Principi operativi e caratteristiche del forno ad arco consumabile sotto vuoto (VAR)

Principi operativi e caratteristiche del forno ad arco a consumo sottovuoto (VAR)

Il mondo’primo Forno ad arco a consumo sottovuoto (VAR) è stato introdotto negli Stati Uniti nel 1950. Questo tipo di forno elettrico utilizza l'energia dell'arco elettrico per fondere i metalli all'interno di una camera a vuoto. Viene impiegato principalmente per la fusione di metalli reattivi e refrattari come titanio, zirconio e molibdeno, nonché per la produzione di acciai resistenti al calore, acciai inossidabili, acciai per utensili e acciai per cuscinetti. Fin dalla sua prima applicazione negli anni '50 per la rifusione di superleghe, il processo VAR ha dimostrato prestazioni eccezionali, affermandosi come un metodo fondamentale per la rifusione di leghe ad alta temperatura e acciai speciali.

1. Principio di funzionamento del forno VAR

Durante il funzionamento, goccioline di metallo fuso si formano all'estremità inferiore di un elettrodo consumabile e cadono in un bagno fuso. Durante questo processo di formazione e trasferimento delle goccioline, si verificano specifiche reazioni fisiche e chimiche, che consentono la rimozione di alcune impurità gassose. Una caratteristica fondamentale del VAR è che la fusione avviene all'interno di un crogiolo di rame raffreddato ad acqua (cristallizzatore). Questo design elimina la contaminazione che può derivare dalle interazioni tra il metallo fuso e i rivestimenti refrattari. Allo stesso tempo, il metallo fuso si solidifica sotto un intenso raffreddamento ad acqua, ottenendo un lingotto uniforme e denso, privo di porosità da ritiro.

Il processo VAR viene condotto utilizzando un arco a corrente continua (CC) che opera a bassa tensione e alta corrente. Un arco viene inizialmente innescato tra la punta dell'elettrodo consumabile e la base del crogiolo, creando una zona di plasma ad arco ad alta temperatura tra l'elettrodo e il bagno fuso. Questo calore estremo fonde la punta dell'elettrodo. Le inclusioni non metalliche all'interno dell'elettrodo, come ossidi e nitruri, vengono dissociate o ridotte sotto l'effetto combinato del vuoto e dell'alta temperatura, ottenendo un'ulteriore purificazione.

Poiché il processo VAR rimuove efficacemente gas, inclusioni non metalliche e alcune impurità dannose a basso punto di fusione, i materiali risultanti mostrano una lavorabilità a caldo e a freddo, plasticità, proprietà meccaniche e caratteristiche fisiche significativamente migliorate. In particolare, l'anisotropia (differenza tra le proprietà longitudinali e trasversali) è ridotta, il che è fondamentale per garantire la stabilità, la coerenza e l'affidabilità delle prestazioni del materiale.

2. Caratteristiche principali del processo VAR

In sintesi, il forno ad arco a consumo sottovuoto offre i seguenti vantaggi:

(1) Fusione ad alta purezza: il processo avviene sotto vuoto senza scorie o materiali estranei tra l'elettrodo e il lingotto in solidificazione, prevenendo la contaminazione durante la rifusione.

(2) Degasaggio efficace: il metallo fuso è direttamente esposto al vuoto, consentendo un'eccellente rimozione di gas come idrogeno, azoto e ossigeno.

(3) Controllo delle inclusioni: le inclusioni non metalliche, a causa della loro minore densità, tendono a galleggiare sulla parte superiore del bagno fuso, contribuendo a una struttura interna del lingotto molto pura.

(4) Solidificazione rapida: l'uso di un crogiolo di rame raffreddato ad acqua garantisce velocità di raffreddamento molto elevate, portando a una struttura del lingotto uniforme con una segregazione minima.

(5) Flessibilità di legatura: l'ambiente sottovuoto consente l'aggiunta di quantità significative di elementi di lega, facilitando la produzione di acciai legati di alta qualità.

(6) Produttività migliorata: tempi di spillatura brevi contribuiscono a una maggiore produttività delle apparecchiature e a costi di produzione ridotti.

Attualmente, i forni VAR sono disponibili con capacità che vanno da 15 a 200 tonnellate. Processi come il riscaldamento, il degasaggio e la regolazione della lega vengono condotti continuamente sotto vuoto. Il design completamente chiuso, spesso abbinato a pompe per vuoto a eiettore di vapore, fornisce un'operazione di fusione pulita senza inquinamento ambientale. 

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