Generatori di azoto

PRODUZIONE –

L’azoto è utilizzato in vari processi di saldatura e rework. Dalla saldatura a onda alla rifusione, dalla saldatura selettiva fino alle stazioni di rework il suo impiego agevola le operazioni riducendo l’impatto ossidante dell’ossigeno. L’ideale è poterselo produrre direttamente.

Quella che viene definita come saldatura in ambiente inertizzato, in realtà è una saldatura in ambiente a basso tenore di ossigeno. Rivestendo una certa criticità in relazione al processo, il tenore di ppm di O2 dovrebbe essere monitorato in continuazione. Le ragioni che hanno portato all'utilizzo di questo gas inerte sono dovute alla sua relativa economicità e al fatto che non reagisce con le superfici metalliche. I motivi che hanno condotto a puntare sull'azoto per avere un ambiente di saldatura inertizzato sono da porre in relazione ai bassi livelli di ossigeno che usualmente lo caratterizzano. Fattore che l'ha reso il gas ideale per aiutare nel diluire a livelli irrisori l'ossigeno all'interno del tunnel di saldatura, prevenendo o quantomeno rallentando l'ossidazione delle superfici metalliche durante la rifusione. La sua funzione è di prevenire o rallentare il processo di ossidazione. Il suo utilizzo nei processi di saldatura è comunque sempre stato un tema dibattuto sin dalla sua introduzione, vuoi per la difficoltà di dimostrarne un reale ritorno economico, vuoi per l'alto costo nella gestione quotidiana e nell'investimento dei sistemi. Poco utilizzato in saldatura a onda, è stato più largamente applicato nella saldatura per rifusione e poi nella saldatura selettiva.
L'azoto di suo non possiede nessuna capacità decappante e di conseguenza non può rimuovere l'ossidazione. In generale, alle temperature d'esercizio utilizzate in rifusione non reagisce chimicamente con nulla, solo quando è mescolato all'idrogeno, dando luogo al forming gas, assume funzione disossidante. L'atmosfera N2 aiuta piuttosto a ridurre o a eliminare i difetti dovuti ai problemi di bagnabilità, ampliando la finestra del processo di saldatura; di contro potrebbe essere la causa dell'effetto tombstoning.

La dinamica della rifusione
Nel processo di rifusione l'efficienza del trasferimento termico è funzione di diverse variabili, tra le quali spiccano il volume del flusso trasferito in direzione del pcb e la velocità del getto. Rilevante è anche il come sono configurati gli elementi riscaldanti del forno. L'efficienza del trasferimento termico del forno a convezione (di aria o di azoto) dipende da come avviene l'impatto del fluido, dal volume del flusso e dalla sua velocità. La dimensione del flusso messo in rapporto alla distanza da cui ha origine, determina l'angolo d'impatto, ma anche il volume di gas e la velocità con cui viaggia in direzione del pcb. Il trasferimento termico è massimo quando la velocità d'impatto è uguale a zero, ovvero è perpendicolare alla scheda e diminuisce quando l'angolo d'impatto diventa inferiore a 90°. Il volume del flusso utile è solo quello che colpisce il pcb, un eventuale eccesso avrebbe l'effetto contrario di creare turbolenza, andando a scaldare (con perdite d'efficienza) le pareti del forno. È comunque rilevante notare come sia la velocità e non il volume a determinare il trasferimento termico. In tutto questo l'azoto non ha particolari effetti pratici nel trasferimento termico.

N2 e il processo di saldatura
Parlando di azoto in saldatura va chiarito che il livello di ossigeno misurato sulla mandata di azoto non è indicativo del livello che si troverà all'interno del tunnel. All'interno del tunnel del forno, sebbene messo in pressione dall'immissione di azoto, si mescola l'aria dell'ambiente che quantomeno entra intrappolata negli interstizi del pcb; va poi considerata la normale diffusione o la turbolenza che può crearsi nei pressi delle aperture. Non è neppure vero che immettendo quanto più azoto sia possibile si ottengano migliori risultati di saldatura. La dinamica è per certi versi abbastanza strana e complicata da gestire. Scegliendo di immettere un debole flusso di azoto nel tunnel si può stare certi che avrà un effetto trascurabile o non né avrà del tutto. Aumentando la quantità del flusso in ingresso si abbassa il livello di ossigeno, ma senza eliminarlo completamente. Aumentando il flusso di azoto oltre un certo livello, si innescano fenomeni di turbolenza che oltretutto hanno lo svantaggio di richiamare aria dalle aperture aumentando così il livello di ppm di ossigeno. Del resto un forno in linea è tutt'altro che ermetico.
L'azoto industriale si ottiene come sottoprodotto nella produzione di ossigeno. Il gas di qualità migliore contiene sempre una quantità di ossigeno variabile da 2 a 5ppm. Anche ripulendo al meglio il tunnel di un forno, facendo scorrere azoto prima dell'inizio del processo di saldatura, difficilmente si riuscirebbe a scendere a livelli così bassi, tra l'altro anche difficili da misurare. In pratica non si vedrebbe nessuna differenza. Anche lavorando a 10ppm, ogni sforzo sarebbe vanificato dalla turbolenza creata alle due bocche del tunnel. Di conseguenza si può dire che è sì vero che aumentando il flusso di azoto si abbatte il livello di ppm di O2, ma esistono dei livelli oltre il quale questa regola non è più valida. Ogni forno, in base alle proprie caratteristiche costruttive, ha una soglia al di sotto della quale gli è preclusa ogni ulteriore discesa. Va poi sottolineato che non è assolutamente vero che all'apertura della valvola dell'azoto si inertizza il processo. L'eliminazione dell'ossigeno dal tunnel di rifusione richiede tempo.  La progressione si compone di infinite situazioni di equilibrio fino al raggiungimento del livello minimo di ppm di O2 impostato o tollerato dal forno;  normalmente fino a un livello di compromesso tra costo d'esercizio e il minimo tenore desiderato; usualmente questo compromesso si attesta tra i 50 e i 100ppm.

