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Un horno de arco eléctrico ( EAF ) es un horno que calienta material por medio de un arco eléctrico .
Los hornos de arco industriales varían en tamaño desde pequeñas unidades 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 laboratorios de investigación y por dentistas pueden tener una capacidad de solo unas pocas docenas de gramos. Las temperaturas de los hornos de arco eléctricos 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 de carga (el material que se introduce en el horno para calentarlo, que no debe confundirse con la carga eléctrica ) se expone directamente a un arco eléctrico y la corriente procedente de los terminales de los electrodos pasa a través del material de carga. 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 habían empleado 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 1878-79, 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 otros hornos de arco eléctrico y estableció una planta comercial en los Estados Unidos en 1907. Los hermanos Sanderson formaron The Sanderson Brothers Steel Co. en Syracuse, Nueva York, e instalaron el primer horno de arco eléctrico en los EE. UU. Este horno ahora se exhibe en Station Square, Pittsburgh, Pensilvania. [3]
Inicialmente, el "acero eléctrico" producido mediante un horno de arco eléctrico era un producto especial para usos como máquinas herramienta y acero para resortes . Los hornos de arco también se utilizaban 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 .
Aunque los hornos de arco eléctrico se utilizaron ampliamente en la Segunda Guerra Mundial para la producción de aceros aleados, fue más tarde cuando la fabricación de acero eléctrico comenzó a expandirse. El bajo costo de capital para una miniacería —alrededor de 140 a 200 dólares estadounidenses por tonelada de capacidad instalada anual, en comparación con los 1.000 dólares estadounidenses por tonelada de capacidad instalada anual para una acería integrada— permitió que las acerías se establecieran rápidamente en la Europa devastada por la guerra, y también les permitió competir con éxito con los grandes fabricantes de acero de los Estados Unidos , como Bethlehem Steel y US Steel , por "productos largos" de acero al carbono de bajo costo ( acero estructural , varillas y barras, alambres y sujetadores ) en el mercado estadounidense. [ cita requerida ]
Cuando Nucor —ahora uno de los mayores productores de acero de los EE. UU. [4] — entró en el mercado de productos de acero largos en 1969, utilizó una miniacería con un horno de arco eléctrico como horno de fabricación de acero, seguida pronto por otros fabricantes. Mientras Nucor se expandió rápidamente en el este de los EE. UU., las empresas que la siguieron en las operaciones de miniacería se concentraron en los mercados locales de productos largos, donde el horno de arco eléctrico permitió a las plantas variar la producción según la demanda local. Este patrón se siguió a nivel mundial, con la producción de acero con horno de arco eléctrico utilizada principalmente para productos largos, mientras que las plantas integradas, que utilizaban altos hornos y hornos de oxígeno básico , acapararon los mercados de "productos planos": chapa de acero y placas de acero más pesadas. En 1987, Nucor se expandió al mercado de productos planos, utilizando todavía el método de producción de horno de arco eléctrico. [5]
Un horno de arco eléctrico utilizado para la fabricación de acero consta de un recipiente revestido de material refractario , generalmente refrigerado por agua en los tamaños más grandes, cubierto con un techo retráctil y a través del cual ingresan al horno uno o más electrodos de grafito. [6] El horno se divide principalmente en tres secciones:
El hogar puede tener forma hemisférica o, en el caso de un horno de colada de fondo excéntrico (véase más abajo), la forma del hogar es la de un huevo partido por la mitad. En las acerías modernas, el horno suele estar elevado respecto del suelo, de modo que las cucharas y los recipientes de escoria se pueden colocar fácilmente debajo de cada extremo del horno. Aparte de la estructura del horno se encuentran el soporte de los electrodos y el sistema eléctrico, y la plataforma basculante sobre la que reposa el horno. Son posibles dos configuraciones: los soportes de los electrodos y el techo se inclinan con el horno o se fijan a la plataforma elevada.
Un horno de corriente alterna típico se alimenta mediante una fuente de alimentación eléctrica trifásica y, por lo tanto, tiene tres electrodos. [7] Los electrodos tienen una sección redonda y, por lo general, están dispuestos 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 desarrollada 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 elevan 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 puede 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 huecos de cobre refrigerados por agua que llevan corriente a las pinzas de los electrodos) o ser "brazos calientes", donde todo el brazo lleva la corriente, lo que aumenta la eficiencia. Los brazos calientes pueden estar hechos de acero revestido de cobre o aluminio . Grandes cables refrigerados por agua conectan los tubos o brazos colectores con el transformador ubicado junto al horno. El transformador está instalado en una bóveda y se enfría con aceite de transformador circulado por bomba, y 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 el acero fundido se llama "colado". Originalmente, todos los hornos de fabricación de acero tenían un caño de colado cerrado con refractario que se lavaba cuando se inclinaba el horno, pero a menudo los hornos modernos tienen un orificio de colada inferior excéntrico (EBT) para reducir la inclusión de nitrógeno y escoria en el acero líquido. Estos hornos tienen un orificio de colada que pasa verticalmente a través del hogar y la carcasa, y está descentrado en la "nariz" estrecha del hogar en forma de huevo. Se llena con arena refractaria, como olivino , cuando está cerrado. Las plantas modernas pueden tener dos carcasas con un solo juego de electrodos que se pueden transferir entre las dos; una carcasa precalienta la chatarra mientras que la otra carcasa se utiliza para la fusión. Otros hornos basados en CC tienen una disposición similar, pero tienen electrodos para cada carcasa y un juego de componentes electrónicos.
