Un horno de arco eléctrico ( EAF ) es un horno que calienta material mediante un arco eléctrico .
Los hornos de arco industriales varían en tamaño desde unidades pequeñas de aproximadamente una tonelada de capacidad (utilizadas en fundiciones para producir productos de hierro fundido ) hasta unidades de aproximadamente 400 toneladas utilizadas para la fabricación secundaria de acero . Los hornos de arco utilizados en los laboratorios de investigación y por los dentistas pueden tener una capacidad de sólo unas pocas docenas de gramos. Las temperaturas de los hornos de arco eléctrico industriales pueden alcanzar los 1.800 °C (3.300 °F), mientras que las unidades de laboratorio pueden superar los 3.000 °C (5.400 °F).
En los hornos de arco eléctrico, el material cargado (el material que ingresa al horno para calentarse, que no debe confundirse con la carga eléctrica ) se expone directamente a un arco eléctrico y la corriente de los terminales del electrodo pasa a través del material cargado. Los hornos de arco se diferencian de los hornos de inducción en que la carga se calienta mediante corrientes parásitas .
En el siglo XIX, varias personas utilizaban un arco eléctrico para fundir hierro . Sir Humphry Davy realizó una demostración experimental en 1810; Pepys investigó la soldadura en 1815; Pinchon intentó crear un horno electrotérmico en 1853; y, en 1878-1879, Sir William Siemens obtuvo patentes para hornos eléctricos de tipo arco.
El primer horno exitoso y operativo fue inventado por James Burgess Readman en Edimburgo , Escocia, en 1888 y patentado en 1889. Esto fue específicamente para la creación de fósforo . [1] [2]
Paul Héroult , de Francia , desarrolló más hornos de arco eléctrico , con una planta comercial establecida en los Estados Unidos en 1907. Los hermanos Sanderson formaron The Sanderson Brothers Steel Co. en Syracuse, Nueva York, instalando el primer horno de arco eléctrico en los EE. UU. Este horno se exhibe ahora en Station Square, Pittsburgh, Pensilvania. [3]
Inicialmente, el "acero eléctrico" producido por un horno de arco eléctrico era un producto especializado para usos como máquinas herramienta y acero para resortes . También se utilizaron hornos de arco para preparar carburo de calcio para su uso en lámparas de carburo . El horno eléctrico Stassano es un horno de arco que normalmente gira para mezclar el baño. El horno Girod es similar al horno Héroult .
Si bien los EAF se utilizaron ampliamente en la Segunda Guerra Mundial para la producción de aceros aleados, no fue hasta más tarde que la fabricación de acero eléctrica comenzó a expandirse. El bajo costo de capital de una miniacería (alrededor de 140 a 200 dólares EE.UU. por tonelada de capacidad instalada anual, en comparación con 1.000 dólares EE.UU. por tonelada de capacidad instalada anual de una acería integrada ) permitió que se establecieran rápidamente acerías en una Europa devastada por la guerra. y también les permitió competir exitosamente con las grandes siderúrgicas estadounidenses , como Bethlehem Steel y US Steel , por "productos largos" de acero al carbono de bajo costo ( acero estructural , varillas y barras, alambre y sujetadores ) en el mercado estadounidense. . [ cita necesaria ]
Cuando Nucor —ahora uno de los mayores productores de acero de Estados Unidos [4] — ingresó al mercado de productos largos de acero en 1969, utilizó una miniacería con un EAF como horno de fabricación de acero, seguida pronto por otros fabricantes. Si bien Nucor se expandió rápidamente en el este de Estados Unidos, las empresas que los siguieron en operaciones de miniacerías se concentraron en los mercados locales para productos largos, donde el EAF permitía a las plantas variar la producción según la demanda local. Este patrón se siguió a nivel mundial: la producción de acero EAF se utilizaba principalmente para productos largos, mientras que las acerías integradas, que utilizaban altos hornos y hornos básicos de oxígeno , acaparaban los mercados de "productos planos": láminas de acero y placas de acero más pesadas. En 1987, Nucor se expandió al mercado de productos planos, todavía utilizando el método de producción EAF. [5]
Un horno de arco eléctrico utilizado para la fabricación de acero consta de un recipiente revestido de material refractario , generalmente enfriado por agua en tamaños más grandes, cubierto con un techo retráctil y a través del cual uno o más electrodos de grafito ingresan al horno. [6] El horno se divide principalmente en tres secciones:
El hogar puede tener forma semiesférica o, en un horno de fondo excéntrico (ver más abajo), el hogar tiene la forma de un huevo partido por la mitad. En las acerías modernas, el horno suele estar elevado del suelo, de modo que las cucharas y los recipientes para escoria se puedan maniobrar fácilmente debajo de cualquiera de los extremos del horno. Separados de la estructura del horno se encuentran el soporte del electrodo y el sistema eléctrico, y la plataforma basculante sobre la que descansa el horno. Son posibles dos configuraciones: los soportes de electrodos y el techo inclinable con el horno, o bien fijados a la plataforma elevada.
