AZOTO

1. CRIOMACINAZIONE

Il processo di criomacinazione utilizza l’infragilimento tipico di moltissimi materiali alle bassissime temperature, al fine di macinare con elevata efficienza energetica e con aumento della qualità del prodotto finale. Alla temperatura di ebollizione dell’azoto (- 196°C) moltissimi materiali si presentano in condizione di fragilità, rendendo possibile un processo di frantumazione che, a temperature superiori, risulterebbe impossibile. Le applicazioni di questo principio sono molteplici: dalla macinazione di essenze alimentari al recupero di materie plastiche, al recupero di gomma e pneumatici. Nel caso degli pneumatici, ad esempio, quando il pezzo di pneumatico viene portato a bassissime temperature, la gomma contenuta presenta un comportamento fragile e, contemporaneamente, il legame tra la gomma e la carcassa di acciaio e tra la gomma e la tela subisce un forte indebolimento. Un impianto di criomacinazione si compone di differenti unità, a seconda dell’applicazione: il cuore è sempre il mulino criogenico, realizzato in modo da poter lavorare, senza stress termici, a bassissime temperature.

2. DEGASAGGIO DELL’ALLUMINIO

L’Alluminio ha un’alta affinità con l’Ossigeno, specialmente quando si trova allo stato fuso: la presenza di ossidi, come pure quella di una fase gas nella massa fusa, sono elementi molto negativi per la qualità dei pezzi prodotti finali. Lo scopo del trattamento è dunque quello di asportare gli ossidi e di ridurre il contenuto di gas nella massa fusa. Tra i gas disciolti l’Idrogeno è quello presente in quantità maggiore, in quanto molto solubile nell’Alluminio fuso. Diffondendo un flusso di gas in senso ascendente, nel bagno di alluminio fuso, l’Idrogeno atomico disciolto nell’Alluminio viene asportato per lavaggio. I principali gas di lavaggio utilizzati nelle fonderie di Alluminio sono il Cloro, l’Azoto e l’Argon. Mentre nel trattamento con Argon e Azoto si ha un puro processo fisico, l’aggiunta di Cloro permette di provocare una serie di reazioni chimiche. Evidentemente, il degasaggio ottimale è possibile solo con la combinazione di un processo chimico con uno fisico. L’utilizzo del cloro, però, non è sempre di facile gestione ed anche per contenere al minimo l’inquinamento ambientale, si sono ottimizzati i processi con l’impiego di miscele sostitutive. Dalla diluizione in Azoto, si è arrivati all’aggiunta di CO alla miscela di lavaggio ed al lavaggio con Argon che consente di eliminare la formazione di nitrati.

3. MISCELAZIONE

L’azoto è spesso utilizzato anche per miscelare prodotti in fusione. Analogamente a quanto avviene nei processi di degasaggio, dove l’azoto è utilizzato come mezzo per “strippare” le fasi gassose intrappolate nel metallo fuso, in questo caso l’azoto è utilizzato per creare moti convettivi nel metallo fuso. Lo scopo è, in genere, quello di aumentare l’efficienza energetica del processo di fusione, permettendo al metallo più “freddo” di portarsi verso la sorgente di calore. Le modalità di applicazione variano: dalla più semplice lancia ai mattoni porosi posizionati sul fondo del forno e/o del contenitore.

4. SBAVATURA CRIOGENICA

Lo stampaggio dei pezzi in gomma ha sempre presentato problemi di rifinitura. L’asportazione delle sbavature ha sempre comportato enormi costi di manodopera. Si è pensato di sfruttare l’infragilimento della gomma alle basse temperature per la rifinitura dei pezzi. A tal scopo sono state studiate apposite macchine dette buratti, in cui i manufatti, a bassa temperatura, subiscono una serie di urti che consentono l’asportazione delle bave. Il buratto è una sorta di cestello poligonale che ruota; il materiale introdotto è costretto a cadere su ogni faccia, l’introduzione di biglie o sassolini permette di aumentare gli urti che il pezzo subisce e migliorare la sbavatura. Come mezzo refrigerante si usa l’Azoto liquido. L’Azoto liquido è risultato essere il fluido ideale per questo tipo di lavorazione, in quanto permette di raggiungere temperature estremamente basse che consentono di sbavare anche gomme siliconiche, EPDM, EPT, che non giungevano all’infragilimento con altri sistemi di raffreddamento.

