Forno ad alta temperatura: tipi, elementi e progettazione termica

A forno ad alta temperatura è definita non solo dalla sua temperatura operativa massima ma dalla l'intero sistema termico (gli elementi riscaldanti, il pacchetto isolante, la struttura della camera e il sistema di controllo) che deve funzionare in modo affidabile e con precisa uniformità di temperatura a temperature sostenute superiori a 1000°C . La sfida ingegneristica fondamentale è che a queste temperature, i materiali convenzionali si guastano rapidamente: gli elementi riscaldanti in nichel-cromo si ossidano e si incurvano, i mattoni refrattari di allumina-silicato diventano elettricamente conduttivi e le termocoppie vanno fuori calibrazione. La scelta di un forno ad alta temperatura per un processo specifico, che si tratti di sinterizzazione della ceramica a 1600°C, trattamento termico del metallo a 1200°C o test sui materiali a 1800°C, è governata dall'interazione tra il limite massimo di temperatura richiesto, l'atmosfera nella camera, il livello di contaminazione consentito e la frequenza del ciclo termico. Il materiale dell'elemento riscaldante è il determinante principale delle capacità del forno, con elementi in carburo di silicio che dominano l'intervallo da 1200°C a 1550°C, elementi in disiliciuro di molibdeno che coprono da 1500°C a 1800°C ed elementi in grafite o tungsteno richiesti per temperature superiori a 1800°C in atmosfera protettiva o vuoto .

Materiali degli elementi riscaldanti e relativi involucri operativi

L'elemento riscaldante è il componente che converte l'energia elettrica in calore e la trasferisce al carico di lavoro, e le sue proprietà del materiale definiscono la temperatura massima, la compatibilità atmosferica e la durata del forno. Il materiale dell'elemento deve avere un punto di fusione elevato, una buona resistenza all'ossidazione alla temperatura operativa, una resistenza al caldo sufficiente a sostenere il proprio peso e una resistenza elettrica prevedibile che non invecchi in modo inaccettabile durante la vita utile dell'elemento. La tabella seguente mappa i materiali degli elementi riscaldanti ad alta temperatura commercialmente significativi in ​​base ai loro intervalli e vincoli operativi pratici.

Gli elementi in carburo di silicio sono il cavallo di battaglia del settore dei forni ad alta temperatura per la gamma da 1200°C a 1550°C perché offrono un equilibrio favorevole tra costi, disponibilità e prestazioni in aria e atmosfere neutre. Gli elementi sono prodotti ricristallizzando i grani di carburo di silicio ad alta temperatura, producendo una ceramica porosa autolegata che è elettricamente conduttiva. La resistenza elettrica di un elemento SiC aumenta nel corso della sua vita utile —un fenomeno chiamato invecchiamento—quando i bordi dei grani si ossidano e la sezione trasversale conduttiva effettiva diminuisce. Il criterio di fine vita è tipicamente un aumento del 100% della resistenza rispetto al valore iniziale, a quel punto l'elemento non può più fornire la sua potenza nominale alla tensione disponibile. L'alimentazione del forno deve essere progettata con prese di tensione sul trasformatore per compensare questo effetto di invecchiamento e la resistenza dell'elemento deve essere monitorata periodicamente per prevedere la durata di servizio rimanente. Un elemento utilizzato a 1.550°C in aria può avere una durata utile compresa tra 2.000 e 4.000 ore, mentre lo stesso elemento utilizzato a 1.300°C può durare 10.000 ore o più, riflettendo la relazione esponenziale tra temperatura e tasso di ossidazione.

Sistemi di isolamento: fibroso, laterizio e microporoso

Il sistema di isolamento di un forno ad alta temperatura ha due obiettivi contrastanti: ridurre al minimo la perdita di calore dalla camera all'ambiente, che richiede il massimo spessore di isolamento e una minima conduttività termica, e ridurre al minimo la massa termica del forno, che determina le velocità di riscaldamento e raffreddamento e l'energia consumata per ciclo. Il materiale isolante deve avere una bassa conduttività termica alla temperatura di esercizio, un'adeguata resistenza al caldo per sostenere il proprio peso e resistenza all'atmosfera del forno e a qualsiasi specie volatile emessa dal carico di lavoro. Le tre classi principali di materiali isolanti per alte temperature e i loro campi di applicazione sono i seguenti.

