Введение Модифицированная атмосфера в лабораторных и промышленных печах
Создание модифицированной атмосферы в лабораторной или промышленной печи включает изменение состава атмосферы внутри герметичного сосуда для достижения идеальных условий для конкретного процесса.
Существует несколько различных типов модифицированной атмосферы, свойства которых определяют их пригодность для процесса. Большинство модифицированных атмосфер можно разделить на три категории: инертные, реактивные или вакуумные.
Ниже приводится введение в различные типы модифицированной атмосферы, способы их создания, решения Carbolite Gero, а также типичные приложения и часто задаваемые вопросы.
Продукция Carbolite Gero обычно используется для работы на воздухе, но с дополнительным оборудованием некоторые печи могут обеспечивать и поддерживать работу в модифицированной атмосфере. Поскольку воздух содержит кислород, нагревание образца на воздухе может вызвать его окисление, что не всегда желательно для некоторых прикладных задач.
| N2 | Азот | 78.08% |
| O2 | Кислород | 20.95% |
| Ar | Аргон | 0.93% |
| CO2 | Диоксид углерода | 0.038% |
| другие газы | 0.002% |
Термообработка материалов в модифицированной атмосфере обеспечивает контролируемую рабочую среду, повышенную повторяемость и более стабильные результаты.
В зависимости от типа обрабатываемого материала и требуемой окружающей среды модифицированная атмосфера может использоваться либо для защиты образцов от окисления во время термообработки, либо для активного стимулирования реакций. Инертные газы, такие как аргон (Ar) или азот (N2), и восстановительные газы, такие как водород (H2), используются для предотвращения окисления, в то время как окисляющие газы, такие как кислород (O2) или оксид азота (N2O), используются для окисления.
Выбор атмосферы полностью зависит от требований процесса термообработки.
Carbolite Gero обычно использует азот или аргон для создания инертной атмосферы.
Азот обычно называют инертным, если его предполагается использовать при температурах ниже 1800 °C. Он вытесняет кислород, поэтому идеально подходит для использования там, где окисление нежелательно.
Азот не является «благородным» газом и при определенных условиях может реагировать с кислородом с образованием таких газов, как оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2). Все вместе они называются газами NOx («x» относится к количеству атомов кислорода, присутствующих в соединении).
Если требуется инертная атмосфера, азот является более дешевой альтернативой аргону при условии, что материал, подвергаемый термообработке (или любые последующие побочные продукты), не будут реагировать с ним.
Аргон является полностью инертным «благородным» газом и не вступает в реакцию с какими-либо материалами, с которыми он вступает в контакт. Он вытесняет кислород, поэтому идеально подходит для использования там, где окисление нежелательно.
Хотя аргон дороже азота, он может использоваться при температурах выше 1800 °C без какого-либо риска реакции.
Печи Carbolite Gero могут быть адаптированы для использования с различными химически активными газами, такими как водород (H2), монооксид углерода (CO), аммиак (NH3), метан (CH4) и т.д. Из них наиболее часто используется водород.
Водород имеет только один электрон, что делает его очень реактивным. Впоследствии его можно использовать в качестве восстановительного газа для реакции и разложения других материалов, например взаимодействие с оксидами металлов и их удаление.
Он имеет температуру самовоспламенения около 500 °C (932 °F), поэтому важно обеспечить соблюдение надлежащих мер безопасности во время использования. Перед тем, как ввести водород в сосуд, сначала необходимо удалить воздух. Обычно это достигается продувкой инертным газом. Затем сосуд необходимо нагреть выше температуры самовоспламенения, чтобы обеспечить контролируемое сжигание водорода.
Для низкотемпературных процессов, где требуются свойства водорода, можно использовать менее реактивный формовочный газ. Типичный формовочный газ представляет собой смесь азота и водорода, содержащую максимум 5% водорода. При таких низких концентрациях водород обычно не взрывоопасен.
При работе с газами, которые содержат более 5% водорода, требуется система газовой безопасности для защиты от взрывов.
