Introdução Atmosferas modificadas em laboratórios e fornos industriais
A criação de uma atmosfera modificada em uma estufa ou forno de laboratório / industrial envolve a alteração da composição da atmosfera dentro de um recipiente selado para atingir as condições ideais para um processo específico.
Existem vários tipos diferentes de atmosfera modificada, cujas propriedades determinam sua adequação para uma aplicação. A maioria das atmosferas modificadas se enquadra em uma das três categorias: inerte, reativa ou vácuo.
O que se segue é uma introdução aos diferentes tipos de atmosfera modificada, como podem ser criados, soluções Carbolite Gero para o processo, bem como aplicações típicas e perguntas frequentes.
Os produtos Carbolite Gero são comumente usados no ar, mas com equipamentos adicionais, alguns produtos são capazes de conter uma atmosfera modificada. Como o ar contém oxigênio, o aquecimento de uma amostra no ar pode causar sua oxidação, o que nem sempre é desejável para algumas aplicações.
| N2 | nitrogênio | 78.08% |
| O2 | oxigênio | 20.95% |
| Ar | argônio | 0.93% |
| CO2 | dióxido de carbono | 0.038% |
| outros gases | 0.002% |
O tratamento térmico de materiais em uma atmosfera modificada garante um ambiente de trabalho controlado, maior repetibilidade e resultados mais consistentes.
Dependendo do tipo de material processado e do ambiente necessário, as atmosferas modificadas podem ser usadas para proteger as amostras da oxidação durante o tratamento térmico ou para promover ativamente as reações. Gases inertes, como argônio (Ar) ou nitrogênio (N2), e gases redutores como hidrogênio (H2), são usados para prevenir a oxidação, enquanto gases oxidantes, como oxigênio (O2) ou óxido nitroso (N2O), são usados para promover a oxidação.
A escolha da atmosfera depende inteiramente dos requisitos do processo de tratamento térmico.
Carbolite Gero geralmente usa nitrogênio ou argônio para criar atmosferas inertes dentro dos produtos.
O nitrogênio é normalmente referido como inerte quando deve ser usado em temperaturas abaixo de 1800 ° C. Ele desloca o oxigênio, por isso é ideal para uso em aplicações onde a oxidação é indesejável.
O nitrogênio não é um gás "nobre" e, sob condições específicas, pode reagir com o oxigênio para formar gases como o óxido nítrico (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO2). Estes são referidos coletivamente como gases NOx (o "x" referindo-se ao número de átomos de oxigênio presentes no composto).
Quando uma atmosfera inerte é necessária, o nitrogênio é uma alternativa mais barata ao argônio, desde que o material sendo tratado termicamente (ou qualquer subproduto subsequente) não reaja com ele.
O argônio é um gás “nobre” completamente inerte e não reagirá com nenhum material com o qual entre em contato. Ele desloca o oxigênio, por isso é ideal para uso em aplicações onde a oxidação é indesejável.
Embora mais caro que o nitrogênio, o argônio tem a vantagem de poder ser usado em temperaturas acima de 1800°C sem nenhum risco de reação.
Os fornos Carbolite Gero podem ser adaptados para uso com diversos gases reativos, como hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), amônia (NH3), metano (CH4), etc. Destes, o mais utilizado é o hidrogênio.
O hidrogênio tem apenas um elétron, o que o torna altamente reativo. Subsequentemente, pode ser utilizado como um gás redutor para reagir e decompor outros materiais, e. reagindo com e removendo óxidos de metais.
Possui uma temperatura de autoignição em torno de 500°C (932°F), portanto, é importante garantir que as precauções de segurança adequadas sejam tomadas durante o uso. Antes de introduzir hidrogênio em um recipiente, o ar deve primeiro ser removido; isso geralmente é conseguido purgando com um gás inerte. O recipiente deve então ser aquecido acima da temperatura de autoignição para garantir que o hidrogênio seja queimado de maneira controlada.
Para processos de baixa temperatura onde as propriedades do hidrogênio são necessárias, menos gás de formação reativo pode ser usado. Um gás de formação típico é uma mistura de nitrogênio e hidrogênio contendo no máximo 5% de hidrogênio. Em tais concentrações baixas, o hidrogênio não é tipicamente explosivo.
Ao trabalhar com gases que contêm mais de 5% de hidrogênio, um sistema de segurança de gás é necessário para proteção contra explosões.
