Il processo di fusione ad arco è un metodo di fusione di materiali carichi, tipicamente minerali metallici o rottami metallici, utilizzando un arco elettrico. Comporta l'applicazione di corrente alternata a un elettrodo all'interno di un forno di fusione. Il calore generato dall'arco elettrico provoca la fusione dei residui sulla base metallica.
In un forno di fusione ad arco, il componente principale è un saldatore elettrico, che agisce come un grande trasformatore per convertire l'alta tensione in bassa tensione e alta corrente. Il saldatore elettrico innesca l'arco creando un cortocircuito istantaneo tra i poli positivo e negativo. L'arco è un fenomeno di scarica autosostenuta che mantiene una combustione stabile relativamente lunga senza bisogno di alta tensione.
Il forno fusorio ad arco funziona a temperature estremamente elevate, con una temperatura massima di 3000℃. Utilizza l'arco, che è un comune plasma termico, per generare il calore necessario alla fusione del materiale. Il forno assicura un processo di fusione costante controllando fattori quali la geometria del bacino e la velocità di fusione.
Durante il processo di fusione ad arco, l'elettrodo da fondere viene caricato nel forno. Per gli acciai speciali e le superleghe, l'elettrodo viene precedentemente fuso in aria o sotto vuoto. Per i metalli reattivi primari come il titanio, l'elettrodo viene fabbricato a partire da spugna compattata e/o rottami, o da un processo di fusione a cuore come il plasma o il fascio di elettroni.
Il recipiente sotto vuoto in cui avviene la fusione è costituito da due gruppi meccanici principali: la testa del forno mobile e la stazione di fusione fissa. La testa mobile del forno è la sezione superiore del recipiente e contiene un gruppo di ram integrato collegato a un servoazionamento. Questo gruppo sostiene e controlla il movimento dell'elettrodo. Il martinetto raffreddato ad acqua si estende attraverso una guarnizione a vuoto nella testa e l'elettrodo si blocca alla sua estremità inferiore, diventando il catodo dell'operazione di fusione ad arco.
La stazione di fusione fissa costituisce la metà inferiore del recipiente sotto vuoto e consiste in un crogiolo di rame rimovibile inserito in una camicia d'acqua fissa in acciaio inossidabile. Una volta fissato l'elettrodo al gruppo del martinetto, quest'ultimo solleva l'elettrodo mentre la testa del forno viene abbassata per creare il vuoto sopra il crogiolo.
Una volta stabilito il vuoto, viene attivata l'alimentazione a corrente continua e il sistema di controllo scocca un arco ad alta corrente tra l'elettrodo consumabile (catodo -) e la base del crogiolo (anodo +). In questo modo si forma rapidamente una piscina di metallo fuso. La distanza dell'arco tra l'elettrodo di fusione e il bagno di metallo viene mantenuta con precisione e viene stabilita una velocità di fusione controllata. Le gocce di metallo che cadono attraverso la fessura dell'arco sono esposte all'ambiente sotto vuoto e alle temperature estreme della zona dell'arco, con conseguente rimozione dei gas disciolti, vaporizzazione degli elementi di scarto e miglioramento della pulizia degli ossidi.
Il crogiolo raffreddato ad acqua consente la solidificazione direzionale del bagno fuso, evitando la macro segregazione e riducendo la micro segregazione. Ciò migliora le proprietà dei materiali del lingotto solidificato. Verso la fine del processo, la potenza viene gradualmente ridotta per fornire un hot top controllato, massimizzando la resa del prodotto utile.
Nel complesso, il processo di fusione ad arco nel forno di fusione ad arco elettrico consente di fondere il materiale carico attraverso l'applicazione di un arco elettrico, ottenendo un metodo controllato ed efficiente di fusione dei metalli.
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