Introducere Modified atmospheres in laboratory and industrial furnaces
Creating a modified atmosphere in a laboratory or industrial furnace / oven involves changing the composition of the atmosphere within a sealed vessel in order to achieve the ideal conditions for a specific process.
There are several different types of modified atmosphere, the properties of which determine their suitability for an application. Most modified atmospheres fall into one of three categories, inert, reactive, or vacuum.
The following is an introduction into the different types of modified atmosphere, how they can be created, Carbolite Gero solutions for the process as well as typical applications and frequently asked questions.
Produsele Carbolite Gero sunt utilizate în mod obișnuit cu aer dar, cu echipamente suplimentare, unele produse pot fi utilizate cu atmosferă modificată. Deoarece aerul conține oxigen, încălzirea unei probe în aer poate duce la oxidarea acesteia, ceea ce nu este întotdeauna de dorit pentru anumite aplicații.
| N2 | azot | 78.08% |
| O2 | oxigen | 20.95% |
| Ar | argon | 0.93% |
| CO2 | dioxid de carbon | 0.038% |
| other gases | 0.002% |
Tratarea termică a materialelor într-o atmosferă modificată asigură un mediu de lucru controlat, o repetabilitate sporită și rezultate precise.
În funcție de tipul de material prelucrat și de mediul necesar, atmosferele modificate pot fi utilizate fie pentru a proteja probele de oxidare în timpul tratamentului termic, fie pentru a promova în mod activ reacțiile. Gazele inerte, cum ar fi argonul (Ar) sau azotul (N2) și gazele reducătoare, cum ar fi hidrogenul (H2), sunt utilizate pentru a preveni oxidarea, în timp ce gazele oxidante, cum ar fi oxigenul (O2) sau oxidul de azot (N2O), sunt utilizate pentru a promova oxidarea.
Alegerea atmosferei depinde în întregime de cerințele procesului de tratare termică.
Carbolite Gero generally uses nitrogen or argon to create inert atmospheres inside products.
Nitrogen is typically referred to as inert when it is to be used at temperatures below 1800°C. It displaces oxygen, so is ideal for use in applications where oxidation is undesirable.
Nitrogen is not a "noble" gas and, under specific conditions, can react with oxygen to form gases such as nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2). These are collectively referred to as NOx gases (the "x" referring to the number of oxygen atoms present in the compound).
Where an inert atmosphere is required, nitrogen is a cheaper alternative to argon, provided that the material being heat treated (or any subsequent by-products) will not react with it.
Argonul este un gaz "nobil" complet inert și nu va reacționa cu niciun material cu care intră în contact. Îndepărtează oxigenul, deci este ideal pentru utilizarea în aplicații în care oxidarea este nedorită.
Deși este mai scump decât azotul, argonul are avantajul de a putea fi utilizat la temperaturi de peste 1800°C fără niciun risc de reacție.
Carbolite Gero furnaces can be adapted for use with various reactive gases, such as hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), ammonia (NH3), methane (CH4), etc. Of these, the most frequently used is hydrogen.
Hydrogen has only one electron, which makes it highly reactive. Subsequently it can be used as a reducing gas to react with and break down other materials, e.g. reacting with and removing oxides from metals.
It has an autoignition temperature of around 500°C (932°F), subsequently, it is important to ensure that adequate safety precautions are taken during use. Prior to introducing hydrogen into a vessel, the air must first be removed; this is usually achieved by purging with an inert gas. The vessel must then be heated above the autoignition temperature to ensure the hydrogen is burnt in a controlled manner.
For lower-temperature processes where the properties of hydrogen are required, a less reactive forming gas can be used. One typical forming gas is a nitrogen and hydrogen mixture containing a maximum of 5% hydrogen. At such low concentrations, the hydrogen is not typically explosive.
When working with gases that contain more than 5% hydrogen, a gas safety system is required to protect against explosions.
Atunci când lucrați cu gaze reactive, este important să cunoașteți atât limita inferioară de explozie (LEL), cât și limita superioară de explozie (UEL) pentru gazul în cauză. LEL este concentrația minimă de gaz sau vapori care va provoca o explozie sau un incendiu atunci când este expus la o sursă de aprindere, în timp ce LEL este concentrația maximă de gaz capabil să se aprindă. Concentrațiile care depășesc limita superioară de explozie sunt considerate prea bogate și nu vor putea arde.