Ao trabalhar com gases reativos, é importante estar ciente do limite inferior de explosão (LEL) e do limite superior de explosão (UEL) para o gás em questão. O LEL é a concentração mínima de gás ou vapor que irá causar um clarão ou incêndio quando exposto a uma fonte de ignição, enquanto o UEL é a concentração máxima de gás capaz de inflamar. As concentrações acima do limite superior de explosão são consideradas muito ricas e não podem queimar.
Faixa de explosão de hidrogênio
Em estufas/fornos de laboratório e industriais, existem dois métodos principais para criar uma atmosfera modificada dentro de um recipiente selado, “purga” ou “evacuação e enchimento”. Ambos os métodos resultam em níveis de oxigênio muito baixos, no entanto, "evacuação e preenchimento" normalmente resulta em uma atmosfera muito mais pura. O processo de criação de uma atmosfera modificada é conhecido como "troca atmosférica".
A purga envolve o fluxo de gás inerte em um recipiente selado para deslocar o oxigênio e removê-lo do recipiente. Qualquer água presente na superfície do vaso (água adsorvida) não será removida pelo processo de purga. Este processo resulta em uma atmosfera modificada que é aceitável para muitos processos. Pode ser necessário ter duas taxas de fluxo de gás diferentes; uma taxa de fluxo alta para a purga inicial para obter os níveis de oxigênio tão baixos quanto possível, seguida por uma taxa de fluxo mais baixa durante o processamento para manter os níveis de concentração de gás desejados dentro do vaso. A linha de fornos HTMA da Carbolite Gero usa esse princípio.
O método de "evacuação e enchimento" envolve duas etapas. O estágio inicial requer o uso de uma bomba de vácuo para evacuar o recipiente e extrair o máximo possível de ar e água adsorvida. Isso é seguido por um período de "enchimento", onde um fluxo de gás inerte é introduzido para deslocar quaisquer elementos ou compostos residuais. Este processo pode ser repetido quantas vezes forem necessárias para atingir a atmosfera desejada dentro do recipiente. Desde que o vaso seja estanque a gases, este método é uma maneira rápida de obter uma atmosfera modificada mais pura. O método de evacuação e preenchimento é ideal se as peças sendo tratadas termicamente forem porosas, já que a bomba de vácuo remove todo o ar que, de outra forma, ficaria preso se fosse usado apenas o método de purga. A evacuação e o enchimento só devem ser realizados quando o recipiente estiver à temperatura ambiente. A operação em altas temperaturas pode danificar a bomba de vácuo.
A – Vaso de purga com N2 a 40 litros por hora (10x o volume do forno por hora)
B – Vaso de purga com N2 a 400 litros por hora (100x o volume do forno por hora)
C – Evacuação e preenchimento do vaso
Além da atmosfera modificada inerte e reativa, também é possível tratar as amostras completamente sob vácuo em um forno / forno, sem a introdução de gás no recipiente selado. O uso de uma bomba de vácuo tem o benefício adicional de extrair ar e moléculas indesejadas de amostras porosas.
É importante observar que, a menos que especificamente projetado para esse propósito, os recipientes não devem ser evacuados com uma bomba de vácuo enquanto estiverem quentes. A mudança na pressão atmosférica, associada à redução da resistência do material causada pelas mudanças de temperatura, pode causar a ruptura de vasos, principalmente aqueles com formato retangular.
Existem diferentes níveis de vácuo alcançáveis, dependendo do tipo de bomba usada:
Pressão (mbar) | Tipo | |
| Vácuo bruto | 1000 - 1 | Bomba de palheta rotativa |
| Vácuo fino | 1 - 10-3 | Bomba tipo roots |
| Alto vácuo | 10-3 - 10-7 | Bomba turbomolecular |
| Ultra alto vácuo | < 10-7 | Bomba turbomolecular |
Outras bombas (bomba de difusão de óleo, bomba criogênica, bomba getter de íons, etc.) estão disponíveis mediante solicitação.
Observação: as bombas que não têm velocidade de bombeamento na faixa de vácuo áspero e fino, como a bomba turbomolecular e a bomba de difusão de óleo, precisam ser usadas em combinação com uma pré-bomba, como uma bomba de palheta rotativa.