При работе с химически активными газами важно знать как нижний предел взрываемости (lower explosion limit LEL), так и верхний предел взрываемости (upper explosion limit UEL) для рассматриваемого газа. LEL - это минимальная концентрация газа или пара, которая вызовет вспышку или возгорание при воздействии источника воспламенения, в то время как UEL - это максимальная концентрация газа, способного воспламениться. Концентрации, превышающие верхний предел взрываемости, считаются слишком высокими и не могут гореть.
Диапазон взрываемости водорода
В лабораторных и промышленных печах существует два основных метода создания модифицированной атмосферы внутри герметичного сосуда: «продувка» или «вакуумирование и наполнение». Оба метода приводят к очень низким уровням кислорода, однако «вакуумирование и наполнение» обычно приводит к гораздо более чистой атмосфере. Процесс создания модифицированной атмосферы известен как «смена атмосферы».
Продувка включает в себя подачу инертного газа в герметизированный объем для вытеснения кислорода и его удаления из рабочего пространства. Вода, присутствующая в любом виде на поверхности сосуда (адсорбированная вода), не будет удалена в процессе продувки. В результате этого процесса образуется модифицированная атмосфера, приемлемая для многих процессов.
Могут потребоваться различные режимы подачи газа: высокая скорость потока для первоначальной продувки, чтобы снизить уровень кислорода как можно быстрее, а затем более низкая скорость потока на время обработки для поддержания атмосферы желаемой чистоты в камере на протяжении всего процесса. В частности, этот принцип используется в печах серии HTMA от Carbolite Gero.
Метод «Вакуумирование и наполнение» включает два этапа. На начальном этапе необходимо использовать вакуумный насос для вакуумирования емкости и извлечения как можно большего количества воздуха и адсорбированной воды. После этого следует период «наполнения», когда вводится поток инертного газа для вытеснения любых остаточных элементов или соединений.
Этот процесс можно повторять столько раз, сколько необходимо для достижения желаемой атмосферы внутри емкости. При условии, что сосуд является газонепроницаемым, этот метод является быстрым способом получения более чистой модифицированной атмосферы. Метод вакуумирования и наполнения идеален, если детали, подвергаемые термообработке, являются пористыми, поскольку вакуумный насос удаляет весь воздух, который в противном случае остался бы в ловушке, если бы использовался только метод продувки.
Вакуумирование и наполнение должны выполняться только тогда, когда емкость имеет температуру окружающей среды. Эксплуатация при высоких температурах может привести к повреждению вакуумного насоса.
A – Продувка Азотом 40 литров в час (10x объема печи в час)
B – Продувка Азотом 400 литров в час (100x объема печи в час)
C – Вакуумирование и наполнение Азотом
В дополнение к инертной и реакционной модифицированной атмосфере также можно полностью термообработать образцы под вакуумом без введения газа в герметичный сосуд. Дополнительным преимуществом использования вакуумного насоса является удаление нежелательного воздуха и молекул из пористых образцов.
Важно отметить, что сосуды, если они специально не предназначены для этой цели, не следует откачивать вакуумным насосом в горячем состоянии. Изменение атмосферного давления в сочетании со снижением прочности материала, вызванным изменениями температуры, может привести к разрыву сосудов, особенно прямоугольных.
В зависимости от типа используемого насоса достигаются разные уровни вакуума:
Давление (мбар) | Тип | |
| Низкий вакуум | 1000 - 1 | Пластинчато-роторный насос |
| Средний вакуум | 1 - 10-3 | Насос Рутса |
| Высокий вакуум | 10-3 - 10-7 | Турбомолекулярный насос |
| Сверхвысокий вакуум | < 10-7 | Турбомолекулярный насос |
Другие насосы (масляный диффузионный насос, крионасос, ионно-геттерный насос и т. д.) доступны по запросу.
Примечание: Насосы, у которых нет скорости откачки в диапазоне низкого и среднего вакуума, такие как турбомолекулярный насос и масляный диффузионный насос, необходимо использовать в сочетании с предварительным насосом, например пластинчато-роторным насосом.