Explosion range of Hydrogen
În cazul cuptoarelor / etuvelor industriale și de laborator există două metode principale de creare a unei atmosfere modificate în interiorul unui recipient sigilat: prin purjare (“purging”) sau prin extragere și umplere “evacuation and backfilling”. Ambele metode au ca rezultat niveluri foarte scăzute de oxigen, însă prin extragere și umplere se obține de obicei o atmosferă mult mai pură. Procesul de creare a unei atmosfere modificate este cunoscut sub numele de "schimb atmosferic".
Purging involves flowing inert gas into a sealed vessel to displace the oxygen and remove it from the vessel. Any water present on the surface of the vessel (adsorbed water) will not be removed by the process of purging. This process results in a modified atmosphere that is acceptable for many processes. It may be necessary to have two different gas flow rates; a high flow rate for the initial purge to get the oxygen levels as low as possible, followed by a lower flow rate during processing to maintain the desired gas concentration levels within the vessel. Carbolite Gero's HTMA oven range uses this principle.
Metoda "extragere și umplere" presupune două etape. Etapa inițială necesită utilizarea unei pompe de vid pentru a goli incinta cuptorului și a extrage cât mai mult aer și apă adsorbită posibil. Aceasta este urmată de o perioadă de "umplere", în care se introduce un gaz inert pentru a elimina orice elemente sau compuși reziduali.
Acest proces poate fi repetat de câte ori este necesar până se obține atmosfera dorită în interiorul incintei cuptorului. Sub rezerva etanșeității cuptorului, această metodă este o modalitate rapidă de a obține o atmosferă modificată mai pură. Metoda de extragere și umplere este ideală în cazul în care piesele supuse tratamentului termic sunt poroase, deoarece pompa de vid îndepărtează aerul care ar fi rămas blocat dacă se folosea doar metoda de purjare.
Extragerea și umplerea trebuie efectuată numai atunci când vasul se află la temperatura ambiantă. Operarea la temperaturi ridicate riscă să deterioreze pompa de vid.
A – Purging vessel with N2 at 40 litres per hour (10x furnace volume per hour)
B – Purging vessel with N2 at 400 litres per hour (100x furnace volume per hour)
C – Evacuation and backfilling of vessel
In addition to inert and reactive modified atmosphere, it is also possible to heat treat samples completely under vacuum in a furnace / oven, without introducing a gas into the sealed vessel. The use of a vacuum pump has the additional benefit of extracting unwanted air and molecules from porous samples.
It is important to note that unless specifically designed for the purpose, vessels should not be evacuated with a vacuum pump whilst hot. The change in atmospheric pressure, coupled with the reduction in material strength caused by temperature changes can cause vessels, particularly those with a rectangular design, to rupture.
There are different levels of vacuum achievable, depending on the pump type used:
Presiune (mbar) | Tip | |
| Vid preliminar | 1000 - 1 | Rotary vane pump |
| Vid fin | 1 - 10-3 | Roots pump |
| Vid înaintat | 10-3 - 10-7 | Turbomolecular pump |
| Vid ultraînaintat | < 10-7 | Turbomolecular pump |
Other pumps (oil diffusion pump, cryo-pump, ion getter pump etc.) are available on request.
Note: Pumps which have no pumping speed in the rough and fine vacuum range, such as turbomolecular pump and oil diffusion pump, need to be used in combination with a pre-pump, such as a rotary vane pump.
Rotary vane pump
Roots pump
Turbomolecular pump
Specially designed cylindrical retorts allow for the use of vacuum at high temperatures, however due to the increased strain, the larger the retort, the lower the maximum operating temperature.
For more information on available vacuum furnace solutions, please see Carbolite Gero’s GPCMA and GLO furnace ranges.
Carbolite Gero retort with vacuum
Whereas most vessels for working in modified atmosphere are placed within a furnace chamber with the heating elements and insulation on the outside of the retort, “cold wall” vacuum furnaces contain both the heating elements and insulation inside the vessel itself. The positioning of the insulation has the effect of ensuring that the outer wall of the vessel remains cool, helping to protect the structural integrity of the vessel and therefore allowing the furnace to be operated under vacuum at high temperatures. These specialised furnaces are also available with water-cooling systems to further ensure that the vessel maintains a cool outer surface.
Evacuating a vessel results in the reduction of atoms and molecules inside. However, a perfect vacuum is unachievable so the number of particles can never be completely reduced to zero. In a vacuum of <10-7 mbar there are still <109 particles per cubic cm.