5. CONTROLLO DI REAZIONE

In molte reazioni chimiche per la produzione di composti intermedi e farmaceutici, la condizione necessaria perché la reazione abbia luogo è la creazione del contatto tra i reagenti in condizioni di bassa temperatura. In questi casi, i reattori sono realizzati in modo da permettere l’utilizzo di un mezzo raffreddante, che può essere acqua, un fluido refrigerante o azoto liquido. L’utilizzo dell’azoto liquido permette l’eliminazione del sistema di refrigerazione meccanico e garantisce, la possibilità di raggiungere bassissime temperature. Le modalità di utilizzo sono differenziate: l’azoto liquido può essere inviato direttamente all’interno del reattore oppure circolare in una camicia esterna. In questo caso, è possibile recuperare completamente il flusso di azoto gassoso puro ed utilizzarlo per inertizzazioni e/o polmonazioni.

6. PRODUZIONE DI NEVE ARTIFICIALE

L’azoto liquido è utilizzato anche per produrre neve artificiale. In realtà, quella prodotta è neve identica a quella naturale: in un “cannone” opportunamente progettato, si miscelano acqua, azoto liquido ed aria compressa, creando così le naturali condizioni per la formazione di fiocchi di neve. La qualità della neve così prodotta è assolutamente identica alla migliore neve “farinosa” che si può trovare su una pista subito dopo un’abbondante nevicata.

7. TRATTAMENTI TERMICI

I trattamenti termici sono suddivisibili come segue. I trattamenti termofisici interessano tutta la massa del pezzo da trattare. In generale consistono in cicli termici comprendenti un riscaldamento, una permanenza a temperatura e un raffreddamento più o meno rapido; i principali sono: ricottura, tempra, rinvenimento, bonifica, normalizzazione. I trattamenti superficiali hanno lo scopo di conferire delle proprietà particolari ad uno strato superficiale del pezzo. Nei trattamenti termochimici lo strato superficiale viene arricchito con elementi di lega come il carbonio, l’azoto, lo zolfo, il boro e si ottengono così elevata durezza, resistenza all’usura e alla fatica in quanto il cuore del pezzo si mantiene tenace. I principali sono: cementazione, carbonitrurazione, nitrurazione, decarburazione. I gas che più comunemente si incontrano nei trattamenti termici sono: aria, azoto, ossigeno, ossido di carbonio, anidride carbonica, idrogeno, idrocarburi e ammoniaca, elio e argon. Altri importanti componenti delle atmosfere sono l’acqua, che considereremo come vapore e il metanolo come fonte di idrogeno e ossido di carbonio. Le atmosfere gassose, sia di protezione che termochimiche, possono essere prodotte sia miscelando i singoli componenti nelle giuste proporzioni, sia facendo reagire aria e idrocarburo o dissociando ammoniaca e alcoli. Per quanto riguarda le miscele di gas tecnici, i principali prodotti sono i seguenti. L’azoto può essere impiegato sia puro che in miscela con fluidi riducenti come l’idrogeno, nitruranti come l’ammoniaca o carburanti come gli idrocarburi o l’alcool metilico per creare atmosfere neutre o attive oppure come gas di lavaggio per la protezione della carica e per la sicurezza del personale. L’argon viene usato in quei trattamenti nei quali l’impiego dell’azoto è sconsigliato come nel caso del titanio e le sue leghe, in genere in forni sottovuoto. L’elio è usato raramente e principalmente per sfruttare la sua grande conducibilità termica nel raffreddamento rapido in forni sottovuoto. La possibilità di dosare a piacere sia la quantità che la composizione delle atmosfere da gas industriali ha fatto nascere la necessità di studiare a fondo il comportamento chimico e fluidodinamico delle atmosfere nelle diverse zone del forno e nelle fasi del trattamento.

8. RECUPERO CRIOGENICO SOLVENTI

Le proprietà dell’azoto liquido trovano interessanti applicazioni nel recupero dei composti organici volatili (COV), presenti in fumi ed off gas di processi industriali. Sfruttando le frigorie contenute nell’Azoto liquido, si realizza una condensazione criogenica, in grado di separare, condensandolo (e/o solidificandolo), l’inquinante presente nei fumi. Impiantisticamente, il processo può trovare soluzioni diverse, in base alle caratteristiche del processo cui deve essere applicata. In questo modo è possibile ridurre a zero le emissioni in atmosfera dei COV, recuperando l’inquinante per un suo eventuale riutilizzo nel processo. I costi di smaltimento risultano ulteriormente ridotti se è possibile utilizzare l’Azoto gassificato durante il processo per altri usi all’interno dello stabilimento (inertizzazione).