Пластинчато-роторный насос
Насос Рутса
Турбомолекулярный насос
Специально разработанные цилиндрические реторты позволяют использовать вакуум при высоких температурах, однако из-за повышенного напряжения, чем больше реторта, тем ниже максимальная рабочая температура.
Для получения дополнительной информации о доступных решениях с вакуумом в наших печах, пожалуйста, ознакомьтесь с моделями печей Carbolite Gero GPCMA и GLO.
Вакуумирование реторты Carbolite Gero
В то время как большинство сосудов для работы в модифицированной атмосфере размещается внутри камеры печи с нагревательными элементами и изоляцией снаружи реторты, вакуумные печи с «холодной стенкой» содержат как нагревательные элементы, так и изоляцию внутри самого сосуда. Расположение изоляции обеспечивает то, что внешняя стенка емкости остается холодной, помогает защитить конструктивную целостность емкости и, следовательно, позволяет печи работать в вакууме при высоких температурах. Эти специализированные печи также доступны с системами водяного охлаждения, чтобы еще больше гарантировать, что емкость поддерживает прохладную внешнюю поверхность.
Вакуумирование сосуда приводит к уменьшению количества атомов и молекул внутри. Однако идеальный вакуум недостижим, так как количество частиц никогда не может быть полностью уменьшено до нуля. В вакууме <10-7 мбар все еще остается <109 частиц на кубический см.
В таблице ниже указано количество частиц в 1 см3. Длина свободного пробега (λ) - это среднее расстояние, которое частица может пройти в результате столкновения с другой частицей. Чем больше расстояние, тем меньше частиц находится в пространстве. Значение λ зависит от давления вакуума.
| Низкий вакуум | Средний вакуум | Высокий вакуум | Сверхвысокий вакуум | |
| Давление (мбар) | 1000-1 | 1 – 10-3 | 10-3 – 10-7 | < 10-7 |
| Кол-во частиц на см3 | 1019 – 1016 | 1016 – 1013 | 1013 – 109 | <109 |
| Средняя длина свободного пробега (λ) | < 100 µm | 100 µm – 100 mm | 100 mm – 1 km | > 1 km |
В следующей таблице показаны различные единицы измерения давления. Единица СИ - паскаль (Па).
| 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 |
Для поддержания модифицированной атмосферы требуется герметичный сосуд. Это может быть рабочая трубка со специальными торцевыми уплотнениями для использования с трубчатыми печами или реторта, обычно используемая в камерных печах.
Carbolite Gero предлагает стандартные комплекты для подачи газов и сопутствующее оборудование для помощи в создании и поддержании модифицированной атмосферы в наших продуктах, а также ряд продуктов, специально разработанных для применений в модифицированной атмосфере.
Дополнительное оборудование и аксессуары для модифицированной атмосферы обеспечивают большую эксплуатационную гибкость, поскольку печи могут использоваться для множества процессов, включая различные газы, вакуум или отсутствие модифицированной атмосферы.
Carbolite Gero предлагает ряд опций для создания модифицированной атмосферы в стандартных трубчатых печах. Эти опции включали специальные комплекты рабочих трубок, комплекты для подачи газов, комплектов для создания вакуума, а также систему безопасной работы с водородом.
В камерных печах реторта обычно используется для поддержания модифицированной атмосферы. Дополнительное оборудование и аксессуары обеспечивают большую эксплуатационную гибкость, поскольку печи могут использоваться для множества процессов, включая различные газы, вакуум или отсутствие модифицированной атмосферы.
Кроме того, существуют специальные камерные печи и термошкафы, которые в стандартной комплектации полностью оборудованы для работы в контролируемой атмосфере.
Ассортимент вакуумных печей, предлагаемых Carbolite Gero, включает в себя вакуумные камерные печи, колпаковые, печи с нижней загрузкой, лабораторные и трубчатые вакуумные печи. Любая печь может использоваться как с инертными газами, так и с реактивными. Большинство моделей вакуумных печей в нашем ассортименте доступны с металлической, графитовой или керамической изоляцией. По запросу графитовые модели могут быть настроены для безопасной работы при температуре до 3000°C.
