Il Forno ad Arco Elettrico Sotto Vuoto: Funzionamento in un Ambiente Sotto Vuoto

Un forno ad arco elettrico funziona utilizzando una scarica ad arco all'interno di un mezzo gassoso. Questa scarica ad arco nel gas si distingue per diverse caratteristiche chiave: una bassa tensione tra gli elettrodi, una corrente sostanziale che attraversa il gas, un'emissione di luce bianca brillante e una temperatura dell'arco estremamente alta, che raggiunge circa 5000K. L'immensa densità di corrente osservata in tali scariche deriva da due fonti principali: l'emissione termoionica dal catodo e l'emissione spontanea di elettroni. In particolare, la presenza di uno strato di ioni positivi adiacente al catodo genera un potente campo elettrico, spingendo il catodo a emettere attivamente elettroni.

Quando questi elettroni collidono con le molecole di gas vicino all'elettrodo, le ionizzano, portando alla generazione di una quantità significativa di ioni positivi ed elettroni secondari. Sotto l'influenza del campo elettrico, queste particelle cariche collidono separatamente con il catodo e l'anodo, con conseguente generazione di alte temperature. In particolare, a causa dell'energia spesa nell'emissione di elettroni, il catodo di solito mantiene una temperatura inferiore rispetto all'anodo. Inoltre, alte temperature possono sorgere tra gli elettrodi a causa del rilascio di calore combinato da ioni positivi ed elettroni.

I forni ad arco sotto vuoto sono forni industriali che sfruttano questo principio per la fusione dei metalli. Quando un forno ad arco elettrico opera in un ambiente sotto vuoto, viene definito forno ad arco elettrico sotto vuoto. Il processo di fusione in un forno ad arco sotto vuoto prevede alte correnti e basse tensioni, operando tipicamente con un arco corto. Generalmente, la tensione dell'arco varia da 22 a 65 V, con una lunghezza dell'arco corrispondente di 20-50 mm (quest'ultima applicabile per lingotti di grandi dimensioni).

Dalla fusione riuscita del filo di platino nel 1839, i ricercatori hanno dedicato il secolo successivo all'esplorazione della fusione dei metalli refrattari. Nel 1953, il forno ad arco elettrico sotto vuoto è stato ufficialmente introdotto nelle applicazioni industriali. Fino al 1956, il titanio veniva fuso in forni non consumabili negli Stati Uniti e in gran parte dell'Europa, mentre l'acciaio veniva fuso in forni consumabili a partire dal 1955. Intorno al 1960, il peso dei lingotti di acciaio prodotti da forni autoconsumanti aveva superato le 30 tonnellate, segnando una pietra miliare significativa nello sviluppo di questa tecnologia.

Attualmente, per migliorare l'efficienza della produzione e l'utilizzo delle apparecchiature, entrambi i tipi di forni condividono spesso un'alimentazione principale, un sistema di vuoto e un sistema di controllo attivo comuni. Il trattamento termico sotto vuoto dei pezzi (o dei materiali) offre numerosi vantaggi, tra cui una maggiore durata dei componenti e degli stampi, l'assenza di ossidazione e decarburazione, finiture superficiali lisce, deformazioni minime, risparmio energetico, rispetto per l'ambiente e la capacità di modificare le proprietà meccaniche e metallurgiche.

In sintesi, il forno ad arco elettrico sotto vuoto rappresenta uno strumento industriale sofisticato che sfrutta i principi della scarica ad arco nel gas all'interno di un ambiente sotto vuoto per ottenere processi efficienti e di alta qualità di fusione dei metalli e di trattamento termico.

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