9. INERTIZZAZIONE

Una delle applicazioni più frequenti per l’azoto è l’inertizzazione: ogni qualvolta in un processo viene richiesta l’assenza di ossigeno, si utilizza azoto. L’azione avviene per semplice “spostamento” dell’ossigeno da tutte le fasi gassose: le modalità operative variano a seconda delle richieste impiantistiche. Laddove anche la debole attività chimica dell’azoto fosse non accettabile, si preferisce l’utilizzo di argon.

INERTIZZAZIONE: AUTOCLAVI
Nei processi di produzione di materiali compositi in autoclave, si sviluppano reazioni di polimerizzazione. Alcune di queste liberano prodotti gassosi che, in presenza di ossigeno (aria) e temperatura possono innescarsi, creando quindi le condizioni per un incendio e/o un’esplosione. L’azoto è utilizzato per garantire un’atmosfera priva di ossigeno ed evitare qualsiasi pericolo di incendio.

INERTIZZAZIONE: PROCESSO FLOAT
La produzione di vetro piano (per finestre e per autovetture) avviene secondo il processo “float”, dove il vetro fuso viene deposto su un bagno di stagno fuso. In queste condizioni, il vetro solidificandosi trova una superficie assolutamente liscia ed evita, quindi, la formazione di imperfezioni e difetti. Per evitare che lo stagno fuso si ossidi, perdendo quindi la proprietà di superficie perfetta, si mantiene l’atmosfera in condizioni riducenti. Ciò avviene miscelando in un rapporto circa 1:10, idrogeno (che “cattura” qualsiasi molecola di ossigeno disponibile) ed azoto.

INERTIZZAZIONE: ACCIAIO
Nei vari processi di produzione dell’acciaio, l’azoto ed a volte anche l’argon trovano applicazione per garantire condizioni di assenza di ossigeno. Anche in questo caso, il pericolo è che l’ossigeno in presenza di temperature elevate possa dare luogo ad ossidi che vanno ad inficiare la qualità del manufatto. Tipiche applicazioni sono:

• Nel processo continuo, dove l’acciaio fuso va direttamente alle lingottiere in totale ambiente di azoto
• Nel forno ad induzione, dove si producono le condizioni di assenza di ossigeno
• Nella colata di prodotti di qualità, creando una corona di gas inerte attorno all’ugello di uscita del metallo fuso.

10. POLMONAZIONE

Con questo termine, si indica la creazione di un’atmosfera di azoto (e comunque priva di ossigeno) nella zona superiore (zona dei vapori) di un serbatoio dedicato allo stoccaggio di prodotti infiammabili, tossici ed esplosivi. L’obiettivo è quello di garantire l’impossibilità che i vapori di queste sostanze possano entrare in contatto con l’aria atmosferica e quindi innescare una reazione di combustione.

11. ESTRUSIONE CRIOGENICA

Bottiglie, bidoni, fusti, serbatoi e corpi cavi, in genere per uso industriale, vengono normalmente prodotti in plastica attraverso un procedimento di estrusione e soffiaggio. Secondo il processo tradizionale il tubo estruso viene soffiato con aria compressa, al fine di farlo aderire alle pareti dello stampo.

Con l’“estrusione criogenica”, le fasi di soffiaggio e di raffreddamento dei corpi cavi sono eseguite con Azoto liquido.

Nel processo tradizionale il calore viene asportato quasi interamente attraverso lo stampo raffreddato (in genere con acqua o con salamoia): questo metodo di raffreddamento è, però, limitato dal fatto che, se la temperatura del mezzo refrigerante risulta essere troppo bassa, l’umidità atmosferica dell’aria di soffiaggio condensa sul pezzo generando dei difetti superficiali.

L’introduzione di un raffreddamento interno aggiuntivo è l’unico metodo per velocizzare il ciclo di stampaggio: la bassa temperatura di ebollizione dell’Azoto, rende l’estrusione criogenica il candidato ideale per ottenere questo obiettivo.

Dai risultati ottenuti in diverse prove si è evidenziato un aumento della capacità produttiva degli impianti che può raggiungere il 60%.

12. CALETTAMENTO A FREDDO

La tecnica di calettamento dei pezzi meccanici, ovvero la connessione per aderenza di due superfici metalliche aventi forme geometriche uguali (albero-foro) e dimensioni differenti (dimensione del foro leggermente inferiore), può essere applicata, con mezzi adeguati:

• con operazione di forzamento con entrambi i pezzi a temperatura ambiente
• per mezzo di dilatazione termica del pezzo femmina
• con il sistema criogenico, cioè per contrazione della parte maschio
• con sistema misto.