Bomba de palheta rotativa
Bomba tipo roots
Bomba turbomolecular
Retortas cilíndricas especialmente projetadas permitem o uso de vácuo em altas temperaturas, no entanto, devido ao aumento da deformação, quanto maior a retorta, menor a temperatura máxima de operação.
Para obter mais informações sobre as soluções de forno a vácuo disponíveis, consulte as linhas de fornos GPCMA e GLO da Carbolite Gero.
Retorta Carbolite Gero com vácuo
Enquanto a maioria dos recipientes para trabalhar em atmosfera modificada são colocados dentro de uma câmara de forno com os elementos de aquecimento e isolamento do lado de fora da retorta, os fornos a vácuo de “parede fria” contêm os elementos de aquecimento e isolamento dentro do próprio recipiente. O posicionamento do isolamento tem o efeito de garantir que a parede externa do vaso permaneça fria, ajudando a proteger a integridade estrutural do vaso e, portanto, permitindo que o forno funcione sob vácuo em altas temperaturas. Esses fornos especializados também estão disponíveis com sistemas de resfriamento de água para garantir ainda mais que a embarcação mantenha uma superfície externa fria.
A evacuação de um vaso resulta na redução de átomos e moléculas em seu interior. No entanto, um vácuo perfeito é inatingível, então o número de partículas nunca pode ser completamente reduzido a zero. Em um vácuo de <10-7 mbar, ainda existem <109 partículas por cm cúbico.
A tabela abaixo mostra o número de partículas em 1cm3. O comprimento médio do caminho livre (λ) é a distância média na qual uma partícula pode viajar como resultado de uma colisão com outra partícula. Quanto maior a distância, menos partículas provavelmente estarão presentes. O valor λ depende da pressão de vácuo.
| Vácuo bruto | Vácuo fino | Alto vácuo | Ultra alto vácuo | |
| Pressão (mbar) | 1000-1 | 1 – 10-3 | 10-3 – 10-7 | < 10-7 |
| Número de partículas por cm3 | 1019 – 1016 | 1016 – 1013 | 1013 – 109 | <109 |
| Comprimento médio do caminho livre (λ) | < 100 µm | 100 µm – 100 mm | 100 mm – 1 km | > 1 km |
A tabela a seguir mostra as diferentes unidades de pressão. A unidade SI é o 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 |
Para manter uma atmosfera modificada, um recipiente selado é necessário. Isso pode compreender um tubo de trabalho com vedações de extremidade especializadas para uso com fornos de tubo, ou uma retorta, normalmente usada em fornos de câmara.
A Carbolite Gero oferece pacotes de gás padrão e equipamentos associados para auxiliar na criação e manutenção de atmosferas modificadas dentro de nossos produtos, bem como uma gama de produtos especialmente concebidos para aplicações em atmosfera modificada.
Equipamentos e acessórios de atmosfera modificada opcionalmente permitem maior flexibilidade operacional, pois os produtos podem ser usados para múltiplas aplicações envolvendo diferentes gases, vácuo ou atmosfera não modificada.
Carbolite Gero oferece uma gama de opções para permitir atmosfera modificada na gama de fornos tubulares padrão. Essas opções incluíam pacotes especiais de tubos de trabalho, pacotes de gás inerte, pacotes de bomba de vácuo, bem como um sistema de segurança de hidrogênio.
Em fornos de câmara, uma retorta é normalmente usada para manter uma atmosfera modificada. Equipamentos e acessórios opcionais permitem maior flexibilidade operacional, pois os produtos podem ser usados para múltiplas aplicações envolvendo diferentes gases, vácuo ou atmosfera não modificada.
Além disso, existem fornos de câmara dedicados e fornos totalmente equipados para operação em atmosfera controlada como padrão.
A gama de fornos a vácuo oferecida pela Carbolite Gero inclui fornos de câmara de vácuo, fornos de capota de vácuo, fornos de carregamento inferior, fornos de vácuo de laboratório e fornos de tubo a vácuo. Cada forno pode ser usado com um gás reativo ou um gás inerte. A maioria dos produtos em nossa linha de fornos a vácuo está disponível com isolamento de metal, grafite ou cerâmica. Mediante solicitação, os modelos de grafite podem ser configurados para operar com segurança até 3000°C.
Estas são algumas das muitas aplicações que requerem uma atmosfera modificada em uma estufa/forno de laboratório ou industrial.
Pirólise é o método de decomposição de materiais em altas temperaturas em uma atmosfera inerte. Uma atmosfera inerte é necessária, pois os materiais podem entrar em combustão quando aquecidos na presença de oxigênio.