The table below shows the number of particles in 1cm3. The mean free path length (λ) is the average distance over which a particle can travel as a result of a collision with another particle. The greater the distance, the fewer particles are likely to be present. The λ value is dependent on the vacuum pressure.
| Vid preliminar | Vid fin | Vid înaintat | Vid ultraînaintat | |
| Presiune (mbar) | 1000-1 | 1 – 10-3 | 10-3 – 10-7 | < 10-7 |
| Număr de particule pe cm3 | 1019 – 1016 | 1016 – 1013 | 1013 – 109 | <109 |
| Calea liberă medie (λ) | < 100 µm | 100 µm – 100 mm | 100 mm – 1 km | > 1 km |
The following table shows the different units for pressure. The SI unit is the pascal (Pa).
| Pa | bar | mbar | Torr (mm Hg) | atm | at | |
| 1 Pa | 1 | 10-5 | 10-2 | 7.5 x 10-3 | 9.87 x 10-6 | 1.02 x 10-5 |
| 1 bar | 105 | 1 | 10-3 | 750 | 0.987 | 1.02 |
| 1 mbar | 102 | 10-3 | 1 | 0.75 | 0.987 x 10-3 | 1.02 x 10-3 |
| 1 Torr | 133 | 1.33 x 10-3 | 1.33 | 1 | 1.32 x 10-3 | 1.36 x 10-3 |
| 1 atm (phys) | 101330 | 1.0133 | 1013.3 | 760 | 1 | 1.033 |
| 1 at (techn) | 98100 | 0.981 | 981 | 736 | 0.986 | 1 |
Pentru a menține o atmosferă modificată, este necesar un recipient etanș. Acesta ar putea cuprinde un tub de lucru cu garnituri de etanșare speciale pentru cuptoare tubulare sau o retortă, utilizată de obicei în cuptoarele cu cameră.
Carbolite Gero oferă pachete de gaze standard și echipamente conexe pentru a ajuta la crearea și menținerea atmosferelor modificate în cadrul produselor noastre, precum și o gamă de produse special concepute pentru aplicații cu atmosferă modificată.
Echipamentele și accesoriile opționale pentru atmosferă modificată permit o mai mare flexibilitate operațională, deoarece produsele pot fi utilizate pentru mai multe aplicații cu diferite gaze, vid sau fără modificarea atmosferei.
Carbolite Gero oferă o gamă de opțiuni care permit lucrul în atmosferă modificată, în gama standard de cuptoare tubulare. Aceste opțiuni includ pachete speciale de tuburi de lucru, pachete pentru gaze inerte, pachete cu pompe de vid, precum și un sistem de siguranță pentru hidrogen.
În cazul cuptoarelor cu cameră, se utilizează de obicei o retortă în care se poate crea atmosfera modificată. Echipamentele și accesoriile opționale permit o mai mare flexibilitate operațională, deoarece produsele pot fi utilizate pentru mai multe aplicații cu diferite gaze, vid sau fără modificarea atmosferei din cuptor.
În plus, există etuve și cuptoare cu cameră dedicate, complet echipate standard pentru funcționarea în atmosferă controlată.
Gama noastră extinsă de cuptoare de vid include cuptoarele cu cameră de vid, cuptoare carcasă cu vid, cuptoare cu încărcare inferioară, cuptoare de vid de laborator și cuptoare tubulare cu vid. Fiecare cuptor poate fi utilizat fie cu gaz reactiv, fie cu gaz inert. Majoritatea produselor din gama noastră de cuptoare cu vid sunt disponibile fie cu izolație din metal, grafit, fie din ceramică. La cerere, modelele de grafit pot fi configurate pentru a funcționa în siguranță până la 3000°C. Alte opțiuni disponibile pe anumite modele în momentul comenzii includ software avansat, înregistratoare de date și controlere digitale sofisticate. Acestea asigură niveluri suplimentare de control asupra funcționării cuptorului cu vid și oferă capacități complete de înregistrare a datelor. Mai mult, în unele cazuri pot fi furnizate diferite pompe, sisteme de vid și sisteme de răcire pentru a îndeplini cerințele specifice. Alegeți un grup de produse din gama cuptorului cu vid de mai jos pentru a vedea detaliile.
Acestea sunt doar câteva dintre numeroasele aplicații care necesită o atmosferă modificată într-o etuvă/cuptor de laborator sau industrial.
Piroliza este o metodă de descompunere a materialelor la temperaturi ridicate într-o atmosferă inertă. Este necesară o atmosferă inertă, deoarece materialele riscă să ardă atunci când sunt încălzite în prezența oxigenului.
