Principio di funzionamento della degasazione sottovuoto nei forni ad arco elettrico sottovuoto

Il forno ad arco elettrico sottovuotorappresenta un tipo specializzato di forno industriale progettato per fondere i metalli in condizioni di vuoto. Funzionando secondo il principio della fusione ad arco sottovuoto, utilizza alta corrente e bassa tensione per ottenere un'operazione ad arco corto, essenziale per il suo processo di fusione unico.

Fondamenti della scarica ad arco sottovuoto

Al centro del forno ad arco sottovuoto c'è il fenomeno della scarica ad arco di gas. Questo processo è caratterizzato da una tensione estremamente bassa tra gli elettrodi, ma consente a una corrente relativamente grande di passare attraverso il gas. Di conseguenza, la temperatura all'interno della zona dell'arco sale a circa 5000K. L'elevata densità di corrente osservata in questa configurazione deriva da due fonti principali: emissione termoionica ed autoemissione di elettroni.

Intorno all'elettrodo negativo, si forma uno strato di ioni positivi, creando un forte campo elettrico. Questo campo induce il catodo a emettere automaticamente elettroni, che poi collidono con le molecole di gas tra i due elettrodi, ionizzandole. Questo processo di ionizzazione genera ulteriori ioni positivi ed elettroni secondari. Sotto l'influenza del campo elettrico, queste particelle cariche collidono rispettivamente con il catodo e l'anodo, producendo calore intenso. In particolare, la temperatura del catodo rimane inferiore a quella dell'anodo perché una parte dell'energia viene spesa nell'emissione di elettroni. Inoltre, la ricombinazione di alcuni ioni positivi ed elettroni contribuisce alle alte temperature osservate.

Caratteristiche operative della fusione ad arco sottovuoto

La fusione ad arco sottovuoto è un'operazione ad arco corto che tipicamente prevede una tensione d'arco compresa tra 22 e 65 volt, con una corrispondente lunghezza d'arco di 20-50 millimetri (quest'ultima applicabile per lingotti più grandi). Questa configurazione garantisce una fusione efficiente e controllata all'interno dell'ambiente sottovuoto.

Evoluzione storica e adozione industriale

Il viaggio dei forni ad arco sottovuoto è iniziato con l'esperimento di fusione del filo di platino nel 1839. Tuttavia, ci è voluto più di un secolo prima che i ricercatori si dedicassero alla fusione dei metalli refrattari. Nel 1953, i forni ad arco elettrico sottovuoto erano entrati nella produzione industriale. Fino al 1956, gli Stati Uniti e diversi paesi europei hanno continuato a fondere il titanio in forni non consumabili, mentre il 1955 ha segnato l'inizio della produzione di acciaio utilizzando forni consumabili. Intorno al 1960, il peso dei lingotti di acciaio prodotti da forni consumabili superava le 30 tonnellate, a indicare un progresso significativo. Oggi, i forni consumabili sottovuoto prodotti da aziende come Kangsai esemplificano questa tendenza di sviluppo, con alimentatori principali, sistemi di vuoto e sistemi di controllo automatico condivisi tra due forni per migliorare l'efficienza della produzione e l'utilizzo delle apparecchiature.

Vantaggi del trattamento termico sottovuoto

Il trattamento termico di pezzi o materiali in un ambiente sottovuoto offre numerosi vantaggi. Prolunga la durata di utensili e stampi prevenendo l'ossidazione e la decarburazione, con conseguente finitura superficiale brillante, deformazione minima, risparmio energetico e operazioni prive di inquinamento. Inoltre, il trattamento termico sottovuoto può alterare le proprietà meccaniche e metallurgiche dei materiali, migliorando le loro prestazioni complessive.

Vantaggi dei forni di fusione sottovuoto

I forni di fusione sottovuoto sono impiegati principalmente per la fusione di metalli reattivi e insolubili, leghe dure, materiali magnetici e acciaio inossidabile. Funzionando in condizioni di bassa pressione (decompressione), questi forni offrono diversi vantaggi chiave:

1. Rimozione dei gas: L'ambiente sottovuoto facilita la rimozione dei gas adsorbiti e promuove un significativo ritiro durante le fasi successive della fusione.
2. Purificazione delle impurità: Il vuoto aiuta a eliminare le impurità come silicio, alluminio, magnesio, calcio e i loro ossidi, purificando il materiale.
3. Migliore bagnabilità: Il vuoto migliora la bagnabilità della fusione in fase liquida, favorendo il ritiro durante il processo di fusione e affinando la struttura della lega.
4. Ambiente inerte: Quando altri gas primari o inerti non sono adatti, o quando i materiali sono soggetti a decarburazione e carburazione, un forno di fusione sottovuoto offre una soluzione ideale.
5. Riduzione dell'inquinamento: La fusione sottovuoto riduce al minimo la contaminazione del prodotto da componenti atmosferici dannosi come acqua, ossigeno e azoto. Ad esempio, raggiungere un punto di rugiada di -40°C nell'idrogeno elettrolitico è difficile, mentre la fusione sottovuoto a poche centinaia di Pa raggiunge equivalentemente questo livello di purezza.

In sintesi, i forni ad arco elettrico sottovuoto sfruttano i principi della scarica ad arco sottovuoto per offrire un mezzo sofisticato ed efficiente per la fusione dei metalli, con numerosi vantaggi in termini di qualità dei materiali, efficienza della produzione e impatto ambientale.

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