Los hornos de CA suelen presentar un patrón de puntos calientes y fríos alrededor del perímetro del hogar, con los puntos fríos ubicados entre los electrodos. Los hornos modernos montan quemadores de oxígeno-combustible en la pared lateral y los utilizan para proporcionar energía química a los puntos fríos, lo que hace 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 esto 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 medio tendría un transformador con una potencia nominal de unos 60.000.000 voltamperios (60 MVA), con una tensión secundaria de entre 400 y 900 voltios y una corriente secundaria superior a los 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 entrada en el horno. En comparación, los hornos de oxígeno básico pueden tener una capacidad de 150 a 300 toneladas por lote, o "calado", y pueden producir un calor en 30 a 40 minutos. Existen enormes variaciones en los detalles de diseño y funcionamiento del horno, dependiendo del producto final y las condiciones locales, así como de la investigación en curso para mejorar la eficiencia del horno. El horno de chatarra más grande (en términos de peso de toma y capacidad del transformador) es un horno de CC operado por Tokyo Steel en Japón, con un peso de toma 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 necesitan 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 de 300 kWh (1,09 GJ) (punto de fusión 1.520 °C (2.768 °F)). Por lo tanto, un horno de arco eléctrico de 300 toneladas y 300 MVA necesitará 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 con arco eléctrico sólo es rentable cuando hay electricidad abundante y fiable, con una red eléctrica bien desarrollada. En muchos lugares, las plantas funcionan fuera de las horas punta, cuando las empresas de servicios públicos tienen capacidad de generación de energía excedente 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 en un depósito de chatarra, ubicado junto a la fundición. La chatarra generalmente se presenta en dos tipos principales: chatarra triturada ( electrodomésticos , automóviles y otros objetos hechos de acero de calibre ligero similar) y chatarra pesada (grandes losas y vigas), 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 baldes llamados cestas, con puertas tipo "almeja" como base. Se tiene cuidado de colocar la chatarra en capas en la cesta para asegurar un buen funcionamiento del horno; la masa fundida pesada se coloca sobre una capa ligera de material triturado protector, sobre la cual se coloca más material triturado. Estas capas deben estar presentes en el horno después de la carga. Después de la carga, la cesta puede pasar a un precalentador de chatarra, que utiliza los gases de escape 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 fundición, se baja el techo del horno y se carga el horno con chatarra de la cesta. La carga es una de las operaciones más peligrosas para los operadores del horno de arco eléctrico. Las toneladas de metal que caen liberan mucha energía potencial ; cualquier metal líquido que se encuentre en el horno suele ser 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 carcasa, la chatarra se carga en la segunda carcasa mientras se funde la primera y se precalienta con los gases de escape de la carcasa activa. Otras operaciones son la carga continua (precalentando la chatarra en una cinta transportadora, que luego la descarga en el horno propiamente dicho) o la carga de la chatarra desde un eje situado encima del horno, con los gases de escape dirigidos a través del eje. Otros hornos pueden cargarse con metal caliente (fundido) de otras operaciones.
Después de la carga, el techo se vuelve a colocar sobre el horno y comienza la fusión. Los electrodos se bajan sobre la chatarra, se enciende un arco y luego se colocan los electrodos para que perforen la capa de chatarra 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 el daño de 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 baño de fusión más rápidamente, reduciendo los tiempos de colada a colada. Se inyecta oxígeno en la chatarra, que quema o corta el acero, y se proporciona calor químico adicional mediante quemadores de oxígeno-combustible montados en la pared. Ambos procesos aceleran la fusión de la chatarra. Las boquillas supersónicas permiten que los chorros de oxígeno penetren en la escoria espumosa y alcancen el 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 . En 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 inyectan en el horno durante la fusión. Otro componente importante de la escoria del horno de arco eléctrico es el óxido de hierro del acero que se quema con el oxígeno inyectado. Más tarde, en el calor, se inyecta carbono (en forma de coque o carbón ) en esta capa de escoria, que reacciona con el óxido de hierro para formar hierro metálico y gas de monóxido de carbono , que luego hace que la escoria forme espuma , lo que permite una mayor eficiencia térmica y una mejor estabilidad del arco y eficiencia eléctrica . La manta de escoria también cubre los arcos, lo que evita que el calor radiante dañe el techo y las paredes laterales del horno.