Un horno de corriente alterna típico funciona con un suministro eléctrico trifásico y, por lo tanto, tiene tres electrodos. [7] Los electrodos son de sección redonda y, por lo general, están en segmentos con acoplamientos roscados, de modo que a medida que los electrodos se desgastan, se pueden agregar nuevos segmentos. El arco se forma entre el material cargado y el electrodo; la carga se calienta tanto por la corriente que pasa a través de la carga como por la energía radiante liberada por el arco. La temperatura del arco eléctrico alcanza alrededor de 3000 °C (5400 °F), lo que hace que las secciones inferiores de los electrodos brillen de forma incandescente cuando están en funcionamiento. [8] Los electrodos se suben y bajan automáticamente mediante un sistema de posicionamiento, que puede utilizar polipastos eléctricos o cilindros hidráulicos . El sistema de regulación mantiene una entrada de corriente y potencia aproximadamente constante durante la fusión de la carga, aunque la chatarra pueda moverse debajo de los electrodos a medida que se funde. Los brazos del mástil que sostienen los electrodos pueden llevar barras colectoras pesadas (que pueden ser tubos de cobre huecos refrigerados por agua que transportan corriente a las abrazaderas de los electrodos) o ser "brazos calientes", donde todo el brazo transporta la corriente, lo que aumenta la eficiencia. Los brazos calientes pueden estar fabricados de acero revestido de cobre o de aluminio . Grandes cables refrigerados por agua conectan los tubos o brazos del bus con el transformador ubicado junto al horno. El transformador está instalado en una bóveda y se enfría mediante aceite de transformador circulado por bomba, mientras que el aceite se enfría con agua a través de intercambiadores de calor. [6]
El horno está construido sobre una plataforma basculante para que el acero líquido pueda verterse en otro recipiente para su transporte. La operación de inclinar el horno para verter acero fundido se llama "roscado". Originalmente, todos los hornos de fabricación de acero tenían un grifo cerrado con material refractario que se lavaba cuando se inclinaba el horno, pero a menudo los hornos modernos tienen un orificio inferior excéntrico (EBT) para reducir la inclusión de nitrógeno y escoria en el acero líquido. Estos hornos tienen un orificio para grifo que pasa verticalmente a través del hogar y la cáscara, y está descentrado en la "nariz" estrecha del hogar en forma de huevo. Se rellena con arena refractaria, como el olivino , cuando se cierra. Las plantas modernas pueden tener dos conchas con un único juego de electrodos que pueden transferirse entre las dos; una carcasa precalienta la chatarra mientras que la otra se utiliza para fundirla. Otros hornos de corriente continua tienen una disposición similar, pero tienen electrodos para cada carcasa y un conjunto de componentes electrónicos.
Los hornos de CA generalmente exhiben un patrón de puntos fríos y calientes alrededor del perímetro del hogar, con los puntos fríos ubicados entre los electrodos. Los hornos modernos montan quemadores de combustible de oxígeno en las paredes laterales y los utilizan para proporcionar energía química a los puntos fríos, haciendo que el calentamiento del acero sea más uniforme. Se proporciona energía química adicional inyectando oxígeno y carbono en el horno; Históricamente, esto se hacía a través de lanzas ( tubos huecos de acero dulce [9] ) en la puerta de escoria, pero ahora se hace principalmente a través de unidades de inyección montadas en la pared que combinan los quemadores de oxígeno-combustible y los sistemas de inyección de oxígeno o carbono en una sola unidad. .
Un horno de fabricación de acero moderno de tamaño mediano tendría un transformador de aproximadamente 60.000.000 de voltios amperios (60 MVA), con un voltaje secundario entre 400 y 900 voltios y una corriente secundaria superior a 44.000 amperios. En un taller moderno, se esperaría que un horno de este tipo produjera una cantidad de 80 toneladas de acero líquido en aproximadamente 50 minutos, desde la carga con chatarra fría hasta la extracción del horno. En comparación, los hornos de oxígeno básicos pueden tener una capacidad de 150 a 300 toneladas por lote, o "calor", y pueden producir calor en 30 a 40 minutos. Existen enormes variaciones en los detalles del diseño y el funcionamiento de los hornos, según el producto final y las condiciones locales, así como investigaciones en curso para mejorar la eficiencia de los hornos. El horno de chatarra más grande (en términos de peso de extracción y clasificación del transformador) es un horno de CC operado por Tokyo Steel en Japón, con un peso de extracción de 420 toneladas y alimentado por ocho transformadores de 32 MVA para una potencia total de 256 MVA.
Para producir una tonelada de acero en un horno de arco eléctrico se requieren aproximadamente 400 kilovatios-hora (1,44 gigajulios ) por tonelada corta o unos 440 kWh (1,6 GJ) por tonelada . La cantidad mínima teórica de energía necesaria para fundir una tonelada de chatarra de acero es 300 kWh (1,09 GJ) (punto de fusión 1520 °C (2768 °F)). Por lo tanto, un EAF de 300 toneladas y 300 MVA requerirá aproximadamente 132 MWh de energía para fundir el acero y un "tiempo de encendido" (el tiempo que el acero se funde con un arco) de aproximadamente 37 minutos. [10]
La fabricación de acero por arco eléctrico sólo es económica cuando hay electricidad abundante y fiable, con una red eléctrica bien desarrollada. En muchos lugares, las fábricas funcionan durante las horas de menor actividad, cuando las empresas de servicios públicos tienen un excedente de capacidad de generación de energía y el precio de la electricidad es menor. Esto se compara muy favorablemente con el consumo de energía de la producción mundial de acero por todos los métodos estimado en unos 5.555 kWh (20 GJ) por tonelada [11] (1 gigajulio equivale aproximadamente a 270 kWh).
La chatarra se entrega a un depósito de chatarra situado junto a la acería. La chatarra generalmente viene en dos grados principales: triturada ( electrodomésticos , automóviles y otros objetos hechos de acero similar de calibre liviano) y fundida pesada (losas y vigas grandes), junto con algo de hierro de reducción directa (DRI) o arrabio para el equilibrio químico. Algunos hornos funden casi el 100% de DRI.
La chatarra se carga en grandes cubos llamados cestas, con puertas en forma de concha como base. Se tiene cuidado de colocar la chatarra en capas en la cesta para asegurar el buen funcionamiento del horno; El derretimiento pesado se coloca encima de una capa ligera de trituración protectora, encima de la cual se coloca más trituración. Estas capas deberían estar presentes en el horno después de la carga. Después de la carga, la cesta puede pasar a un precalentador de chatarra, que utiliza gases calientes del horno para calentar la chatarra y recuperar energía, lo que aumenta la eficiencia de la planta.
Luego, la cesta de chatarra se lleva a la acería, se retira el techo del horno y el horno se carga con la chatarra de la cesta. La carga es una de las operaciones más peligrosas para los operadores de EAF. Las toneladas de metal que caen liberan mucha energía potencial ; Cualquier metal líquido en el horno a menudo es desplazado hacia arriba y hacia afuera por la chatarra sólida, y la grasa y el polvo de la chatarra se encienden si el horno está caliente, lo que provoca la erupción de una bola de fuego.
En algunos hornos de doble casco, la chatarra se carga en el segundo casco mientras se funde el primero y se precalienta con los gases de escape del casco activo. Otras operaciones son la carga continua: precalentar la chatarra en una cinta transportadora, que luego descarga la chatarra en el horno propiamente dicho, o cargar la chatarra desde un pozo colocado encima del horno, con los gases residuales dirigidos a través del pozo. Otros hornos se pueden cargar con metal caliente (fundido) procedente de otras operaciones.
Después de la carga, el techo se vuelve a girar sobre el horno y comienza la fusión. Los electrodos se bajan sobre la chatarra, se genera un arco y luego se colocan los electrodos para perforar la capa de trituración en la parte superior del horno. Se seleccionan voltajes más bajos para esta primera parte de la operación para proteger el techo y las paredes del calor excesivo y los daños causados por los arcos. Una vez que los electrodos han alcanzado la masa fundida pesada en la base del horno y los arcos están protegidos por la chatarra, se puede aumentar el voltaje y elevar ligeramente los electrodos, alargando los arcos y aumentando la potencia de la masa fundida. Esto permite que se forme un charco fundido más rápidamente, lo que reduce los tiempos entre grifos. Se inyecta oxígeno en la chatarra, quemando o cortando el acero, y quemadores de oxígeno y combustible montados en la pared proporcionan calor químico adicional. Ambos procesos aceleran la fusión de la chatarra. Las boquillas supersónicas permiten que los chorros de oxígeno penetren en la escoria espumosa y lleguen al baño líquido.
Una parte importante de la fabricación de acero es la formación de escoria , que flota en la superficie del acero fundido. La escoria suele estar formada por óxidos metálicos y actúa como destino de las impurezas oxidadas, como manta térmica (deteniendo la pérdida excesiva de calor) y ayudando a reducir la erosión del revestimiento refractario . Para un horno con refractarios básicos , que incluye la mayoría de los hornos de producción de acero al carbono , los formadores de escoria habituales son el óxido de calcio (CaO, en forma de cal quemada ) y el óxido de magnesio (MgO, en forma de dolomita y magnesita ).
Estos formadores de escoria se cargan con la chatarra o se introducen en el horno durante la fusión. Otro componente importante de la escoria EAF es el óxido de hierro del acero que se quema con el oxígeno inyectado. Más adelante en el calor, se inyecta carbono (en forma de coque o carbón ) en esta capa de escoria, reaccionando con el óxido de hierro para formar hierro metálico y gas monóxido de carbono , lo que luego hace que la escoria forme espuma , lo que permite una mayor eficiencia térmica , y Mejor estabilidad del arco y eficiencia eléctrica . La manta de escoria también cubre los arcos, evitando daños al techo del horno y a las paredes laterales debido al calor radiante.
Una vez que se ha fundido la carga inicial de chatarra, se puede cargar otro cubo de chatarra en el horno, aunque el desarrollo del EAF está avanzando hacia diseños de carga única. El proceso de carga de chatarra y fusión se puede repetir tantas veces como sea necesario para alcanzar el peso térmico requerido; el número de cargas depende de la densidad de la chatarra; la chatarra de menor densidad significa más cargos. Después de que todas las cargas de chatarra se hayan derretido por completo, se llevan a cabo operaciones de refinación para verificar y corregir la química del acero y sobrecalentar la masa fundida por encima de su temperatura de congelación en preparación para la extracción.
Se introducen más formadores de escoria y se sopla más oxígeno al baño, quemando impurezas como silicio , azufre , fósforo , aluminio , manganeso y calcio , y eliminando sus óxidos a la escoria. La eliminación del carbono se produce después de que estos elementos se hayan quemado primero, ya que tienen una mayor afinidad por el oxígeno. Los metales que tienen una menor afinidad por el oxígeno que el hierro, como el níquel y el cobre , no pueden eliminarse mediante oxidación y deben controlarse únicamente mediante la química de la chatarra, como la introducción del hierro de reducción directa y el arrabio mencionados anteriormente.
Se mantiene una escoria espumosa en todo momento y, a menudo, desborda el horno para verterse por la puerta de escoria hacia el pozo de escoria. El muestreo de temperatura y el muestreo químico se realizan mediante lanzas automáticas. El oxígeno y el carbono se pueden medir automáticamente mediante sondas especiales que se sumergen en el acero, pero para todos los demás elementos, se analiza una muestra "enfriada" (una muestra pequeña y solidificada del acero) en un espectrómetro de emisión de arco .