Piroliza este frecvent utilizată pentru a obține carbonizarea materialelor organice, transformându-le într-un reziduu solid bogat în carbon. Atunci când materialele sunt carbonizate, acestea pot avea proprietăți foarte diferite și există numeroase domenii de cercetare care explorează diverse moduri de valorificare a acestora.
Universitatea din York & Biorenewables Research Centre folosește piroliza pentru a transforma amidonul reciclat în materiale care pot fi utilizate în tehnologia bateriilor.
Imprimarea 3D este una dintre tehnicile de fabricație aditivă care poate fi utilizată pentru a crea structuri metalice complexe, care altfel ar fi imposibil de produs prin metode tradiționale.
În mod obișnuit, materia primă metalică trebuie să fie sub formă de pulbere și poate fi amestecată cu un liant pentru a obține o structură stabilă. Acest liant trebuie apoi îndepărtat fie chimic, fie prin tratament termic.
Tratamentul termic trebuie să aibă loc într-o atmosferă modificată, fără oxigen, deoarece expunerea la aer va duce la oxidarea metalului, ceea ce ar putea distruge o piesă a cărei producție este relativ costisitoare.
Pentru a proteja piesa metalică împotriva oxidării se poate utiliza o atmosferă inertă sau reducătoare.
piesă metalică, obținută prin tehnologia de imprimare 3D, înainte și după tratamentul termic într-o atmosferă inertă cu un cuptor Carbolite Gero
Odată cu apariția vehiculelor electrice în piața globală, a crescut cererea de tehnologie pentru baterii, ceea ce, la rândul său, a exercitat presiuni suplimentare asupra unor resurse potențial finite, și anume a unor metale valoroase precum litiul, cobaltul, nichelul și cuprul. Pentru a putea satisface cererea, este necesară reciclarea bateriilor uzate existente pentru a recupera aceste metale în vederea utilizării viitoare.
O astfel de metodă de valorificare implică spargerea bateriilor vechi în bucăți mici și încălzirea lor într-o atmosferă inertă într-un cuptor tubular rotativ pentru a vaporiza și a îndepărta plasticul. Atmosfera inertă este necesară pentru a împiedica arderea plasticului, care ar putea produce vapori potențial toxici și ar putea contamina metalul cu carbon. Vaporizarea plasticului garantează că metalul poate fi extras cu ușurință și în mod curat.
Cel mai eficient mod de a îmbina diferite materiale astfel încât să fie etanșe la vid este de a le supune unui proces de lipire și brazare într-un mediu de vid înalt. Două materiale diferite sunt conectate cu ajutorul unui material metalic, cunoscut sub numele aliaje de lipire. Procesul complet necesită un mediu de vid înalt sau ultra-înalt și temperaturi maxime de 1100°C. Atmosfera de vid previne oxidarea și permite utilizarea unui material de lipire fără flux.
Lipirea piesei electronice în condiții normale (stânga) și în condiții de vid înalt (dreapta). În imaginea din stânga se pot observa bulele de la îmbinarea lipiturii.
Metalele dure sunt utilizate pentru fabricarea uneltelor pentru prelucrarea lemnului, unelte rotative, unelte pentru tăierea ferestrelor sau a sticlei etc. Vârfurile pânzelor de ferăstrău mici sunt fabricate predominant din carbură de wolfram (WC), însă pot fi incluse cantități mici de cobalt (Co) și titan (Ti).
Pulberea de metal se amestecă cu un liant polimeric (parafină) și se presează în formă. Delierea și sinterizarea formelor presate se pot realiza apoi într-un mediu vidat în interiorul unui cuptor de grafit.
În timpul procesului de deliere (eliminare a liantului), este important să se mențină un flux de gaz controlat pentru a proteja construcția cuptorului.
Procesul de sinterizare necesită un control foarte precis al temperaturii pentru a păstra granulația mică a carburilor. Din acest motiv nu se pot permite temperaturi mai mari de 1450°C.
Prin aplicarea unei atmosfere cu presiune parțială definită în timpul procesului de sinterizare, cobaltul difuzează spre suprafața lamelor de ferăstrău. Acest proces de difuzie înlatură procesul de pulverizare suplimentară, dar necesită o precizie ridicată a controlului atmosferei în interiorul cuptorului. În fiecare zi, la nivel mondial, se produc milioane de piese din carbură de wolfram.