Coperta e cartone in fibra ceramica

La fibra ceramica di allumino-silicato, prodotta fondendo e fibrando una miscela di allumina e silice, è il materiale isolante dominante per forni ad alta temperatura fino a circa 1400°C (temperatura di classificazione) . La fibra viene prodotta come lana sfusa, coperta agugliata, pannello formato sotto vuoto o modulo formato a umido. La conducibilità termica di un materassino in fibra ceramica di densità 128 kg/m³ a 1000°C è di circa da 0,25 a 0,35 W/m·K , che è circa da un terzo a metà di quello di un mattone refrattario isolante alla stessa temperatura. La bassa massa termica dell’isolamento fibroso – la sua capacità termica specifica moltiplicata per la sua densità – consente a un forno di riscaldarsi da temperatura ambiente a 1200°C in 30-60 minuti, rispetto a diverse ore per un forno rivestito in mattoni di capacità equivalente. Il compromesso è che la fibra ceramica è più suscettibile ai danni derivanti dall'attacco chimico da parte di flussi e vapori alcalini e la superficie della fibra devetrifica e diventa friabile dopo un'esposizione prolungata al di sopra della temperatura di classificazione. Per temperature superiori a 1400°C viene utilizzata la fibra di allumina policristallina (PCW) con una temperatura di classificazione di 1600°C, ad un costo notevolmente più elevato.

Mattone refrattario isolante (IFB)

I mattoni refrattari isolanti sono forme refrattarie porose e leggere, realizzate incorporando materiali combustibili che formano pori (segatura, perle di polistirolo o carbonio) in un corpo refrattario di argilla o allumina che brucia durante la cottura, lasciando una rete di pori chiusi. La temperatura di classificazione dell'IFB varia da 1260°C (grado 23) a 1760°C (grado 32), con il contenuto di allumina in aumento e la densità in aumento con il grado di temperatura. Un IFB di Grado 26 (classificazione 1430°C, 45% allumina) ha una densità di circa 780 kg/m³ e una conduttività termica di 0,35 W/m·K a 1000°C. La massa termica più elevata di un rivestimento in mattoni rispetto alla fibra significa un riscaldamento e un raffreddamento più lenti, ma garantisce una maggiore durata per i forni soggetti ad abusi meccanici, atmosfere abrasive o frequenti operazioni di carico e scarico di pezzi pesanti.

Isolamento microporoso

L'isolamento microporoso è un composito di particelle di silice pirogenica di dimensioni inferiori al micron, un opacizzante (tipicamente carburo di silicio o biossido di titanio) per bloccare il trasferimento di calore radiativo e una fibra di rinforzo. La dimensione dei pori nella polvere compattata è inferiore al percorso libero medio delle molecole d'aria a pressione atmosferica, il che sopprime la conduzione gassosa e conferisce al materiale un'efficace conduttività termica di da 0,020 a 0,030 W/m·K a 800°C —inferiore alla conduttività termica dell'aria ferma. I pannelli microporosi, con una temperatura di servizio massima compresa tra 1000°C e 1100°C, vengono utilizzati come isolamento posteriore dietro la fibra ceramica a faccia calda o il rivestimento in mattoni per ridurre lo spessore totale della parete per un dato tasso di perdita di calore. Sono particolarmente utili nei forni in cui le dimensioni dell'involucro esterno sono vincolate dalle infrastrutture esistenti o dove la temperatura dell'involucro esterno più bassa possibile è un requisito di sicurezza o di processo.

Atmosfera della camera: funzionamento con aria, gas inerte e vuoto

L'atmosfera all'interno di un forno ad alta temperatura determina l'ambiente chimico in cui operano gli elementi riscaldanti, l'isolamento e il carico di lavoro. Un forno progettato per il funzionamento ad aria è dotato di elementi riscaldanti e isolamento che formano scaglie di ossido protettive e aderenti alla temperatura. Lo stesso forno non può essere utilizzato in atmosfera riducente senza modificare la scelta degli elementi e la chimica dell'isolamento. Le tre categorie principali di atmosfera e le loro implicazioni ingegneristiche sono:

• Aria (ossidante): L'atmosfera predefinita per la maggior parte dei forni da laboratorio e industriali. Gli elementi di carburo di silicio e disiliciuro di molibdeno formano uno strato protettivo di vetro di silice (SiO₂) sulla loro superficie che limita l'ulteriore ossidazione. Gli isolamenti in fibra ceramica e mattoni refrattari sono completamente compatibili. Il contenuto di ossigeno dell'atmosfera favorisce la combustione dei leganti organici e dei contaminanti derivanti dal carico di lavoro, che vengono scaricati attraverso lo scarico del forno.
• Gas Inerte (Azoto, Argon): Utilizzato per prevenire l'ossidazione del carico di lavoro, comune nel trattamento termico di acciai inossidabili, titanio e metalli reattivi. L'azoto è la scelta più economica ma reagisce con alcuni materiali: forma nitruro di titanio sulle superfici di titanio e può reagire con elementi riscaldanti a base di silicio sopra i 1300°C per formare nitruro di silicio, alterando la resistenza dell'elemento. L'argon è veramente inerte con tutti i materiali a tutte le temperature pratiche del forno ed è indicato quando l'azoto è chimicamente incompatibile con il carico di lavoro o con le parti interne del forno. Il forno deve essere spurgato per rimuovere l'ossigeno residuo prima del riscaldamento, cosa che in genere è necessaria Da 5 a 10 scambi di volume della camera con il gas inerte prima che inizi il ciclo di riscaldamento.
• Vuoto: Fornisce l'ambiente più pulito possibile per la lavorazione di metalli reattivi, superleghe e ceramiche avanzate. Il livello di vuoto richiesto dipende dall'applicazione: un vuoto approssimativo di 10⁻² mbar è sufficiente per prevenire un'ossidazione grossolana della maggior parte dei materiali; per processi in cui anche tracce di ossigeno o vapore acqueo degraderebbero le proprietà del materiale è necessario un vuoto spinto compreso tra 10⁻⁵ e 10⁻⁶ mbar. La zona calda del forno in un forno a vuoto è generalmente costruita con isolamento in feltro di grafite ed elementi riscaldanti in grafite, poiché questi materiali sono stabili nel vuoto a temperature molto elevate e hanno basse pressioni di vapore. Il sistema di pompaggio del vuoto, costituito da una pompa di supporto a palette rotativa, un soffiatore per radici e una pompa a diffusione o turbomolecolare per alto vuoto, deve essere dimensionato per raggiungere il tempo di pompaggio richiesto e per gestire il carico di degassamento derivante dall'isolamento e il carico di lavoro durante il ciclo di riscaldamento.

Misurazione e controllo della temperatura superiore a 1000°C

La misurazione accurata della temperatura è il fondamento di un'elaborazione riproducibile ad alta temperatura e la termocoppia è il sensore principale per temperature fino a circa 1700°C nell'aria . I tipi di termocoppia utilizzati nei forni ad alta temperatura e i relativi limiti di applicazione sono Tipo K (cromel-allumel, fino a 1200°C in continuo), Tipo S (platino contro platino-10% rodio, fino a 1450°C in continuo), Tipo B (platino-6% rodio contro platino-30% rodio, fino a 1700°C in continuo) e Tipo R (platino contro platino-13% rodio, fino a 1450°C in continuo). Il tipo B è la scelta standard per l'intervallo compreso tra 1500°C e 1700°C in aria perché il contenuto di rodio su entrambi i rami riduce al minimo la migrazione del rodio, che è il meccanismo di deriva primario nelle termocoppie di tipo S e di tipo R ad alta temperatura.

Al di sopra di 1700°C, o in atmosfere riducenti e sotto vuoto dove le termocoppie in platino sono contaminate e fragili, Pirometria a infrarossi senza contatto sostituisce le termocoppie come metodo di misurazione principale. Un pirometro a due colori (rapporto) misura la radiazione termica emessa dal bersaglio a due diverse lunghezze d'onda e calcola la temperatura dal rapporto delle intensità, eliminando l'errore causato dalla variazione di emissività e dall'attenuazione del percorso ottico dovuta al fumo o al vapore. Il pirometro deve essere visibile attraverso una finestra trasparente alle lunghezze d'onda di misurazione: quarzo per temperature fino a 1100°C, zaffiro per temperature fino a 1800°C e seleniuro di zinco o fluoruro di calcio per applicazioni specializzate. La finestra deve essere mantenuta pulita e priva di condensa, che assorbirebbe la radiazione infrarossa e farebbe abbassare la temperatura misurata.

