November 9, 2025
Un arco rappresenta una forma di scarica ad arco di gas, caratterizzata da una tensione estremamente bassa tra gli elettrodi ma da una corrente sostanziale che attraversa il gas. Questo fenomeno genera una luce bianca abbagliante e un calore intenso all'interno della regione dell'arco, raggiungendo temperature intorno ai 5000K. L'elevata densità di corrente deriva dall'emissione di elettroni caldi dal catodo, unita all'emissione spontanea di elettroni. In particolare, uno strato di ioni positivi vicino al catodo stabilisce un potente campo elettrico, spingendo il catodo a emettere elettroni autonomamente. Questi elettroni collidono con le molecole di gas tra gli elettrodi, ionizzandole e producendo ulteriori ioni positivi ed elettroni secondari. Sotto l'influenza del campo elettrico, queste particelle collidono con il catodo e l'anodo, con conseguenti alte temperature. La temperatura del catodo rimane inferiore a quella dell'anodo a causa della spesa energetica nell'emissione di elettroni. Inoltre, alte temperature si verificano anche tra gli elettrodi a causa della ricombinazione esotermica di ioni positivi ed elettroni. I forni ad arco elettrico, che utilizzano questo principio, sono forni industriali impiegati per la fusione dei metalli. Quando operano in un ambiente sottovuoto, vengono definiti forni ad arco sottovuoto.
La fusione ad arco sottovuoto opera in condizioni di alta corrente e bassa tensione, caratteristiche delle operazioni ad arco corto. Tipicamente, la tensione dell'arco varia da 22 a 65 V, con lunghezze d'arco corrispondenti da 20 a 50 mm (quest'ultima per lingotti più grandi). Dall'esperimento di fusione del filo di platino di successo nel 1839, le persone hanno intrapreso oltre un secolo di ricerca sulla fusione di metalli refrattari. Il forno ad arco sottovuoto è stato ufficialmente introdotto nell'uso industriale nel 1953. Entro il 1956, il titanio è stato fuso in forni non consumabili negli Stati Uniti e in diversi paesi europei, mentre l'acciaio è stato fuso in forni consumabili nel 1955. Intorno al 1960, il peso dei lingotti prodotti da forni autoconsumo ha superato le 30 tonnellate, segnando una pietra miliare significativa. Lo sviluppo attuale può essere esemplificato dal forno autoconsumo sottovuoto prodotto dall'azienda americana Consarc. Per migliorare la produttività e l'utilizzo delle apparecchiature, due forni condividono spesso un'alimentazione principale, un sistema sottovuoto e un sistema di controllo automatico.
Durante la formazione e la discesa delle goccioline all'estremità inferiore dell'elettrodo, si verificano specifiche reazioni fisiche e chimiche, facilitando la rimozione di alcune impurità gassose. Il forno ad arco a consumazione sottovuoto è caratterizzato dalla fusione all'interno di un cristallizzatore in rame raffreddato ad acqua, superando lo svantaggio della contaminazione del metallo dovuta alle interazioni con i materiali refrattari. Sotto un intenso raffreddamento ad acqua, l'acciaio fuso si condensa e cristallizza, producendo lingotti d'acciaio con disposizioni uniformi dei grani, senza cavità di ritiro e strutture compatte. Il processo di fusione all'interno di un forno ad arco a consumazione sottovuoto è guidato da un arco a corrente continua (CC) a bassa tensione e alta corrente.
Inizialmente, una zona di plasma ad arco si forma tra l'estremità inferiore dell'elettrodo consumabile e il cristallizzatore, così come tra l'estremità inferiore dell'elettrodo consumabile e il bagno fuso. Questa zona presenta temperature estremamente elevate, causando la fusione per prima della parte estrema dell'elettrodo consumabile. Le inclusioni non metalliche all'interno dell'elettrodo consumabile, come ossidi e composti nitrosi, si disintegrano o vengono rimosse attraverso la riduzione del carbonio in condizioni di vuoto e alta temperatura, ottenendo un'ulteriore purificazione. Data la capacità del forno ad arco a consumazione sottovuoto di eliminare gas e inclusioni non metalliche, insieme ad alcune impurità dannose a basso punto di fusione, le capacità di lavorazione a freddo e a caldo, la plasticità, le proprietà meccaniche e le proprietà fisiche sono significativamente migliorate. Particolarmente degno di nota è il miglioramento della differenza tra le proprietà verticali e orizzontali, che è fondamentale per garantire la stabilità, la coerenza e l'affidabilità delle proprietà dei materiali.
Per produrre fusi di alta qualità, è essenziale un'alimentazione stabile, che richiede un'alimentazione CC con caratteristiche di corrente costante.
In sintesi, i forni ad arco sottovuoto offrono le seguenti caratteristiche:
