In ingegneria, la ricerca del design perfetto è quasi sempre un gioco di compromessi. Si tratta di trovare il cosiddetto "punto di equilibrio" tra requisiti contrastanti che spesso spingono il progetto in direzioni opposte. I forni a vuoto non fanno eccezione a questa regola.

Parlando di questi requisiti, l’efficienza energetica è spesso in cima alla lista per due motivi principali: l’ottimizzazione dei costi di produzione, in cui la riduzione dei costi delle utenze è fondamentale per tutelare i margini, e il crescente peso delle normative ambientali che interessano i settori energivori, come il trattamento termico.

Un secondo requisito, altrettanto critico, è la produttività. Con l’evoluzione delle industrie verso produzioni ad alto volume, la massimizzazione della capacità produttiva è essenziale per mantenere un vantaggio competitivo. In questo contesto, i colli di bottiglia operativi rappresentano un rischio significativo per la redditività complessiva e per il rispetto dei tempi di consegna.

Quindi, se il design ottimale dovrebbe essere un bilanciamento tra questi due poli opposti, cosa succede quando un cliente presenta una richiesta apparentemente semplice: "Devo sostituire il mio vecchio forno a vuoto e voglio che il nuovo abbia SIA una maggiore produttività CHE un minor consumo energetico"?

Improvvisamente, quel "punto di equilibrio" sembra molto più difficile da individuare.

Per trovare una soluzione a questa equazione apparentemente impossibile, dobbiamo innanzitutto capire come operano i meccanismi di scambio termico, nello specifico l'irraggiamento e la convezione, all'interno della camera termica di un forno a vuoto. Successivamente, analizzeremo come il design specifico di un forno e i suoi parametri operativi influenzino il consumo energetico complessivo del sistema.

Iniziamo esaminando i meccanismi fondamentali di scambio termico.

Meccanismi di scambio termico nei forni a vuoto

In un forno a vuoto, lo scambio termico è regolato da meccanismi distinti, la cui rilevanza varia in modo significativo in base all'intervallo di temperatura operativa.

L'irraggiamento termico rappresenta la modalità di trasferimento dominante: l'assenza di molecole d'aria, infatti, elimina quasi totalmente i fenomeni di convezione e di conduzione gassosa. In questo ambiente, gli elementi riscaldanti emettono energia che si propaga verso la carica secondo un processo governato dalla legge di Stefan-Boltzmann.

Questa legge stabilisce che la potenza radiante emessa dagli elementi riscaldanti è direttamente proporzionale alla quarta potenza della loro temperatura assoluta:

Q ∝ T⁴

Come conseguenza diretta di questa relazione, il riscaldamento per irraggiamento termico risulta estremamente efficiente sopra i 600°C, ma generalmente più lento alle basse temperature. Inoltre, la natura "lineare" dell'irraggiamento causa spesso fenomeni di schermatura, portando a significative disomogeneità termiche all'interno di cariche dense.

Per ovviare a queste inefficienze alle basse temperature, è possibile introdurre la convezione riempiendo la camera con un gas inerte (solitamente azoto o argon). Questo gas funge da vettore termico, assorbendo calore dagli elementi riscaldanti e trasportandolo fisicamente verso la carica. L'efficienza del riscaldamento convettivo è direttamente legata alla pressione del gas, modellata dalla relazione tra il coefficiente di scambio termico (h, misurato in W / m₂K) e pressione (P):

h_conv ≈ C * P^m

In questa formula, C può essere considerata una costante specifica del sistema che tiene conto delle proprietà del gas (come la conducibilità) e delle caratteristiche del forno, mentre P rappresenta la pressione del gas. Per il riscaldamento in convezione forzata nei forni a vuoto (che utilizza giranti di ricircolazione dedicate), l'esponente m è tipicamente compreso tra 0,7 e 0,8; ciò significa che pressioni più elevate aumenteranno il coefficiente di scambio termico h.

 

Girante di ricircolazione del gas, utilizzata durante le fasi di riscaldo con convezione di gas inerte

 

Sebbene la conduzione sia la modalità principale di trasferimento di calore interno alla carica, essa non costituisce un meccanismo di scambio energetico tra gli elementi riscaldanti del forno e i componenti, a causa della mancanza di contatto fisico diretto. Di conseguenza, la conduzione interna viene trattata come una funzione delle proprietà del materiale piuttosto che come una variabile diretta del design del forno; pur influenzando significativamente la durata complessiva del ciclo, la conduzione interna può essere considerata, in prima approssimazione, indipendente dal design del forno stesso.

Effetti del design e dei parametri operativi sul consumo energetico del forno a vuoto

Abbiamo già discusso ampiamente come gli elementi progettuali e le condizioni operative influiscano sul consumo energetico complessivo dei forni a vuoto in questo articolo. Per evitare di ripetere l'intera analisi, ecco un breve riepilogo:

• La quota maggiore di energia consumata da un forno a vuoto è destinata a compensare la dispersione termica dalla zona calda verso la camera da vuoto, raffreddata ad acqua. Questo dispendio energetico è direttamente proporzionale sia alla temperatura operativa che alla durata del ciclo. Inoltre, operare in convezione di gas inerte anziché sotto vuoto aumenta la dissipazione di calore del forno.
• Una seconda componente del consumo energetico è l'energia necessaria per riscaldare la carica e le attrezzature. Questa quantità dipende interamente dalla massa e dalle proprietà del materiale caricato ed è sostanzialmente indipendente dal design del forno.
• La terza e ultima componente del consumo energetico è la potenza richiesta dai sistemi ausiliari e dalle utility. Questa include le pompe da vuoto, la girante di raffreddamento, il sistema di controllo e l'hardware necessario al funzionamento del forno.

La fase di progettazione

Dopo aver stabilito i meccanismi che regolano lo scambio termico e il loro impatto sul consumo energetico, possiamo ora affrontare alcuni limiti fisici del trattamento termico in vuoto. In particolare, ci concentreremo su processi a bassa temperatura e sull’utilizzo cariche ad alta densità, ovvero su condizioni operative particolarmente sfavorevoli, per ottimizzare simultaneamente la durata dei cicli e ridurre al minimo gli sprechi energetici.

Il primo grande ostacolo da affrontare è quello che abbiamo definito effetto "schermatura". Data la tipica disposizione degli elementi riscaldanti in uno schema quadrato o circolare attorno alla carica, la parte centrale del carico è protetta dall'irraggiamento diretto dai corpi intermedi. In una configurazione tipica che prevede più pile di cesti posizionate l’una accanto all’altra, le superfici esterne assorbono l’irraggiamento rapidamente; tuttavia, le superfici interne situate al centro della camera termica devono attendere che le sezioni esterne si riscaldino e riemettano energia verso l’interno e conducano il calore attraverso le pile. Ciò rallenta significativamente il processo di riscaldo, un effetto che diventa sempre più impattante all’aumentare del volume della carica e della densità dei pezzi.

 

Camera termica di un forno a vuoto con disposizione tradizione degli elementi scaldanti

 

Tuttavia, integrando elementi riscaldanti centrali nella camera termica, si introduce un’ulteriore sorgente di calore tra le pile. Questa configurazione sposta le dinamiche termiche ed elimina efficacemente l’effetto schermatura nelle aree in cui è più prevalente, migliorando significativamente lo scambio termico verso il cuore della carica.

Ciononostante, come notato in precedenza, lo scambio termico per irraggiamento rimane notevolmente meno efficiente alle basse temperature. Per compensare, viene introdotto lo scambio termico convettivo riempiendo la camera con gas inerte, che viene poi fatto ricircolare tramite giranti dedicate, per garantire l'uniformità termica.

In genere, i forni a vuoto dotati di ricircolazione di gas per la convezione forzata sono progettati per operare vicino alla pressione atmosferica (circa 1 bar di pressione assoluta). Tuttavia, in base alla relazione tra il coefficiente di scambio termico e la pressione, aumentare la pressione di processo (ad esempio fino a 3 bar) migliora significativamente il coefficiente di scambio termico convettivo, raddoppiandone potenzialmente il valore.

Sebbene operare a 3 bar assoluti richieda specifici accorgimenti progettuali e influisca sulla dissipazione termica del forno, i benefici in termini di maggiori velocità di riscaldo e riduzione dei tempi di ciclo sono innegabili.

Risultati

L'efficacia del nuovo design di forno a vuoto è stata valutata confrontando le sue prestazioni con quelle del vecchio forno del cliente. I test sono stati condotti utilizzando una carica di riferimento composta da 550 kg di piccoli componenti in acciaio inossidabile, caricati alla rinfusa in cesti di acciaio inox e posizionati all'interno della zona calda del forno. Per entrambi i modelli di forno, il volume utile di lavoro è di circa 750 litri. I cesti sono stati impilati in modo da creare due colonne distinte. La massa totale della carica, includendo sia i pezzi che le attrezzature, era di circa 1.000 kg.

Il ciclo di riferimento consisteva in una fase iniziale di riscaldo sotto i 700°C, eseguita in convezione di gas. A questa è seguita una seconda fase di riscaldamento a temperature più elevate, condotta in vuoto. Infine, i componenti sono stati raffreddati fino a temperatura ambiente a velocità controllata utilizzando azoto.

Per controllare la durata del ciclo in tutte le fasi del processo è stata utilizzata la funzione di “load interlock”, tramite termocoppie a contatto con la carica. Questa funzione assicura che il forno attenda che le termocoppie raggiungano uno scostamento minimo rispetto al setpoint prima di iniziare il conto alla rovescia del segmento, impostato secondo le specifiche del trattamento termico.

 

 

La seguente tabella mette a confronto i tempi di ciclo totali e la durata dei singoli segmenti:

 

	Vecchio forno in vuoto  (ore:minuti)	Nuovo forno in vuoto TAV  (ore:minuti)
Step I (Convezione)	7:30	2:00
Step II (Vuoto)	4:00	2:30
Step III (Raffreddamento in gas)	2:00	2:00
Tempo ciclo totale	13:30	6:30

 

Come illustrato nella tabella, i miglioramenti prestazionali sono notevoli, con un tempo di ciclo totale ridotto di circa 7 ore (-52%). Il contributo più consistente a questo miglioramento avviene durante la prima fase di riscaldo in convezione (-73%). Ciò è dovuto all’effetto sinergico dell’aumento della pressione di convezione e del migliorato scambio termico garantito dall’elemento riscaldante centrale aggiuntivo. Durante la seconda fase di riscaldamento ad alta temperatura in vuoto, si osserva comunque un miglioramento significativo (-38%), attribuibile esclusivamente allo scambio termico più efficiente derivante dagli elementi riscaldanti centrali.

 

Camera termica del nuovo forno a vuoto sviluppato da TAV, con aggiunta degli elementi scaldanti centrali.

 

A seguito del trattamento termico, una valutazione metallurgica, inclusa l'analisi della dimensione del grano, ha confermato che tutti i componenti sono pienamente conformi alle specifiche del cliente.

La considerevole riduzione del tempo di ciclo porta, naturalmente, come conseguenza diretta una significativa riduzione del consumo energetico per ciclo. Sebbene il forno precedente non fosse dotato di un monitoraggio energetico dedicato, impedendo un confronto storico diretto, i guadagni di efficienza possono essere quantificati attraverso una combinazione di dati sperimentali e modelli di simulazione.

Per convalidare queste proiezioni, sono stati condotti test prestazionali mirati sul nuovo forno a vuoto TAV. Questo test ha valutato specificamente l'impatto dell'aumento della pressione di convezione rispetto alla pressione "standard", registrando il consumo energetico con la carica di riferimento sopra menzionata. I dati raccolti sono presentati di seguito.

 

Consumo Energetico (Sola fase di convezione)

Pressione di convezione standard  (1.5 bar)	280 kWh
Pressione di convezione aumentata   (3.0 bar)	270 kWh

 

Il consumo energetico rimane paragonabile in entrambe le configurazioni, con un marginale vantaggio a favore della maggiore pressione di convezione. A pressioni più elevate, il sistema subisce naturalmente una maggiore dissipazione termica, richiedendo una potenza in ingresso superiore per mantenere il setpoint di temperatura interno.

Tuttavia, come dimostrano chiaramente i dati, questo aumento della richiesta di potenza è interamente compensato dalla significativa riduzione dei tempi di riscaldo. Raggiungendo la temperatura target più velocemente, il sistema riduce al minimo la finestra temporale di consumo energetico totale, dimostrando che è possibile ottenere prestazioni superiori senza penalità energetiche.

La fase ad alta temperatura può invece essere analizzata utilizzando modelli che descrivono la relazione tra le condizioni operative del forno (principalmente la temperatura), il design della camera termica e l'assorbimento di potenza.

Ipotizzando che entrambe le camere termiche abbiano lo stesso design e utilizzino lo stesso isolamento (ad esempio, pannelli di grafite con le medesime proprietà fisiche e spessore), dobbiamo tenere conto dell'aumento delle dimensioni causato dall'aggiunta degli elementi riscaldanti centrali. Di conseguenza, la superficie totale della camera termica aumenta di circa il 20%. Sulla base di queste ipotesi, il consumo energetico per questa specifica porzione del ciclo di trattamento termico può essere stimato utilizzando le durate reali dei due casi analizzati.

 

Consumo Energetico (Sola fase in vuoto)

Vecchio forno in vuoto (stimato)	224 kWh
Nuovo forno in vuoto TAV	178 kWh

 

Ancora una volta, il marginale aumento della dissipazione termica (risultante dalla maggiore superficie della camera termica) è interamente compensato dalla significativa riduzione della durata del ciclo. Di conseguenza, il consumo energetico totale per questa fase del processo si riduce di circa il 20%.

Complessivamente, i dati dimostrano che la sostanziale riduzione del tempo di ciclo totale porta anche a una corrispondente diminuzione del consumo energetico durante la fase di riscaldamento del ciclo di trattamento termico.

ConclusioNI

In diversi articoli precedenti riguardanti il design dei forni in relazione all'efficienza energetica (come ad esempio il nostro confronto “Forni a vuoto a doppia camera vs. forni a vuoto a camera singola - Una prospettiva energetica”, abbiamo costantemente concluso che la sinergia tra macchina e processo sia il fattore decisivo. In ultima analisi, il modo in cui un forno viene ottimizzato per la sua specifica applicazione influisce sull'efficienza energetica nel mondo reale in modo molto più significativo rispetto a qualsiasi singola scelta progettuale isolata.

Questo caso studio ne è la prova: l'efficienza dipende dal contesto. Non possiamo presumere che questo specifico design porti sempre allo stesso risultato, né che sia una soluzione "universale" per ogni tipologia trattamento termico; tuttavia, per questa specifica applicazione, si è dimostrata la scelta ottimale.

Tornando alla domanda iniziale del cliente: "Posso ottenere una maggiore produttività E, allo stesso tempo, un minore consumo energetico?". La risposta è sì. Comprendendo a fondo i requisiti del cliente e i suoi processi produttivi, e applicando poi le migliori pratiche di progettazione, possiamo raggiungere entrambi gli obiettivi.

In definitiva, è tutta una questione di buon design.