Misura della temperatura nelle fornaci con atmosfere ossidanti

La necessità di riscaldamento è comune a molti processi di fabbricazione. Gomme e adesivi vengono vulcanizzati, i metalli vengono fusi o ricotti per modificarne metallurgia e proprietà, i rivestimenti vengono essiccati e le ceramiche vengono cotte o vetrificate. Molti di questi processi avvengono in forni elettrici o a gas. Un forno che può essere scaldato a oltre 1000 °C (1832 °F) viene chiamato fornace. Quello che in inglese si chiama "kiln" è un tipo di fornace particolare utilizzato per le ceramiche. Ad alta temperatura, molti materiali iniziano a reagire con l'atmosfera circostante. Se questa atmosfera è molto carente di ossigeno, l'ossigeno può essere estratto dal materiale che viene scaldato. Tale atmosfera viene chiamata “riducente”. Il riscaldamento a gas produce generalmente un'atmosfera carente di ossigeno. Se l'atmosfera è ricca di ossigeno, il materiale scaldato ne catturerà una parte, formando uno strato di ossido. Tale atmosfera viene chiamata “ossidante”. Questo è il processo impiegato nelle fornaci a diffusione, utilizzate nella fabbricazione di componenti microelettronici, per produrre SiO2. Il riscaldamento elettrico tende invece a produrre un'atmosfera ossidante. Il controllo dell'atmosfera può essere ottenuto in vari modi. Il gas può essere incanalato in una camera fatta in modo da creare un'atmosfera inerte. In alternativa, può essere utilizzata una fornace a vuoto.

Il limite superiore dei termistori è di circa 100 °C (212 °F) mentre le RTD arrivano a circa 750 °C (1382 °F). Questo significa che termocoppie e pirometri o imager a infrarossi sono i dispositivi più adatti a misurare temperature superiori a 1000 °C (1832 °F).

Le termocoppie sfruttano l'effetto Seebeck (differenza di EMF tra metalli diversi) per generare un segnale proporzionale alla temperatura. Nichel-cromo e nichel-alumel sono le coppie di metalli più comunemente utilizzate nella termocoppia cosiddetta di “Tipo K”.

Economicamente conveniente, la Tipo K può essere utilizzata in una gamma di temperatura che va da -200 a 1250 °C (-328 ... 2282 °F). Tuttavia, le variazioni metallurgiche a temperature superiori a 1000 °C (1832 °F) riducono l'accuratezza e i cambiamenti di temperatura inducono effetti di isteresi che incidono ulteriormente sulla precisione. In un'atmosfera ossidante, le termocoppie di Tipo K sono vulnerabili anche alla corrosione.

In servizio, le termocoppie sono soggette a danni e guasti che ne richiedono la sostituzione. Se ciò comporta lo spegnimento e il raffreddamento di una fornace continua, l'operazione può rivelarsi difficile e costosa. È per questo motivo che si tende a installare termocoppie ridondanti in tutta la camera di riscaldamento.

La pirometria a infrarossi (IR) offre un comodo metodo di misura contactless delle alte temperature. Questa tecnologia si basa sulla legge di Plank, per cui lunghezza d'onda e intensità della radiazione IR emessa da una superficie sono proporzionali alla sua temperatura. Un pirometro o imager termico rileva questa radiazione e converte il segnale in una temperatura.

La pirometria IR funziona bene quando la superficie del materiale caldo è esposta, come il metallo fuso in una siviera. Usarla per misurare le temperature all'interno di una fornace è più difficile, dato che occorre visualizzarla attraverso una finestra. Questa finestra deve trasmettere la radiazione IR della lunghezza d'onda corrispondente sia alla sensibilità del rilevatore che alla temperatura misurata.

Il vetro normale è opaco ad alcune lunghezze d'onda IR, particolarmente tra sei e sette micron. I vetri calcogenuri sono fabbricati appositamente per applicazioni di trasmissione IR ma si limitano a temperature inferiori a 370 °C (698 °F). Lo zaffiro è un materiale alternativo che trasmette lunghezze d'onda fino a quattro micron ma è relativamente tenero e facilmente danneggiabile. Quando utilizzata per il controllo delle temperature, la finestra IR in zaffiro dovrebbe essere progettata senza alcuna sporgenza che possa renderla vulnerabile ai danni. Lo zaffiro ha anche un limite di temperatura di circa 450 °C (842 °F) ed è quindi inadatto alle applicazioni in fornace.

Con la pirometria, l'emissività è sempre un problema: alla stessa temperatura, materiali differenti irradiano intensità differenti di radiazione IR e il sensore deve essere calibrato in modo da tenerne conto. Anche la finestra incide sulla radiazione trasmessa.

Le famiglie di termocoppie disponibili sono due, quelle che usano giunzioni tungsteno-renio e quelle di platino-rodio. Le termocoppie in tungsteno-renio (Tipi G, C e D) operano anche a temperature di 2320 °C (4208 °F) ma non resistono a un'atmosfera ossidante.

Per le atmosfere ossidanti, è opportuno scegliere le termocoppie in platino-rodio, a volte chiamate “termocoppie a base di metalli nobili”. Queste sono disponibili nel Tipo R [1460 °C (2660 °F) max], S [1450 °C (2642 °F) max] o B [1700 °C (3092 °F) max] ma sono più costose rispetto alle termocoppie in metalli di base.

A seconda dell'installazione, si proteggono i fili della termocoppia sistemandoli all'interno di un tubo o di una guaina di protezione. Per queste applicazioni, si utilizza largamente l'acciaio inossidabile che è poco costoso e resistente alla corrosione. Tuttavia, ha un punto di fusione di circa 1400 °C (2552 °F) che limita la temperatura di servizio a meno di 1100 °C (2012 °F) e reagisce con le atmosfere ossidanti.

Quando le temperature sono particolarmente alte, è opportuno considerare l'uso di guaine in tantalo o molibdeno. Queste arrivano fino a 2315 °C (4199 °F) e 2200 °C (3992 °F) rispettivamente, anche se entrambe sono sensibili all'ossidazione e non dovrebbero quindi essere usate in atmosfere ossidanti. Le alternative sono guaine in ceramica, in grado di resistere fino a 1960 °C (3560 °F), guaine in lega di platino-rodio che sopportano 1650 °C (3002 °F) o in Inconel® 600, che arriva fino a 1150 °C (2102 °F). Tutte queste guaine possono essere installate in atmosfere ossidanti.

L'isolamento integrato nella guaina di una termocoppia serve a tenere i fili lontano dalle pareti. Questo isolamento deve avere una temperatura nominale adeguata all'ambiente. I materiali utilizzati più comunemente per le fornaci sono allumina, magnesia e ossido di afnio. L'allumina ha una temperatura nominale massima di 1540 °C (2804 °F) mentre magnesia e ossido di afnio arrivano a 1650 °C (3002 °F)

Le termocoppie sono una buona opzione per misurare le temperature all'interno delle fornaci. Anche se le termocoppie “Tipo K” vengono largamente utilizzate perché in grado di sopportare le temperature delle fornaci, i Tipi G, C, D, R, S e B offrono prestazioni migliori. Considerando le temperature delle fornaci, il tipo di atmosfera presente diventa una considerazione importante. Le atmosfere ossidanti, come quelle presenti nell'industria microelettronica, provocano una reazione sia con i Tipi G, C e D sia con le guaine in acciaio inossidabile.

La pirometria IR è una possibile alternativa per la misura di temperature elevate ma, all'interno di una fornace, richiede l'installazione di una finestra di ispezione. Per questa ragione, è generalmente preferibile quando la visuale è libera.