Determinazione e controllo del Potenziale di Carbonio In atmosfere di gas carburante

Per ottenere le profondità di cementazione desiderate, è necessario che durante il trattamento termico, venga controllato il processo, effettuando la misurazione del Potenziale di Carbonio dell'atmosfera nel forno. La determinazione del Potenziale di Carbonio può essere effettuata con sistemi di misura diretta od indiretta.   La misura diretta del Potenziale di Carbonio, si ottiene impiegando laminette di ferro puro, esposte all'atmosfera del forno per 10 - 20 minuti a seconda del loro spessore e della temperatura del forno. La determinazione può quindi essere fatta mediante analisi chimica, cioè mediante combustione, oppure misurando la differenza in peso. Si possono anche impiegare fili sottili di ferro puro esposti, come per le laminette, all'atmosfera del forno. La variazione della resistenza elettrica può essere impiegata per rappresentare il valore del Potenziale di Carbonio. Questi metodi di determinazione diretta del Potenziale di Carbonio non sono adatti per un controllo in continuo della cementazione. Questa è la ragione per il ricorso a metodi di misura di tipo indiretto. I metodi di misurazione indiretti si basano sull'analisi dell'atmosfera. Il Potenziale di Carbonio viene calcolato! Questo si effettua per mezzo della misurazione del contenuto di Vapor d'Acqua, ovvero del Punto di Rugiada, dell'analisi dell'anidride carbonica mediante analizzatori a raggi infrarossi, o mediante la determinazione della pressione parziale dell'ossigeno nell'atmosfera del forno. A causa del contenuto di ossigeno molto basso e dell'alta temperatura dei gas di trattamento, viene impiegato come cella di misurazione un elettrolita solido ossigeno-conduttivo: biossido di Zirconio ceramico, stabilizzato con Ittrio od Ossido di Calcio. Attualmente queste Sonde ad Ossigeno, sono installate principalmente per rilevare il Potenziale di Carbonio nei forni di trattamento termico. La sonda che deve essere di lunghezza sufficiente per sporgere all'interno della camera del forno, è soggetta a sollecitazioni meccaniche e termiche ed è conseguentemente a rischio. L'Ossido di Zirconio ceramico è fragile. Si deve avere cura nella scelta del punto di installazione; qualsiasi sbilanciamento della ventola di circolazione dell'atmosfera può ridurre la vita utile della sonda. La misura può essere seriamente falsata da residui di detersivo, paste anticementanti, ecc... che vengono portati nei forni con i pezzi da trattare. Questi residui evaporano e si condensano sulla cella di misura. Altre possibili cause di errore sono la fuliggine sugli elettrodi e perdite dalle valvole di spurgo. Per questo, in passato, sono stati sperimentati metodi di misura che prevedevano piccole celle di misura dell'ossigeno, all'esterno del forno; vale la pena ricordare ad esempio il metodo Sunbeam. Questi metodi non sono stati coronati da successo perché la scelta della temperatura della cella di misura era troppo alta. Il gas di processo reagiva una seconda volta e la fuliggine era inevitabile. L'impiego di elettroliti solidi, ossigeno-conduttivi, impiegati per il controllo della combustione nei motori per auto, ha portato ad una sonda ad ossigeno in miniatura e più precisamente alla Sonda Lambda (Sonda-L). In virtù del grande numero di pezzi prodotti, è oggi disponibile una Sonda ad Ossigeno molto robusta e ad un prezzo ragionevole.

Metodo di misura con la Sonda Lambda (Sonda-L): La Sonda-L è posizionata in una cella di misura alla estremità del dispositivo di campionatura del gas. Un particolare sistema di prelievo del gas garantisce un raffreddamento rapido dell'atmosfera non appena questa esce dal forno. Ciò ha l'effetto di congelare la miscela di gas. La Sonda-L, per parte sua viene riscaldata ad una temperatura costante all'interno della cella di misura. Questa temperatura è inferiore a 600 °C (cioè inferiore alla temperatura di crackizzazione del gas e comunque sufficientemente alta per garantire la conduzione ionica dell'elettrolita solido). La velocità di reazione della miscela di gas viene drasticamente ridotta e previene in larga misura la possibilità di successive reazioni nella cella di misura. La modesta quantità di gas analizzato che entra in contatto con la superficie della sonda, altera solo leggermente la temperatura della portata totale del gas che attraversa la cella di misura. Questa combinazione di una temperatura di sonda bassa e costante e l'aumento molto modesto della temperatura del gas in analisi, previene ogni ulteriore reazione. Nel nostro sistema Carbomat, il Potenziale di Carbonio viene calcolato in base alla temperatura della Sonda-L e alla temperatura istantanea del processo. Viene quindi indicata una tensione equivalente a quella di una Sonda ad Ossigeno.   Ogni metodo di misura presenta vantaggi e svantaggi I vantaggi: Molto economico Sostituzione rapida della sonda Adatto per condizioni d'impiego estreme Completamente insensibile agli shock termici Nessuna aria di riferimento o di lavaggio Misurazione di una miscela di gas Ricambi a magazzino in numero ridotto Gli svantaggi: Il dispositivo di campionatura del gas è determinante per il successo della misura!   Deve essere installato come per la misurazione del Punto di Rugiada, in modo che il gas prelevato sia rappresentativo di quanto succede nel forno. È necessario prevenire a tutti i costi che il sistema di prelievo del gas abbia delle perdite. A seconda della quantità di gas prelevato, il ritardo nella misura è tra 6 e 10 secondi! Poco tempo dopo aver installato nel forno una sonda ad ossigeno, non si noterà alcuna differenza rispetto ad una sonda analoga installata molto tempo prima. La maggior parte delle sonde ad ossigeno in commercio hanno una guaina di protezione in acciaio al nickel-cromo. I costituenti in cromo si dissolvono presto nell'atmosfera del forno lasciando uno strato di nickel poroso. Questo costituente poroso della cella di misura comporterà dei ritardi di risposta a carico della sonda a ossigeno. Negli ultimi anni, sono state installate Sonde-L, per la determinazione del potenziale di Carbonio, in numerosi forni di diverso tipo. In alcuni casi queste sonde hanno funzionato in parallelo a sonde a ossigeno tradizionali. Se si escludono errori dovuti al campionamento del gas, tutte le Sonde-L stanno ancora funzionando con successo. Questo si è verificato anche in quei casi di forni dove le sonde ad ossigeno avevano avuto durate molto brevi e sono state sostituite da Sonde-L. La causa era indubbiamente dovuta a residui di detersivo oppure a metanolo di cattiva qualità. Queste sonde sono in servizio da anni senza alcuna lamentela. Ci saranno certamente applicazioni per le quali la Sonda-L non è adatta ma per ora non si è ancora arrivati ad un giudizio definitivo. Con la Sonda-L disponiamo ora di un ulteriore sensore ad ossigeno, che può essere impiegato per la determinazione del potenziale di Carbonio in impianti di cementazione, e tutto ad un prezzo molto ragionevole. Questo sensore è anche disponibile in una versione combinata per l'analisi simultanea del tenore di CO nella atmosfera del forno. Lo stesso campione di gas viene fatto passare attraverso un modulo a raggi infrarossi e viene così determinato il contenuto di CO. Questa combinazione è vantaggiosa quando il contenuto di CO nell'atmosfera del forno non rimane stabile e non può quindi essere inviato come valore fisso per il calcolo del Potenziale di Carbonio. Questo è il caso, ad esempio, di quei processi in cui l'atmosfera viene prodotta "in situ" mediante iniezione diretta dei gas (metano/aria, propano/aria, metano/CO2).