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 horno de arco eléctrico 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; la cantidad de cargas depende de la densidad de la chatarra; una chatarra de menor densidad significa más cargas. Una vez que todas las cargas de chatarra se han fundido 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 colada.
Se introducen más formadores de escoria y se inyecta más oxígeno en el baño, lo que quema impurezas como silicio , azufre , fósforo , aluminio , manganeso y calcio , y elimina sus óxidos en la escoria. La eliminación del carbono se lleva a cabo 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 se pueden eliminar mediante oxidación y deben controlarse únicamente mediante la química de la chatarra, como la introducción del hierro y el arrabio de reducción directa mencionados anteriormente.
Durante todo el proceso se mantiene una escoria espumosa que, a menudo, rebosa el horno y se vierte por la compuerta 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 "fría" (una pequeña muestra solidificada del acero) en un espectrómetro de emisión de arco .
Una vez que la temperatura y la química son correctas, el acero se extrae en una cuchara precalentada inclinando el horno. En el caso de los hornos de acero al carbono simple, en cuanto se detecta escoria durante el sangrado, el horno se inclina rápidamente hacia el lado de desescoriado, lo que minimiza el arrastre de escoria a la cuchara. En el caso de 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 y recuperar elementos de aleación valiosos. Durante el sangrado, se introducen algunas adiciones de aleación en la corriente de metal y se añaden 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 cuantas 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 de la colada, se "da la vuelta" al horno: se limpia la puerta de escoria de escoria solidificada, se inspeccionan los refractarios visibles y se comprueba si los componentes refrigerados por agua tienen fugas, y se inspeccionan los electrodos para comprobar si están dañados o se han alargado mediante la adición de nuevos segmentos. El orificio de colada se rellena con arena al finalizar la colada. En un horno de potencia media de 90 toneladas, el proceso completo suele durar unos 60-70 minutos desde la colada de una colada hasta la de la siguiente (el tiempo de colada a colada).
El horno se vacía por completo de acero y escoria periódicamente para poder realizar una inspección de los refractarios y realizar reparaciones mayores si es necesario. Como los refractarios suelen estar hechos de carbonatos calcinados , son extremadamente susceptibles a la hidratación por el agua, por lo que cualquier sospecha de fuga de componentes enfriados 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 fugas, donde el metal líquido y la escoria penetran el refractario y la carcasa del horno y se escapan a las áreas circundantes.
El uso de hornos de arco eléctrico permite fabricar acero a partir de chatarra de metal al 100 %, lo que reduce considerablemente la energía necesaria para fabricar acero en comparación con la fabricación de acero primario a partir de minerales.
Otro beneficio es la flexibilidad: mientras que los altos hornos no pueden variar mucho su producción y pueden permanecer en funcionamiento durante años, los hornos de arco eléctrico pueden ponerse en marcha 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 de metal caliente de un alto horno o hierro de reducción directa de manera económica, 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 electricidad fuera de horas pico .
Un horno de arco típico para la fabricación de acero es la fuente de acero para una miniacería, que puede fabricar barras o tiras. Las miniacerías pueden ubicarse relativamente cerca de los mercados de productos de acero, por lo que los requisitos de transporte son menores que para una acería integrada, que normalmente se ubicaría cerca de un puerto para un mejor acceso al transporte marítimo.
Dependiendo de las proporciones de chatarra de acero, DRI y arrabio utilizadas, la fabricación de acero en horno de arco eléctrico puede dar como resultado emisiones de dióxido de carbono tan bajas como 0,6 toneladas de CO2 por tonelada de acero producido, [12] lo que es significativamente menor que la ruta de producción convencional a través de altos hornos y el horno de oxígeno básico, que produce 2,9 toneladas de CO2 por tonelada de acero producido. [13]
Aunque el horno de arco eléctrico moderno es un reciclador de chatarra de acero muy eficiente , el funcionamiento de un taller de horno de arco puede tener efectos ambientales adversos. Gran parte del costo de capital de una nueva instalación se destinará a sistemas destinados a reducir estos efectos, que incluyen:
Dado que la fabricación de acero con horno de arco eléctrico utiliza principalmente materiales reciclados, como chatarra de hierro y de acero, debido a que su composición varía, la escoria y el polvo resultantes pueden ser tóxicos. El polvo del horno de arco eléctrico se recoge mediante equipos de control de la contaminación del aire. Se denomina polvo recogido y, por lo general, contiene metales pesados, como zinc, plomo y dioxinas, etc. Se clasifica como residuo industrial peligroso y su eliminación está regulada. [14]
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 funcionamiento del horno de arco en los sistemas de energía.