Una vez que la temperatura y la química son correctas, el acero se introduce en una cuchara precalentada inclinando el horno. Para los hornos de acero al carbono, tan pronto como se detecta escoria durante la extracción, el horno se inclina rápidamente hacia el lado de desescoria, minimizando el arrastre de escoria hacia la cuchara. Para algunos grados de acero especiales, incluido el acero inoxidable, la escoria también se vierte en la cuchara para ser tratada en el horno de cuchara para recuperar valiosos elementos de aleación. Durante la extracción, se introducen algunas adiciones de aleación en la corriente de metal y se agregan más fundentes, como cal, en la parte superior de la cuchara para comenzar a formar una nueva capa de escoria.
A menudo, se dejan unas pocas toneladas de acero líquido y escoria en el horno para formar un "talón caliente", que ayuda a precalentar la siguiente carga de chatarra y acelerar su fusión. Durante y después del roscado, se "da la vuelta" al horno: se limpia la puerta de escoria de escoria solidificada, se inspeccionan los refractarios visibles y se comprueban los componentes enfriados por agua para detectar fugas, y se inspeccionan los electrodos para detectar daños o alargamientos mediante la adición de nuevos segmentos. . El orificio del grifo se llena con arena al finalizar el grifo. Para un horno de potencia media de 90 toneladas, todo el proceso suele tardar entre 60 y 70 minutos desde que se conecta un calor hasta que se conecta el siguiente (el tiempo de grifo a grifo).
El horno se vacía completamente de acero y escoria de forma regular para poder realizar una inspección de los refractarios y realizar reparaciones mayores si fuera necesario. Como los refractarios suelen estar hechos de carbonatos calcinados , son extremadamente susceptibles a la hidratación del agua, por lo que cualquier sospecha de fuga de componentes refrigerados por agua se trata con extrema seriedad, más allá de la preocupación inmediata de posibles explosiones de vapor . El desgaste excesivo del refractario puede provocar roturas, donde el metal líquido y la escoria penetran el refractario y la carcasa del horno y escapan a las áreas circundantes.
El uso de EAF permite fabricar acero a partir de una materia prima 100 % chatarra. Esto reduce en gran medida la energía necesaria para fabricar acero en comparación con la fabricación primaria de acero a partir de minerales.
Otro beneficio es la flexibilidad: si bien los altos hornos no pueden variar mucho su producción y pueden permanecer en funcionamiento durante años, los EAF pueden iniciarse y detenerse rápidamente, lo que permite a la acería variar la producción según la demanda.
Aunque los hornos de arco para la fabricación de acero generalmente utilizan chatarra de acero como materia prima principal, si se dispone económicamente de metal caliente de un alto horno o de hierro de reducción directa, estos también se pueden utilizar como alimentación del horno.
Como los EAF requieren grandes cantidades de energía eléctrica, muchas empresas programan sus operaciones para aprovechar los precios de la electricidad en horas valle .
Un horno de arco típico para la producción de acero es la fuente de acero para una miniacería, que puede fabricar barras o productos en tiras. Las miniacerías pueden ubicarse relativamente cerca de los mercados de productos de acero, por lo que los requisitos de transporte son menores que los de una fábrica integrada, que normalmente estaría ubicada cerca de un puerto para tener un mejor acceso al transporte marítimo.
La fabricación de acero en hornos de arco eléctrico genera menores emisiones de dióxido de carbono, alrededor de 0,6 toneladas de CO 2 por tonelada de acero producida, lo que es significativamente menor que la ruta de producción convencional a través de altos hornos y hornos básicos de oxígeno. [12]
Aunque el moderno horno de arco eléctrico es un reciclador muy eficiente de chatarra de acero , el funcionamiento de un horno de arco puede tener efectos ambientales adversos. Gran parte del coste de capital de una nueva instalación se dedicará a sistemas destinados a reducir estos efectos, que incluyen:
Dado que en la fabricación de acero EAF se utilizan principalmente materiales reciclados como chatarra de hierro y chatarra de acero, como su composición varía, la escoria y el polvo de EAF resultantes pueden ser tóxicos. El polvo de los EAF se recoge mediante equipos de control de la contaminación del aire. Se denomina polvo recogido y suele contener metales pesados, como zinc, plomo, dioxinas, etc. Está catalogado como residuo industrial peligroso y su eliminación está regulada. [13]
Debido a la calidad muy dinámica de la carga del horno de arco, los sistemas de energía pueden requerir medidas técnicas para mantener la calidad de la energía para otros clientes; El parpadeo y la distorsión armónica son efectos secundarios comunes del sistema de energía durante el funcionamiento del horno de arco.