Это некоторые из многих применений, которые требуют модифицированной атмосферы в лабораторных или промышленных печах.
Пиролиз - это метод разложения материалов при высоких температурах в инертной атмосфере. Инертная атмосфера необходима, поскольку материалы могут воспламениться при нагревании в присутствии кислорода.
Пиролиз часто используется для карбонизации органических материалов, переводя их в состояние, богатое углеродом. После карбонизации материалы могут иметь совершенно разные свойства, и существует множество областей исследования того, как можно использовать полезные свойства таких материалов.
Йоркский университет и Исследовательский центр биологических возобновляемых источников энергии используют пиролиз для преобразования переработанного крахмала в материалы для использования в аккумуляторных технологиях.
3D-печать - это один из методов аддитивного производства, который можно использовать для создания сложных металлических конструкций, которые в противном случае было бы невозможно изготовить традиционными методами.
Обычно металл используемый для печати должен быть в форме порошка и может быть смешан со связующим материалом, помогающим скрепить полученную структуру, после чего связующее необходимо удалить химическим путем или путем термообработки.
Термическая обработка должна происходить в модифицированной бескислородной атмосфере, так как воздействие воздуха вызывает окисление металла, что может привести к разрушению детали, производство которой относительно дорого.
Для защиты металлических деталей от окисления можно использовать инертную или восстановительную атмосферу.
Металлическая деталь изготовленная на 3D-принтере до и после термообработки в инертной атмосфере в печи Carbolite Gero.
С появлением коммерчески доступных электромобилей возрос спрос на аккумуляторные технологии, что, в свою очередь, оказало дополнительное давление на потенциально ограниченные ресурсы, а именно на ценные металлы, такие как литий, кобальт, никель и медь. Чтобы удовлетворить спрос, необходима переработка существующих разряженных батарей, чтобы вернуть эти металлы для использования в будущем.
Один из таких методов утилизации включает дробление старых батарей на небольшие куски и их нагрев в инертной атмосфере во вращающейся трубчатой печи для испарения и удаления пластика. Инертная атмосфера необходима для предотвращения горения пластика, поскольку он может вызвать потенциально токсичные пары и загрязнить металл углеродом. Испарение пластика обеспечивает последующее легкое и чистое извлечение металла.
Самый эффективный способ соединения различных материалов для обеспечения их герметичности - это подвергнуть их пайке в условиях высокого вакуума. Два разнородных материала соединяются с помощью металлического материала, известного как припой. Для процесса требуется среда с высоким или сверхвысоким вакуумом и максимальная температура 1100 °C. Вакуумная атмосфера предотвращает окисление и позволяет использовать припой без флюса.
Пайка электронного соединения в нормальном (слева) и высоком вакууме (справа). Вы можете заметить пузыри в паяном соединении на левом изображении.
Твердые металлы используются для изготовления инструментов для обработки дерева, свёрл, инструментов для резки стекла и т.д. Зубцы пильных полотен преимущественно состоят из карбида вольфрама (WC), однако могут присутствовать небольшие количества кобальта (Co) и титана (Ti).
Металлический порошок смешивают с полимерным связующим (парафином) и прессуют в форму. Затем удаление связующего и спекание прессованных заготовок можно проводить в вакуумной графитовой печи.
Во время процесса удаления связующего важно поддерживать контролируемый поток газа для защиты конструкции печи.
Процесс спекания требует очень точного контроля температуры, чтобы сохранить малый размер зёрен карбидов. По этой причине нельзя допускать, чтобы температура превышала 1450 °C.
Применяя определенную атмосферу парциального давления во время процесса спекания, кобальт диффундирует на поверхности пильных полотен. Этот процесс диффузии исключает необходимость выполнения дальнейшего процесса распыления, но требует высокой точности контроля атмосферы в печи. Ежедневно во всем мире производятся миллионы инструментальных наконечников из карбида вольфрама.
Создание модифицированной атмосферы включает изменение состава атмосферы внутри герметичного сосуда для достижения идеальных условий для конкретного процесса. Существует несколько различных типов модифицированной атмосферы, свойства которых определяют их пригодность для процесса. Большинство модифицированных атмосфер можно разделить на три категории: инертные, реактивные или вакуумные.
