Forno ad arco elettrico: classificazione, composizione e applicazione

Forno ad arco elettrico: classificazione, composizione e applicazione

Un Forno ad arco elettrico (EAF) è un recipiente metallurgico ad alta temperatura che utilizza un arco elettrico, formato tra un elettrodo e un materiale di carica, per fondere metalli e minerali. Durante la scarica dell'arco, l'energia è intensamente concentrata, generando temperature superiori a 3000°C nella zona dell'arco. Per la fusione dei metalli, gli EAF offrono una flessibilità di processo superiore rispetto ad altri metodi di fabbricazione dell'acciaio, consentendo un'efficace rimozione di impurità come zolfo e fosforo. Offrono inoltre un controllo preciso della temperatura, richiedono un ingombro relativamente piccolo e sono particolarmente adatti per la produzione di acciai speciali e legati di alta qualità.

Classificazione dei forni ad arco elettrico

Gli EAF sono principalmente classificati in base al loro meccanismo di riscaldamento:

1.  Forno ad arco indiretto:

       Principio: un arco viene formato tra due elettrodi posizionati sopra la carica. Il materiale viene riscaldato indirettamente tramite radiazione dall'arco.

       Stato: Caratterizzato da alti livelli di rumore e minore efficienza termica, questo tipo è stato in gran parte eliminato dalle principali applicazioni metallurgiche.

2.  Forno ad arco diretto:

       Principio: l'arco si forma direttamente tra la punta degli elettrodi e il materiale di carica conduttivo, fornendo un riscaldamento altamente efficiente e diretto. Questo è il design più comune per la moderna fabbricazione dell'acciaio.

       Sottotipi: Include sia forni ad arco AC trifase che DC, che sono i cavalli di battaglia dell'industria dell'acciaio e delle leghe basata su rottami.

3.  Forno ad arco sommerso (SAF):

       Principio: noto anche come riduzione. Gli elettrodi sono parzialmente sepolti all'interno del carico di carica (una miscela di minerale, riducente e flusso). Il riscaldamento avviene attraverso una combinazione di attività dell'arco all'interno del carico e la resistenza elettrica (riscaldamento Joule) del materiale stesso.

       Applicazione: utilizzato prevalentemente per la produzione di ferroleghe (ad esempio, ferrosilicio, ferromanganese), carburo di calcio e per la fusione di materiali non ferrosi come la matte.

Componenti chiave di un sistema EAF

Un moderno forno ad arco diretto è un complesso sistema elettromeccanico composto da diversi sottosistemi principali:

1.  Sistema di alimentazione elettrica: include il trasformatore del forno (e il raddrizzatore per i forni DC), l'apparecchiatura di commutazione ad alta tensione e gli armadi di controllo a bassa tensione per la regolazione dell'ingresso di potenza.

2.  Sistema elettrodico: composto da elettrodi di grafite, il portaelettrodo/braccio e il sistema di regolazione degli elettrodi che controlla automaticamente la posizione degli elettrodi per mantenere una lunghezza dell'arco e una potenza stabili.

3.  Struttura meccanica del forno: comprende il guscio del forno raffreddato ad acqua, il tetto del forno (spesso raffreddato ad acqua e orientabile per la carica) e il meccanismo di ribaltamento per la colata di scorie e acciaio.

4.  Sistema di conduzione ad alta corrente (rete a corto circuito): l'insieme di sbarre di rame raffreddate ad acqua per impieghi gravosi e cavi flessibili che erogano corrente molto elevata dal trasformatore ai bracci degli elettrodi.

5.  Sistema di raffreddamento ad acqua: una rete critica a circuito chiuso che fornisce acqua per raffreddare pannelli, tetto, cavi, portaelettrodi e altri componenti esposti a calore estremo.

Principio di funzionamento di base

In un forno ad arco diretto per la fabbricazione dell'acciaio, l'intenso calore generato dagli archi tra gli elettrodi di grafite e una carica di rottami metallici provoca una rapida fusione. Una volta stabilito un bagno fuso, le operazioni di raffinazione (regolazione della temperatura, controllo chimico tramite aggiunte di scorie e leghe) vengono condotte con il metallo fuso coperto da uno strato di scoria sintetica. Gli EAF sono classificati come acidi o basici, determinati dalla natura chimica del rivestimento refrattario e della scoria utilizzata. I forni rivestiti di base, che utilizzano una scoria a base di calce, sono in grado di un'ampia desolforazione e defosforazione.

Applicazioni principali

I forni ad arco elettrico sono strumenti versatili nella metallurgia estrattiva e di processo, le applicazioni chiave includono:

1.  Produzione di acciaio: l'applicazione principale, la fusione di rottami di acciaio per produrre acciai al carbonio, legati e inossidabili.

2.  Raffinazione di ferroleghe: produzione e raffinazione di varie leghe madri a base di ferro.

3.  Fusione di materiali speciali: lavorazione di materiali come scorie ad alto contenuto di titanio e scorie di flusso di saldatura sintetiche.

4.  Produzione di materiali refrattari: fusione di materie prime per la produzione di refrattari ad alta temperatura come allumina fusa, magnesia e cementi allumina-calcio.

5.  Riciclaggio di sottoprodotti metallurgici: recupero di metalli preziosi da rifiuti come trucioli di rettifica di acciaio inossidabile e scaglie di laminazione.

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