A pirólise é freqüentemente usada para alcançar a carbonização de materiais orgânicos, convertendo-os em um estado rico em carbono / carbono. Quando os materiais são carbonizados, eles podem ter propriedades muito diferentes, e há muitos campos de pesquisa sobre como as propriedades benéficas dos materiais carbonizados podem ser aproveitadas.
Universidade de York & Centro de Pesquisa Biorenováveis usa a pirólise para converter amido reciclado em materiais para uso em tecnologia de bateria.
A impressão 3D é uma técnica de manufatura com ditivo que pode ser usada para criar estruturas metálicas intrincadas que, de outra forma, seriam impossíveis de produzir por meio de métodos tradicionais.
Normalmente, o material de origem de metal deve estar na forma de pó e pode ser misturado com um material aglutinante para ajudar a manter a estrutura resultante unida. Este aglutinante deve então ser removido quimicamente ou por meio de tratamento térmico.
O tratamento térmico deve ocorrer sob uma atmosfera modificada e livre de oxigênio, pois a exposição ao ar fará com que o metal se oxide, potencialmente arruinando uma peça que é relativamente cara de produzir.
Tanto uma atmosfera inerte quanto redutora pode ser usada para proteger a parte metálica da oxidação.
Peça metálica impressa em 3D antes e depois do tratamento térmico em atmosfera inerte com forno Carbolite Gero.
Com o advento dos veículos elétricos disponíveis comercialmente, tem havido um aumento na demanda por tecnologia de bateria, o que por sua vez colocou pressões adicionais sobre recursos potencialmente finitos, ou seja, metais valiosos como lítio, cobalto, níquel e cobre. Para poder atender à demanda, a reciclagem das baterias esgotadas existentes é necessária para recuperar esses metais para uso futuro.
Um desses métodos de recuperação envolve quebrar as baterias velhas em pequenos pedaços e aquecê-las em uma atmosfera inerte dentro de um forno de tubo rotativo para vaporizar e remover o plástico. A atmosfera inerte é necessária para evitar que o plástico queime, pois pode causar fumos potencialmente tóxicos e contaminar o metal com carbono. A vaporização do plástico garante que o metal possa ser extraído de maneira fácil e limpa.
A maneira mais eficaz de unir diferentes materiais para que fiquem estanques ao vácuo é submetê-los a um processo de soldagem e brasagem em um ambiente de alto vácuo. Dois materiais diferentes são conectados usando um material metálico, conhecido como solda ou enchimento de brasagem. O processo completo requer um ambiente de alto ou ultra-alto vácuo e temperaturas máximas de 1100°C. A atmosfera de vácuo evita a oxidação e permite o uso de material de solda sem fluxo.
Soldagem de composto eletrônico em condições normais (esquerda) e sob alto vácuo (direita). Você pode localizar as bolhas na junta de solda na imagem à esquerda.
Metais duros são usados para fazer ferramentas de trabalho de madeira, ferramentas rotativas, ferramentas de corte de janela ou vidro, etc. As pequenas pontas das lâminas de serra consistem predominantemente em carboneto de tungstênio (WC), no entanto, pequenas quantidades de cobalto (Co) e titânio (Ti) podem ser incluídas.
Pó de metal é misturado com aglutinante polimérico (parafina) e prensado em forma. A decapagem e sinterização das formas prensadas podem então ser realizadas em um ambiente de vácuo dentro de um forno de grafite.
Durante o processo de debinding, é importante manter um fluxo de gás controlado para proteger a construção do forno.
O processo de sinterização requer um controle de temperatura muito preciso para preservar o pequeno tamanho de grão dos carbonetos. Por causa disso, as temperaturas não podem exceder 1450°C.
Ao aplicar uma atmosfera de pressão parcial definida durante o processo de sinterização, o cobalto se difunde em direção à superfície das lâminas de serra. Este processo de difusão nega a necessidade de realizar um outro processo de pulverização catódica, mas requer uma alta precisão de controle da atmosfera dentro do forno. Todos os dias, milhões de pontas de ferramentas de carboneto de tungstênio são produzidas globalmente.