Il termoregolatore del forno utilizza a Algoritmo PID (proporzionale-integrale-derivativo). per modulare la potenza erogata agli elementi riscaldanti in risposta alla differenza tra la temperatura misurata e quella impostata. I parametri PID devono essere ottimizzati per le caratteristiche termiche specifiche del forno (la massa termica, il tempo di risposta dell'elemento riscaldante e il tasso di perdita di calore) per ottenere un controllo stabile senza superamento all'avvio o oscillazione al setpoint. Un forno ben regolato può mantenere un'uniformità di temperatura compresa tra ±1°C e ±5°C in tutta la zona di lavoro, a seconda del design del forno, della zonizzazione degli elementi e della presenza di una ventola di circolazione per il trasferimento di calore convettivo a temperature più basse. L'uniformità della temperatura della zona di lavoro è verificata mediante un'indagine di uniformità della temperatura (TUS) per AME 2750 (per il trattamento termico aerospaziale) o secondo la specifica di processo applicabile, dove più termocoppie di rilevamento vengono posizionate nel forno per mappare la distribuzione della temperatura al punto di regolazione del processo.

Alimentazione e controllo: tiristori, trasformatori ed efficienza energetica

L'alimentazione elettrica per un forno ad alta temperatura deve fornire potenza controllata agli elementi riscaldanti attraverso un'ampia gamma di resistenze degli elementi, dalla bassa resistenza al freddo all'avvio alla resistenza più elevata alla temperatura di esercizio, e deve tenere conto dell'invecchiamento degli elementi in carburo di silicio nel corso della loro durata di servizio. Il controllo della potenza è ottenuto da a controller di potenza a tiristori (SCR). che modula la potenza CA agli elementi utilizzando il controllo dell'accensione ad angolo di fase o dell'accensione a raffica (zero-cross). La cottura ad angolo di fase fornisce una risoluzione di controllo più precisa e viene utilizzata quando il tempo di risposta termica del forno è breve. L'accensione a raffica controlla la potenza attivando e disattivando cicli completi della forma d'onda CA, riducendo il rumore elettrico e le armoniche ma produce un'uscita di controllo più grossolana. La scelta tra le due modalità dipende dalle caratteristiche elettriche del forno e dalla sensibilità dei requisiti di qualità dell'energia del sito.

Per i forni con elementi in carburo di silicio e disiliciuro di molibdeno, a trasformatore multipresa è interposto tra il regolatore di potenza e gli elementi. Il trasformatore riduce la tensione di alimentazione al valore basso, in genere da 10 a 60 volt, richiesto dagli elementi a bassa resistenza, e le prese multiple consentono di aumentare la tensione durante la vita dell'elemento per compensare l'aumento di resistenza dovuto all'invecchiamento. Il trasformatore deve essere dimensionato per la corrente a pieno carico alla massima tensione di presa e la sua impedenza deve essere adattata al carico dell'elemento per evitare un'eccessiva caduta di tensione. Per i forni industriali di grandi dimensioni con potenze nominali superiori a 100 kW, la distribuzione dell'energia è suddivisa in zone (la camera è divisa in zone di riscaldamento controllate in modo indipendente, ciascuna con la propria termocoppia, controller e alimentatore) per ottenere l'uniformità di temperatura richiesta in tutto il volume di lavoro.

Applicazioni nell'intero spettro di temperature

I forni ad alta temperatura sono essenziali in tutti i settori in cui è necessario il trattamento termico a temperature controllate superiori a 1000°C per sviluppare le proprietà del materiale desiderate. Le principali categorie di applicazione e i relativi intervalli di temperatura tipici sono:

• Sinterizzazione della ceramica (da 1200°C a 1800°C): La densificazione di polveri ceramiche compatte - allumina, zirconio, nitruro di silicio, carburo di silicio - mediante diffusione allo stato solido o sinterizzazione in fase liquida. L'atmosfera del forno (aria, azoto, vuoto) e il profilo termico (velocità di riscaldamento, tempo di permanenza, velocità di raffreddamento) sono fondamentali per raggiungere la densità target, la dimensione dei grani e le proprietà meccaniche. Le ceramiche avanzate per l'elettronica, gli impianti medici e le armature vengono sinterizzate in forni ad alta temperatura con un preciso controllo dell'atmosfera.
• Trattamento termico del metallo (da 1000°C a 1350°C): Tempra, solubilizzazione e distensione di acciai per utensili, acciai inossidabili, superleghe a base di nichel e leghe di titanio. Il forno deve fornire una temperatura uniforme e, per molte leghe, un'atmosfera protettiva o un vuoto per prevenire l'ossidazione e la decarburazione superficiale.
• Brasatura e saldatura per diffusione (da 1000°C a 1200°C): L'unione di metalli mediante una lega di riempimento che si scioglie e scorre nello spazio del giunto per azione capillare. La brasatura ad alta temperatura in atmosfera di vuoto o idrogeno viene utilizzata per scambiatori di calore aerospaziali, pale di turbine e componenti di reattori nucleari in cui il giunto brasato deve mantenere la sua resistenza alla temperatura di servizio.
• Test sui materiali (fino a 1800°C): La misurazione delle proprietà meccaniche (resistenza a trazione, scorrimento viscoso, flessione e compressione) alle temperature che il materiale sperimenterà in servizio. I forni di prova devono avere un'uniformità di temperatura molto stretta ed essere dotati di estensimetri e celle di carico che funzionino accuratamente alla temperatura di prova.
• Metallurgia delle polveri e sinterizzazione dello stampaggio a iniezione di metalli (MIM) (da 1200°C a 1450°C): La sinterizzazione di polveri metalliche compattate (acciaio inossidabile, acciaio per utensili, carburo di tungsteno) fino alla densità quasi totale. L'atmosfera del forno (idrogeno, azoto-idrogeno o vuoto) è fondamentale per ridurre gli ossidi superficiali sulle particelle di polvere e per controllare il contenuto di carbonio della parte sinterizzata.

Sistemi di sicurezza e rischi operativi

Il funzionamento sicuro di un forno ad alta temperatura richiede controlli tecnici che affrontino i rischi di calore estremo, atmosfere combustibili o asfissianti e il potenziale di guasto del refrattario. I sistemi di sicurezza primari includono a circuito ridondante di protezione da sovratemperatura che utilizza una termocoppia e un controller indipendenti impostati su una temperatura superiore al setpoint del processo ma inferiore alla temperatura massima di progettazione del forno; se la termocoppia di controllo primaria si guasta o il controller non funziona correttamente, il controller di sovratemperatura interrompe l'alimentazione agli elementi riscaldanti. Questo circuito di sicurezza indipendente è obbligatorio per il funzionamento non presidiato e per i forni che elaborano carichi di lavoro preziosi in cui un evento di sovratemperatura potrebbe distruggere il prodotto e potenzialmente il forno.

Per i forni che funzionano con atmosfere combustibili (idrogeno, gas di formatura o gas endotermico) sono necessari sistemi di sicurezza aggiuntivi. Il forno deve essere spurgato dall'aria con un gas inerte prima dell'introduzione dell'idrogeno e lo spurgo deve essere verificato da un analizzatore di ossigeno che confermi che la concentrazione di ossigeno è inferiore al limite inferiore di esplosività. A fiamma di combustione o un accenditore catalitico allo scarico del forno garantisce che l'eventuale idrogeno non reagito venga bruciato in modo sicuro prima che entri nell'atmosfera della stanza. Le linee di alimentazione del gas devono essere dotate di elettrovalvole normalmente chiuse che si chiudono in caso di mancanza di alimentazione, interrompendo immediatamente il flusso di gas. Un circuito di arresto di emergenza cablato che interrompe tutto il flusso di gas e l'energia di riscaldamento deve essere accessibile dalla posizione dell'operatore. Per i forni a vuoto, il rischio principale per la sicurezza è l'implosione della camera a vuoto e la camera deve essere progettata e fabbricata secondo il codice del recipiente a pressione appropriato (ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sezione VIII o standard nazionale equivalente) con un dispositivo di scarico della pressione che impedisce alla camera di essere pressurizzata oltre il limite di progettazione.