Informazioni di base sui forni ad arco elettrico

Un arco rappresenta una forma di scarica ad arco all'interno di un gas. Durante la scarica ad arco nel gas, la tensione tra gli elettrodi rimane estremamente bassa, mentre la corrente che scorre attraverso il gas è sostanziale, producendo una luce bianca abbagliante e generando temperature eccezionalmente elevate nella zona dell'arco (circa 5000K). Questa immensa densità di corrente deriva dall'emissione termoionica al catodo e dall'autoemissione di elettroni. In particolare, uno strato di ioni positivi si forma vicino al catodo, creando un forte campo elettrico che induce il catodo a emettere spontaneamente elettroni.

Una grande quantità di elettroni si scontra con le molecole gassose tra gli elettrodi, ionizzandole e generando un numero ancora maggiore di ioni positivi ed elettroni secondari. Sotto l'influenza di un campo elettrico, queste particelle cariche colpiscono rispettivamente il catodo e l'anodo, con conseguente aumento delle temperature. Il catodo, a causa dell'energia spesa nell'emissione di elettroni, mantiene una temperatura inferiore rispetto all'anodo. Inoltre, la regione interelettrodica sperimenta alte temperature dovute alla ricombinazione di alcuni ioni positivi ed elettroni.

Forni ad arco elettrico sono forni industriali che sfruttano questo principio per fondere i metalli. Quando operano in un ambiente sottovuoto, vengono chiamati forni ad arco sottovuoto. La fusione ad arco sottovuoto è caratterizzata da alta corrente e bassa tensione, che costituiscono un'operazione ad arco corto. Tipicamente, la tensione dell'arco varia da 22 a 65 V, con una corrispondente lunghezza dell'arco di 20-50 mm (quest'ultima applicabile per lingotti più grandi).

Dall'esperimento di successo della fusione del filo di platino nel 1839, i ricercatori hanno dedicato oltre un secolo allo studio della fusione dei metalli refrattari. Il forno ad arco elettrico sottovuoto è stato ufficialmente adottato nelle applicazioni industriali nel 1953. Fino al 1956, i forni non consumabili erano prevalentemente utilizzati negli Stati Uniti e in molti paesi europei per la fusione del titanio. Tuttavia, nel 1955, è iniziato l'uso di forni consumabili per la produzione di acciaio. Intorno al 1960, il peso dei lingotti prodotti dai forni consumabili aveva superato le 30 tonnellate, segnando una pietra miliare significativa nel loro sviluppo.

L'attuale stato di avanzamento in questo campo può essere esemplificato dai forni consumabili sottovuoto prodotti dalla Consack Company degli Stati Uniti. Per migliorare la produttività e l'utilizzo delle apparecchiature, questi forni sono progettati in modo tale che due forni condividano un unico set di alimentazione principale, sistema di vuoto e sistema di controllo automatico. Questo approccio innovativo non solo semplifica le operazioni, ma ottimizza anche l'allocazione delle risorse, riflettendo la continua evoluzione e la sofisticazione della tecnologia dei forni ad arco elettrico.

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