Crearea unei atmosfere modificate presupune schimbarea compoziției atmosferei dintr-o incintă închisă etanș. Există mai multe tipuri diferite de atmosfere modificate, ale căror proprietăți determină utilitatea lor pentru o anumită aplicație. Majoritatea atmosferelor modificate se încadrează într-una dintre cele trei categorii: inerte, reactive sau vid.
Atmosferele inerte sunt ideale pentru procesele care implică probe ce pot fi deteriorate prin expunerea la oxigen. Acestea necesită, de obicei, utilizarea argonului (Ar) sau a azotului (N2), care este clasificat ca inert atunci când se află la o temperatură mai mică de 1800°C. Aceste gaze înlocuiesc oxigenul și nu reacționează cu materialele din probe, formând o atmosferă protectoare în timpul tratamentului termic.
Termenul "reactiv" este utilizat pentru a descrie o gamă de atmosfere care sunt utilizate pentru cataliza sau favorizarea reacțiilor chimice în timpul procesului termic. Atmosferele reactive sunt utilizate de obicei fie pentru a promova reacții de oxidare, care duc la formarea de compuși de oxizi (oxid de fier, dioxid de carbon etc.), fie reacții de reducere, care elimină oxizii dintr-o probă. Printre exemplele de atmosfere reactive se numără utilizarea gazului de oxidare (O2 / N2O) și a gazului de reducere (H2).
Vidul este necesar atunci când trebuie eliminat complet oxigenul sau alte elemente/compuși dintr-un mediu. Există diferite tipuri de vid care pot fi atinse prin utilizarea diferitelor tipuri de pompe de vid; aceste niveluri includ preliminar, fin, înaintat și ultra-înaintat. Nivelul de vid necesar depinde de aplicație.
Există două metode principale de creare a unei atmosfere modificate în interiorul unei incinte etanșe: "purjare" sau "evacuare și umplere". Ambele metode au ca rezultat obținerea unor niveluri foarte scăzute de oxigen, însă prin "evacuare și umplere" se obține de obicei o atmosferă mult mai pură. Procesul de creare a unei atmosfere modificate este cunoscut sub numele de "schimb atmosferic".
Purjarea presupune introducerea unui gaz inert într-o incintă etanșă pentru evacuarea oxigenului. Adesea, se utilizează două debite diferite de gaz; un debit mare pentru purjarea inițială care reduce nivelul de oxigen, urmat de un debit mai mic, în timpul procesului de tratare termică, pentru a menține nivelurile de concentrație de gaz dorite și a reduce consumul total de gaz. Prin purjare se obține o atmosferă utilizabilă într-un interval de timp mai scurt datorită debitului inițial ridicat de gaz.
Metoda "extragere și umplere" presupune două etape. Etapa inițială presupune utilizarea unei pompe de vid pentru a extrage cât mai mult oxigen și particule nedorite atât din incintă, cât și din interiorul probelor poroase din interior. Etapa de evacuare este urmată de o perioadă de "umplere", în care se introduce un flux de gaz inert pentru a îndepărta particulele reziduale. Acest proces poate fi repetat de câte ori este necesar.
There are four types of vacuum pump that are commonly used: rotary vane pumps, roots pumps, oil diffusion pumps, and turbomolecular pumps. Each pump is capable of achieving vacuum pressures within a particular range, and the choice of pump is dependent on the requirements of the application process. Carbolite Gero offer standard rotary vane and turbomolecular vacuum pump packages, which can achieve vacuum levels of 5x10-2 mbar, and 1x10-5 mbar respectively.
The accepted definition of a vacuum is a reduced number of (gas) molecules and atoms within a sealed volume (vessel) at a constant temperature, when compared to ambient conditions. If a vacuum is applied to a sealed vessel, the number of particles inside is reduced, however a perfect vacuum will never be achievable as even in ultra-high vacuum conditions there are still billions of particles within one cm3.
Presiunea (P) se definește ca fiind coeficientul dintre forța (F) care acționează perpendicular pe o suprafață și aria (A) acestei suprafețe, deci "P=F/A". Unitatea SI de presiune este "pascal" cu simbolul unitar Pa, însă presiunea poate fi exprimată și în alte unități, cum ar fi bar, mbar etc.
Whether it is a standard product with modified atmosphere capability or a fully customised system, Carbolite Gero has manufactured thousands of furnaces over the years and realised projects around the globe.
Contact us for a free consultation and talk to a product specialist to find the most suitable solution for your application needs!