Para la fabricación de acero se utilizan hornos de arco de corriente continua (CC), con un solo electrodo en el techo y el retorno de corriente a través de un revestimiento inferior conductor o clavijas conductoras 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, así como menos armónicos eléctricos y otros problemas similares. El tamaño de los hornos de arco de CC está limitado por la capacidad de transporte de corriente de los electrodos disponibles y el voltaje máximo permitido. El mantenimiento del hogar conductor 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 de cuchara (LF) para mantener la temperatura del acero líquido durante el procesamiento después de extraerlo del horno de arco eléctrico o para cambiar la composición de la aleación. El horno de cuchara se utiliza para el primer propósito cuando hay una demora más adelante en el proceso de fabricación del acero. El horno de cuchara consta de un techo refractario, un sistema de calentamiento y, cuando corresponde, 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 de cuchara no tiene un mecanismo de inclinación o de carga de chatarra. [ cita requerida ]
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 de Søderberg de tipo pasta para evitar interrupciones por cambios de electrodos. [15]
Este tipo de horno se conoce como horno de arco sumergido, porque las puntas de los electrodos están enterradas en la escoria/carga, y el arco eléctrico se produce 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. [15] En comparación, un horno de arco para la fabricación de acero produce arcos al aire libre. La clave es la resistencia eléctrica , que es lo que genera el calor necesario: la resistencia en un horno de fabricación de acero es la atmósfera, mientras que en un horno de arco sumergido, la escoria (o carga) proporciona 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 rudimentarios, 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 pueden enfriarse ya sea mediante agua circulando a través de tuberías que forman un panel o mediante agua rociada sobre los elementos del panel. Los paneles tubulares pueden reemplazarse cuando se agrietan o alcanzan 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 enfriamiento por aspersión se puede revestir casi infinitamente. Un equipo que dura 20 años es la norma. [ cita requerida ] Si bien una fuga tubular se detecta 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. Estas suelen ocultarse detrás de una cobertura de escoria y pueden hidratar el refractario en el hogar, lo que provoca una ruptura del metal fundido o, en el peor de los casos, una explosión de vapor. [16]
Un horno de arco de plasma (PAF) utiliza antorchas de plasma en lugar de electrodos de grafito. Cada una de estas antorchas 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 llamarse hornos de fusión de arco de plasma (PAM); se utilizan ampliamente en la industria de fusión de titanio y en industrias de metales especiales similares. [17]
La refusión por arco al vacío (VAR) es un proceso de refusión secundaria para el refinado al vacío y la fabricación de lingotes con homogeneidad química y mecánica mejorada.
En aplicaciones aeroespaciales comerciales y militares críticas, los ingenieros de materiales suelen especificar aceros VIM-VAR. VIM significa fundido por inducción al vacío y VAR significa refundido por arco al vacío. Los aceros VIM-VAR se utilizan en cojinetes para motores a reacción, ejes de rotor para helicópteros militares, actuadores de flaps para aviones de combate, engranajes en transmisiones de aviones a reacción o helicópteros, soportes o sujetadores para motores a reacción, ganchos de cola para aviones a reacción y otras aplicaciones exigentes.
La mayoría de los grados de acero se funden una vez y luego se moldean o se cuelan hasta obtener una forma sólida antes de un proceso de forjado o laminado extensivo hasta obtener una forma metalúrgicamente sólida. En cambio, los aceros VIM-VAR pasan por dos procesos de fundición más altamente purificadores al vacío. Después de fundirse en un horno de arco eléctrico y alear en un recipiente de descarburación con oxígeno y argón, los aceros destinados a la refundición al vacío se moldean en moldes de lingotes. Los lingotes solidificados se dirigen luego a un horno de fundición por inducción al vacío. Este proceso de refundición al vacío elimina las inclusiones y los gases no deseados del acero, 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 controlada estrictamente suele requerir 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 unos 5 m (15 pies) de alto y tendrá varios diámetros. Los electrodos se solidifican al vacío.
En el caso de los aceros VIM-VAR, la superficie de los electrodos enfriados debe rectificarse para eliminar las irregularidades y las impurezas de la superficie antes de la siguiente refundición al vacío. A continuación, 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 al vacío con arco elimina aún más las inclusiones persistentes para proporcionar una limpieza superior del acero y eliminar gases como el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno. Controlar la velocidad a la que se forman y solidifican estas gotitas garantiza una consistencia de la química y la 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, el actuador de los flaps de un avión militar o el cojinete de un motor a reacción.
Para algunas aplicaciones comerciales o militares, las aleaciones de acero pueden pasar por una sola refundición al vacío, es decir, la VAR. Por ejemplo, los aceros para carcasas de cohetes sólidos, trenes de aterrizaje o barras de torsión para vehículos de combate suelen implicar una refundición al vacío.
La refundición con 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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