La scelta del metodo di calettamento da applicare deve tenere conto delle trasformazioni che la struttura del metallo subisce al variare della temperatura e delle sollecitazioni cui sarà soggetto il pezzo, una volta posto in opera. Con il calettamento criogenico per contrazione, il maschio da calettare viene raffreddato, immergendolo in Azoto liquido, ad una temperatura tale da provocarne la contrazione che gli permetta di accoppiarsi con la femmina mantenuta a temperatura ambiente. Il maschio, tornando a temperatura ambiente, si dilata e si blocca nel pezzo femmina secondo il valore previsto. La contrazione del maschio è funzione della forma geometrica e del materiale componente: la corretta conoscenza delle curve di trasferimento del calore così come le cautele nella gestione dell’azoto liquido sono alla base dell’applicazione tecnologica.

13. AZOTO PER IL GONFIAGGIO DEGLI PNEUMATICI

L’utilizzo di azoto per il gonfiaggio degli pneumatici è un’ottima alternativa al tradizionale sistema ad aria, utilizzabile per un’ampia gamma di veicoli (moto, auto, autobus, camper, camion, mezzi movimento terra). Già da tempo sia nell’aviazione civile e militare, sia nel mondo delle corse automobilistiche, a cominciare dalla Formula 1 e dai Rally, le gomme vengono gonfiate con azoto per fronteggiare gli elementi indesiderati connessi all’utilizzo dell’aria compressa. La scelta dell’azoto è dettata dai seguenti vantaggi:

• l’azoto evita la combustione nel caso di surriscaldamento e riduce la probabilità di scoppio dello pneumatico;
• l’assenza di ossigeno evita l’ossidazione della gomma riducendone la velocità d’invecchiamento;
• la mancanza di vapore acqueo e di anidride carbonica annulla l’effetto di ossidazione delle cinture metalliche aumentandone la durata;
• l’assenza di pulviscolo e di impurità prolunga la durata dei materiali (pneumatici, camere d’aria, valvole, cerchioni);
• la maggiore stabilità della pressione, per effetto della minore permeabilità del butile all’azoto, comporta sia una migliore tenuta di strada sia la riduzione dei consumi del battistrada e del carburante;
• la temperatura di esercizio rimane costante.

Tutto ciò rende il gonfiaggio ad azoto più sicuro, più economico e più stabile rispetto a quello con aria. L’azoto necessario per il gonfiaggio può essere fornito sia utilizzando i tradizionali recipienti (bombole e gruppi bombole) a 200 bar sia fornendo piccole unità di autoproduzione dell’azoto, mediante separazione, in situ, dell’aria.

14. SVERNICIATURA CRIOGENICA

La sverniciatura criogenica è una tecnologia del tutto ecocompatibile, in quanto utilizza Azoto liquido, che è inerte, atossico e non inquinante. Tale tecnologia si configura come alternativa alla sverniciatura chimica, a quella termica e a quella meccanica ma, rispetto a ciascuno di questi metodi, presenta vantaggi legati al minore impatto ambientale e al minor deterioramento del materiale. I pezzi da sverniciare vengono immersi in una vasca di Azoto liquido, che li raffredda provocando delle cricche nello strato di vernice e il suo distaccamento, a causa della differenza tra il coefficiente di dilatazione termica della vernice e del metallo. Per rimuovere la vernice è dunque sufficiente esercitare una leggera azione meccanica, che può essere eseguita con scalpellatori, martellatori ad aghi o mediante l’utilizzo di macchine sabbiatrici. Tale metodo consente di rimuovere qualunque tipo di vernice, sia a base di polvere, sia a base liquida, e qualunque tipo di resina.

15. VULCANIZZAZIONE

Il processo di vulcanizzazione della gomma è il cuore della produzione di pneumatici. Tradizionalmente la gomma viene portata ad alta pressione e temperatura utilizzando vapore. In alcuni casi, la sostituzione con azoto permette di ottimizzare il processo, riducendo i costi di produzione ed aumentando la sicurezza del processo.

16. RAFFREDDAMENTO DELLE MATRICI DI ESTRUSIONE

Nel processo di produzione di materiali estrusi in alluminio, si parte da una billetta di alluminio che, adeguatamente tagliata, viene “forzata” a passare attraverso una matrice, modellando il profilo richiesto. Nel passaggio attraverso la matrice, il metallo aumenta la propria temperatura e crea le condizioni per una più rapida ossidazione, diminuendone quindi la qualità finale. Inoltre, la capacità di smaltimento del calore sviluppato all’interno della matrice è spesso un fattore limitante della capacità produttiva della linea. Per questo motivo, si procede a raffreddare (con tecniche differenti) la matrice e/o il manufatto all’uscita della matrice, in modo da aumentare la capacità produttiva e, in alcuni casi, da proteggere il manufatto dall’ossidazione.