore ha imposto che il cordone di saldatura sia semplice ed effettuato su un solo lato, mentre sulla superficie opposta è consentita una saldatura a tratti. Ciò scongiura la formazione di microcricche di difficile individuazione.

Chiedetevi dunque: cosa va considerato in fase di progetto del forno per trattamenti termici sottovuoto?

Innanzitutto, che la saldatura non generi deformazioni o stati tensionali importanti, da prevenire creando gli scarichi necessari. Poi, che gli spessori dei giunti siano dello stesso ordine di grandezza. Infine, va reso disponibile materiale eccedente, per facilitare la giunzione senza eccessivo materiale di apporto, evitando ogni surriscaldamento.

Sistema di pompaggio e misura di vuoto

Un forno a vuoto deve essere dotato di un sistema di pompaggio, il quale ha il cruciale scopo di portare il sistema ai vuoti finali richiesti dal trattamento termico.
Ma il forno per trattamenti termici in vuoto è generalmente un sistema pulito, con superfici ben degasate e privo di consistenti quantità di vapore d'acqua da espellere. Se i pezzi da trattare sono stati preventivamente puliti con attenzione, le tracce di condensabili che possono generare morchie o sospensioni negli oli della pompa a diffusione o della rotativa saranno minime. Tenendo conto dei tempi di ciclo (relativamente lunghi se paragonati a quelli di un metallizzatore), grazie all'applicazione di tale misura precauzionale può essere ottenuta una notevole riduzione nelle dimensioni del gruppo di pompaggio.

Per i diversi livelli di vuoto, le teste di misura di vuoto rimangono:

• il manometro a diaframma con indicazione meccanica
• le teste a misura di conducibilità termica (termocroce e Pirani)
• le teste a ionizzazione a catodo freddo (Penning).

Sull'argomento pompe rotative date un'occhiata all'articolo Pompe rotative per forni ad alto vuoto: facciamo chiarezza.

Perdite

Da sempre, la principale causa di degrado dell'impianto e di mancata produzione nel corso di trattamenti termici in vuoto viene ricondotta a perdite originatesi durante il funzionamento. Infatti - vuoi per invecchiamento degli elastometri di tenuta, vuoi a causa dell'usura delle tenute dinamiche, oppure per surriscaldamenti dovuti a ridotto flusso di acqua di raffreddamento - accade che si verifichino situazioni di "leak": essendo prontamente segnalate dagli strumenti, devono essere interpretate dagli operatori con la dovuta attenzione.
Se questo aspetto è di complessa gestione, molto si può invece fare a priori per garantirsi che l'impianto già in partenza non abbia perdite, causate usualmente da:

• microporosità delle lamiere
• difetti di saldatura (nel vessel di contenimento "camera di vuoto" o nello scambiatore)
• difetti nelle resine dielettriche colate dei passanti
• discontinuità delle tenute statiche
• montaggi errati
• progettazione non conforme.

L'operazione di leak detection deve essere pertanto eseguita con strumenti ad alta sensibilità sulle parti isolate, nelle diverse fasi di montaggio e premontaggio.

Per maggiorni informazioni sull'argomento, leggete Perdita di vuoto nei forni: come eseguire un test di tenuta.

Materiali

Eccomi al punto cruciale. Quali sono i materiali da considerare nel progetto? E quali sono ormai obsoleti?

L'obbligo a sottostare alle norme per gli apparecchi in pressione, l'uso di spessori più elevati, la necessità di avere saldature resistenti e di evitare zone a concentrazione di temperatura elevata: da tempo si è dimostrato che leghe leggere e acciai inossidabili non sono materiali che rispondono a tali esigenze.

Seguitemi in questo veloce excursus sui materiali per ciascuna parte.

Nella fase di progettazione e dimensionamento del vessel vanno considerate sia la pressione di massimo esercizio sia la massima temperatura dei gas a contatto con la parete durante la circolazione di spegnimento.
Nella realizzazione della camera termica va tenuto conto di possibili luci dello schermo coibente, da cui possa sfuggire la radiazione. Per quanto possa apparire un caso raro, il progettista vi dirà che i tre passaggi di alimentazione elettrica del resistore sono fonti di luce e che non si deve escludere che irregolarità del coibente - da danneggiamento o consumo - possano risultare illuminanti.

Che fare?
Optare per acciai ad alta refrattarietà ed alta conducibilità termica.

Lo schermo coibente va realizzato con wafer rigidi di fibra di grafite, dal coefficiente di trasmissione del calore estremamente basso. Il molibdeno è ormai eliminato, essendo un materiale fragile e con grande affinità per l'ossigeno alle basse temperature; i suoi ossidi, inoltre, hanno un'elevata tensione di vapore.
La fibra rigida di carbonio (di cui la grafite è uno stato allotropico) è il materiale di eccellenza per gli irrigidimenti e le cornici del wafer. Una lunga serie di test, volti ad ottimizzare i trattamenti termici di particolari aeronautici, è stata decisiva nel dimostrare come non vi sia combinazione chimica tra grafite e metallo: pertanto, l'uso della grafite e l'eliminazione delle fibre ceramiche (fortemente igroscopiche, con tendenza a formare legami chimici con i vapori acquei) sono resi oggi possibili dall'eccezionale resistenza di questo materiale.
La grafite è inoltre la base degli elementi riscaldanti, con superfici irraggianti piane ed estese. Unico accorgimento: evitare consumi importanti della grafite eliminando gas parziali riducenti (Hz, NH₃, ecc.).

Elementi di tenuta

È necessario che l'elemento di tenuta del forno per trattamenti termici sottovuoto sia capace di resistere a pressioni positive e negative.

Il mio consiglio?
Studiare con particolare attenzione le cave delle tenute O-Ring. Devono evitarsi movimenti della guarnizione nel passaggio dal vuoto alla pressione. E, se la superficie di tenuta è vasta tanto da metterla a dura prova, vanno studiate guarnizioni opportune (per esempio a doppio labbro), capaci di adattarsi ad una richiesta di tenuta di vuoto con una sezione dell'elemento e di tenuta di pressione con l'altra sezione. Chiedete che siano attentamente calcolati anche i carichi specifici, che possono raggiungere diverse decine di kg/cm².

Inoltre, in caso di:

• tenute per alberi rotanti: può essere richiesto di variare la pressione dell'olio di tenuta per compensare i salti di pressione nella camera.
• tenuta su movimenti assiali: è bene che il fluido motore sia costituito da un gas neutro ad evitare possibili soffiate d'aria durante il comando.

Componenti

Passo infine ad un elemento spesso sottovalutato: la componentistica. Sto parlando di valvole, flange, serraggi, teste di misura, ecc.: tutti saranno dimensionati per resistere ad una pressione dall'esterno all'interno di 1 atmosfera.
Un uso incauto di tale componentistica, oltre alla grave pericolosità per il personale presente nell'area di installazione del forno, può compromettere in maniera irreparabile un impianto di tecnologia del vuoto dall'elevato valore.
Immaginate lo scenario: l'evento catastrofico si avrebbe nel momento di massima temperatura del forno da vuoto, a schermi aperti, e con gas in pressione all'interno. Questo basta a indurvi a mettere tale elemento nella check-list del progetto di forno a tecnologia del vuoto.

Conclusioni

Mi auguro di essere stato chiaro ed utile nell'illustrare questi primi fattori. Ma l'elenco non si chiude così: nella prossima parte andremo a scoprire quali sono gli altri aspetti da considerare nella fase di commissione del forno a vuoto.
Fate vostra questa lista e sarete l'interlocutore ideale del progettista!

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