Para la fabricación de acero se utilizan hornos de arco de corriente continua (CC), con un solo electrodo en el techo y la corriente regresa a través de un revestimiento inferior conductor o pasadores conductores en la base. La ventaja de la CC es un menor consumo de electrodos por tonelada de acero producida, ya que se utiliza un solo electrodo, además de menos armónicos eléctricos y otros problemas similares. El tamaño de los hornos de arco de CC está limitado por la capacidad de carga de corriente de los electrodos disponibles y el voltaje máximo permitido. El mantenimiento de la solera conductiva del horno es un cuello de botella en el funcionamiento prolongado de un horno de arco de CC.
En una planta siderúrgica, se utiliza un horno cuchara (LF) para mantener la temperatura del acero líquido durante el procesamiento después de extraerlo del EAF o para cambiar la composición de la aleación. La cuchara se utiliza para el primer propósito cuando hay un retraso posterior en el proceso de fabricación del acero. El horno cuchara consta de un techo refractario, un sistema de calefacción y, cuando corresponda, un dispositivo para inyectar gas argón en el fondo de la masa fundida para agitarla. A diferencia de un horno de fusión de chatarra, un horno cuchara no tiene mecanismo de inclinación ni de carga de chatarra. [ cita necesaria ]
Los hornos de arco eléctrico también se utilizan para la producción de carburo de calcio , ferroaleaciones y otras aleaciones no ferrosas , y para la producción de fósforo . Los hornos para estos servicios son físicamente diferentes de los hornos de fabricación de acero y pueden funcionar de forma continua, en lugar de por lotes. Los hornos de proceso continuo también pueden utilizar electrodos Søderberg de tipo pasta para evitar interrupciones por cambios de electrodos. [14]
Un horno de este tipo se conoce como horno de arco sumergido porque las puntas de los electrodos están enterradas en la escoria/carga y se produce un arco a través de la escoria, entre la mata y el electrodo. La carcasa y las aletas de la carcasa del electrodo funden la pasta del electrodo mediante la corriente eléctrica que pasa a través de la carcasa del electrodo y el calor del horno. [14] En comparación, un horno de arco para la fabricación de acero produce un arco al aire libre. La clave es la resistencia eléctrica , que es la que genera el calor necesario: la resistencia en un horno de acería es la atmósfera, mientras que en un horno de arco sumergido, la escoria (o carga) suministra la resistencia. El metal líquido formado en cualquiera de los hornos es demasiado conductor para formar una resistencia eficaz que genere calor.
Los aficionados han construido una variedad de hornos de arco, a menudo basados en kits de soldadura por arco eléctrico contenidos en bloques de sílice o macetas. Aunque toscos, estos hornos simples pueden fundir una amplia gama de materiales, crear carburo de calcio y más.
Los hornos de arco más pequeños pueden enfriarse adecuadamente mediante la circulación de aire sobre los elementos estructurales de la carcasa y el techo, pero las instalaciones más grandes requieren un enfriamiento forzado intensivo para mantener la estructura dentro de límites operativos seguros. La carcasa y el techo del horno se pueden enfriar mediante agua que circula a través de tuberías que forman un panel, o mediante agua pulverizada sobre los elementos del panel. Los paneles tubulares podrán ser reemplazados cuando se agrieten o alcancen su ciclo de vida de estrés térmico.