A criação de uma atmosfera modificada envolve a mudança da composição da atmosfera dentro de um recipiente selado para atingir as condições ideais para um processo específico. Existem vários tipos diferentes de atmosfera modificada, cujas propriedades determinam sua adequação para uma aplicação. A maioria das atmosferas modificadas se enquadra em uma das três categorias: inerte, reativa ou vácuo.
Atmosferas inertes são ideais para processos que envolvem amostras que podem ser danificadas pela exposição ao oxigênio. Eles normalmente requerem o uso de argônio (Ar) ou nitrogênio (N2), que é classificado como inerte quando abaixo de 1800°C. Esses gases deslocam o oxigênio e não reagem com os materiais da amostra, criando uma atmosfera protetora durante o tratamento térmico.
O termo "reativo" é usado para descrever uma gama de atmosferas que são usadas para catalisar ou apoiar reações químicas dentro de uma amostra durante o processamento. Atmosferas reativas são normalmente usadas para promover reações de oxidação, que resultam na formação de compostos de óxido (óxido de ferro, dióxido de carbono, etc.), ou reações de redução, que removem compostos de óxido de uma amostra. Exemplos de atmosferas reativas incluem o uso de gás oxidante (O2 / N2O) e gás redutor (H2).
Uma atmosfera de vácuo é necessária quando é necessário ter uma ausência completa de oxigênio, ou quaisquer outros elementos ou compostos, dentro de um ambiente. Existem diferentes níveis de pressão de vácuo que podem ser alcançados usando diferentes tipos de bombas de vácuo; Esses níveis incluem áspero, fino, alto e ultra-alto. O nível de vácuo necessário depende da aplicação.
Existem dois métodos principais de criação de uma atmosfera modificada dentro de um recipiente selado, “purga” ou “evacuação e preenchimento”. Ambos os métodos resultam em níveis de oxigênio muito baixos, no entanto, "evacuação e preenchimento" normalmente resulta em uma atmosfera muito mais pura. O processo de criação de uma atmosfera modificada é conhecido como "troca atmosférica".
A purga envolve o fluxo de gás inerte em um recipiente selado para deslocar e remover o oxigênio. Freqüentemente, duas taxas de fluxo de gás diferentes são usadas; uma alta taxa de fluxo para a purga inicial para reduzir os níveis de oxigênio, seguida por uma taxa de fluxo mais baixa durante o processamento para manter os níveis de concentração de gás desejados e reduzir o consumo geral de gás. A purga atinge uma atmosfera utilizável em um período de tempo mais curto devido à alta taxa de fluxo de gás inicial.
O método de "evacuação e enchimento" envolve duas etapas. O estágio inicial envolve o uso de uma bomba de vácuo para extrair o máximo possível de oxigênio e partículas indesejadas de ambos os recipientes e de dentro de qualquer amostra porosa. O estágio de evacuação é seguido por um período de “enchimento”, onde um fluxo de gás inerte é introduzido para deslocar quaisquer partículas residuais. Este processo pode ser repetido quantas vezes forem necessárias.
Existem quatro tipos de bombas de vácuo comumente usadas: bombas rotativas de palhetas, bombas raízes, bombas de difusão de óleo e bombas turbomoleculares. Cada bomba é capaz de atingir pressões de vácuo dentro de uma faixa específica, e a escolha da bomba depende dos requisitos do processo de aplicação. A Carbolite Gero oferece pacotes de palhetas rotativas e bombas de vácuo turbomoleculares padrão, que podem atingir níveis de vácuo de 5x10-2 mbar e 1x10-5 mbar, respectivamente.
A definição aceita de vácuo é um número reduzido de (gás) moléculas e átomos dentro de um volume selado (vaso) a uma temperatura constante, quando comparado às condições ambientais. Se um vácuo é aplicado a um recipiente selado, o número de partículas dentro é reduzido; no entanto, um vácuo perfeito nunca será alcançado, pois mesmo em condições de ultra-alto vácuo, ainda existem bilhões de partículas dentro de um cm3.
A pressão (P) é definida como o quociente da força (F) agindo perpendicularmente sobre uma superfície, e a área (A) dessa superfície, então “P = F / A”. A unidade SI de pressão é "pascal" com o símbolo de unidade Pa, no entanto, a pressão também pode ser indicada em outras unidades, como bar, mbar etc.
Seja um produto padrão com capacidade de atmosfera modificada ou um sistema totalmente personalizado, a Carbolite Gero fabricou milhares de fornos ao longo dos anos e realizou projetos em todo o mundo.
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