Autoproduzione di gas on site
Per abbattere il costo di esercizio nell'utilizzo dell'azoto, l'alternativa è offerta dall'auto produzione del gas. Tecnologicamente non presenta nessuna difficoltà, è alla portata di aziende di ogni dimensione, svincola da ogni contratto di fornitura e una volta dotatisi del necessario impianto può essere generato on-demand solo a necessità.
L'aria è composta mediamente per il 78% da azoto (N2), 20,9% da ossigeno (O2) e 0,9% da argon (Ar), il rimanente 0,2% è composto da una miscela di altri gas misurabili in ppm, tra cui l'anidride carbonica. Il contenuto di vapore acqueo è variabile e dipende dalla temperatura ambiente. I valori dei costituenti dell'aria non seguono una regola matematica, tant'é vero che l'anidride carbonica è passata da circa 280 ppm nel 1900 a 315 ppm nel 1970, risultando in questi ultimi anni a 350 ppm che equivale allo 0,035%.
Talvolta parlare di parti per milione risulta più agevole che non parlare di percentuali (dove 100ppm = 0,01%).
La tecnologia PSA (Pressure Swing Adsorption) permette la produzione di azoto mediante pressurizzazione con aria compressa (7-10 bar) filtrata ed essiccata, che viene fatta passare negli appositi serbatoi di assorbimento dell'ossigeno riempiti con setacci molecolari al carbonio. Pressurizzando il serbatoio, le molecole di ossigeno vengono in gran parte adsorbite dal setaccio molecolare mentre le molecole di azoto vengono filtrate grazie alle diverse dimensioni. Il setaccio continua ad assorbire ossigeno fino al raggiungimento del punto di saturazione. Mentre uno dei due è in fase di assorbimento, l'altro viene rigenerato. Nella rigenerazione il flusso d'aria in ingresso viene interrotto e l'ossigeno può quindi uscire dal serbatoio a bassa pressione. I due serbatoi collegati lavorano congiuntamente per produrre un flusso pressoché continuo di azoto. Mentre i carboni attivi comuni non sono in grado di separare l'azoto dall'aria, il setaccio molecolare al carbonio è una sostanza con strutture a porosità tali che può separare le molecole in base alle loro dimensioni. Attraverso questa elevata selettività il setaccio consente una separazione efficace dell'azoto. Le molecole di ossigeno più piccole entrano nei pori mentre le molecole di azoto più grandi oltrepassano il setaccio. Il risultato è azoto alla purezza desiderata col minimo consumo di energia. I generatori di azoto PSA sono sistemi robusti e longevi, la cui tecnologia di ultima generazione permette di ottenere azoto a purezze elevate (da 98 a 99,99%) con costi ridotti.
Infatti, i costi per l'autoproduzione del gas sono esclusivamente quelli dovuti al consumo dell'energia elettrica necessaria a produrre la quantità di aria compressa che permette di alimentare il generatore di gas N2. Risparmiando sui costi di acquisto dell'azoto si ammortizza la spesa sostenuta per l'acquisto del generatore. Le dimensioni dei generatori di azoto possono variare da una portata minima di pochi m3/h ad alcune centinaia, allo stesso modo della purezza dei gas prodotti dai generatori che, come detto, possono variare in funzione delle necessità del processo.

I setacci molecolari
I setacci molecolari, come le zeoliti (utilizzate negli armadi per i componenti MSD) o gli alluminosilicati (sali igroscopici), possono separare le molecole in base alle loro  dimensioni. Questa capacità è dovuta alla presenza di minuscoli pori uniformi con un diametro compreso tra 3 e 10 angstrom (pari a 0,1nm). All'interno dei pori dei setacci molecolari l'area superficiale delle pareti è molto elevata, raggiungendo anche valori di diverse centinaia di metri quadrati. Le molecole le cui dimensioni sono inferiori a quelle dei pori riescono a penetrarvi, ma quelle con dimensioni maggiori non possono entrare.

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