El enfriamiento por aspersión es el método de enfriamiento más económico y de mayor eficiencia. Un equipo de refrigeración por aspersión se puede revestir casi infinitamente. Los equipos que duran 20 años son la norma. [ cita necesaria ] Si bien una fuga tubular se nota inmediatamente en un horno en funcionamiento debido a las alarmas de pérdida de presión en los paneles, en este momento no existe una forma inmediata de detectar una fuga de enfriamiento por aspersión de volumen muy pequeño. Por lo general, estos se esconden detrás de una cobertura de escoria y pueden hidratar el refractario en el hogar, lo que provoca una rotura del metal fundido o, en el peor de los casos, una explosión de vapor. [15]
Un horno de arco de plasma (PAF) utiliza antorchas de plasma en lugar de electrodos de grafito. Cada uno de estos sopletes tiene una carcasa con una boquilla y un tubo axial para alimentar un gas formador de plasma (nitrógeno o argón) y un electrodo de grafito cilíndrico quemable dentro del tubo. Estos hornos pueden denominarse hornos "PAM" (Plasma Arc Melt); se utilizan ampliamente en la industria de fundición de titanio y en industrias de metales especializados similares. [dieciséis]
La refundición por arco al vacío (VAR) es un proceso de refundición secundario para el refinado al vacío y la fabricación de lingotes con una homogeneidad química y mecánica mejorada.
En aplicaciones aeroespaciales militares y comerciales críticas, los ingenieros de materiales suelen especificar aceros VIM-VAR. VIM significa fusión por inducción al vacío y VAR significa refundición por arco al vacío. Los aceros VIM-VAR se convierten en cojinetes para motores a reacción, ejes de rotores para helicópteros militares, actuadores de flaps para aviones de combate, engranajes en transmisiones de aviones o helicópteros, soportes o sujetadores para motores a reacción, ganchos de cola para aviones y otras aplicaciones exigentes.
La mayoría de los grados de acero se funden una vez y luego se funden o se funden hasta obtener una forma sólida antes de forjarlos o laminarlos hasta obtener una forma metalúrgicamente sólida. Por el contrario, los aceros VIM-VAR pasan por otras dos fundiciones altamente purificantes al vacío. Después de fundirse en un horno de arco eléctrico y alearse en un recipiente de descarburación con oxígeno y argón, los aceros destinados a la refundición al vacío se colan en lingoteras. Los lingotes solidificados se dirigen luego a un horno de fusión por inducción al vacío. Este proceso de refundición al vacío libera el acero de inclusiones y gases no deseados al tiempo que optimiza la composición química.
La operación VIM devuelve estos lingotes sólidos al estado fundido en el vacío libre de contaminantes. Esta fusión estrictamente controlada a menudo requiere hasta 24 horas. Aún envuelto por el vacío, el metal caliente fluye desde el crisol del horno VIM hacia moldes de electrodos gigantes. Un electrodo típico mide aproximadamente 15 pies (5 m) de alto y tendrá varios diámetros. Los electrodos se solidifican al vacío.
Para los aceros VIM-VAR, la superficie de los electrodos enfriados se debe rectificar para eliminar las irregularidades y las impurezas de la superficie antes de la siguiente refundición al vacío. Luego el electrodo de tierra se coloca en un horno VAR. En un horno VAR, el acero se funde gradualmente gota a gota en la cámara sellada al vacío. La refundición por arco al vacío elimina aún más las inclusiones persistentes para proporcionar una limpieza superior del acero y eliminar gases como oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Controlar la velocidad a la que se forman y solidifican estas gotas garantiza una consistencia química y microestructura en todo el lingote VIM-VAR, lo que hace que el acero sea más resistente a la fractura o la fatiga. Este proceso de refinamiento es esencial para cumplir con las características de rendimiento de piezas como el eje del rotor de un helicóptero, un actuador de flaps en un avión militar o un cojinete en un motor a reacción.
Para algunas aplicaciones comerciales o militares, las aleaciones de acero pueden pasar por una sola refundición al vacío, concretamente el VAR. Por ejemplo, los aceros para carcasas sólidas de cohetes, trenes de aterrizaje o barras de torsión para vehículos de combate suelen implicar una refundición al vacío.
La refundición por arco al vacío también se utiliza en la producción de titanio y otros metales que son reactivos o en los que se requiere alta pureza.
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