Инертная атмосфера идеально подходит для процессов, в которых используются образцы, которые могут быть повреждены под воздействием кислорода. Обычно они требуют использования аргона (Ar) или азота (N2), который считается инертным при температуре ниже 1800 °C. Эти газы вытесняют кислород и не вступают в реакцию с материалами образца, создавая защитную атмосферу во время термообработки.
Термин «реактивный» используется для описания ряда атмосфер, которые используются для катализа или поддержки химических реакций в образце во время обработки. Реактивные атмосферы обычно используются либо для ускорения реакций окисления, которые приводят к образованию оксидных соединений (оксида железа, диоксида углерода и т.д.), либо для реакций восстановления, которые удаляют оксидные соединения из образца. Примеры реактивной атмосферы включают использование окисляющего газа (O2 / N2O) и восстановительного газа (H2).
Вакуумная атмосфера требуется, когда необходимо полное отсутствие кислорода или любых других элементов или соединений в окружающей среде. Существуют разные уровни вакуума, которые могут быть достигнуты с помощью различных типов вакуумных насосов; эти уровни включают грубый, средний, высокий и сверхвысокий. Требуемый уровень вакуума зависит от области применения.
Существует два основных метода создания модифицированной атмосферы внутри герметичного сосуда: «продувка» или «вакуумирование и наполнение». Оба метода приводят к очень низким уровням кислорода, однако «вакуумирование и наполнение» обычно приводит к гораздо более чистой атмосфере. Процесс создания модифицированной атмосферы известен как «смена атмосферы».
При продувке инертный газ подается в герметичный сосуд для вытеснения и удаления кислорода. Часто используются два разных расхода газа; высокая скорость потока для начальной продувки для снижения уровня кислорода, за которой следует более низкая скорость потока во время обработки для поддержания желаемых уровней концентрации газа и снижения общего потребления газа. Благодаря продувке достигается пригодная для использования атмосфера в более короткие сроки благодаря начальному высокому расходу газа.
Метод «Вакуумирование и наполнение» включает два этапа. На начальном этапе необходимо использовать вакуумный насос для вакуумирования емкости и извлечения как можно большего количества воздуха и адсорбированной воды. После этого следует период «наполнения», когда вводится поток инертного газа для вытеснения любых остаточных элементов или соединений. Этот процесс можно повторять столько раз, сколько необходимо для достижения желаемой атмосферы внутри емкости.
Обычно используются четыре типа вакуумных насосов: пластинчато-роторные насосы, насосы Рутса, масляные диффузионные насосы и турбомолекулярные насосы. Каждый насос способен достигать давления вакуума в определенном диапазоне, и выбор насоса зависит от требований технологического процесса. Carbolite Gero предлагает стандартные роторно-пластинчатые и турбомолекулярные вакуумные насосы, которые могут достигать уровней вакуума 5x10-2 мбар и 1x10-5 мбар соответственно.
Принятое определение вакуума - это уменьшенное количество молекул и атомов (газа) в герметичном объеме (сосуде) при постоянной температуре по сравнению с условиями окружающей среды. Если вакуум применяется к герметичному сосуду, количество частиц внутри уменьшается, однако идеальный вакуум никогда не будет достигнут, поскольку даже в условиях сверхвысокого вакуума все еще существуют миллиарды частиц в пределах одного см3.
Давление (P) определяется как отношение силы (F), действующей перпендикулярно к поверхности, и площади (A) этой поверхности, поэтому «P = F / A». Единица давления в системе СИ - «паскаль» с символом единицы Па, однако давление также может быть указано в других единицах, таких как бар, мбар и т. д.
Будь то стандартный продукт с модифицированной атмосферой или полностью настраиваемая под заказчика система, Carbolite Gero за много лет работы изготовил тысячи печей и реализовал проекты по всему миру.
Свяжитесь с нами для получения бесплатной консультации и поговорите с нашими специалистами, чтобы найти наиболее подходящее решение для Ваших задач!
