O Princípio de Funcionamento do Forno a Arco Consumível a Vácuo

Um arco representa uma forma de descarga de arco de gás, distinguida por uma voltagem extremamente baixa entre os eletrodos, mas uma corrente substancial que atravessa o gás. Este fenômeno gera uma luz branca deslumbrante e um calor intenso na região do arco, atingindo temperaturas em torno de 5000K. A alta densidade de corrente surge da emissão de elétrons quentes do cátodo, juntamente com a emissão espontânea de elétrons. Especificamente, uma camada de íons positivos perto do cátodo estabelece um campo elétrico potente, levando o cátodo a emitir elétrons autonomamente. Esses elétrons colidem com as moléculas de gás entre os eletrodos, ionizando-as e produzindo íons positivos adicionais e elétrons secundários. Sob a influência do campo elétrico, essas partículas colidem com o cátodo e o ânodo, resultando em altas temperaturas. A temperatura do cátodo permanece mais baixa do que a do ânodo devido ao gasto de energia na emissão de elétrons. Além disso, altas temperaturas também ocorrem entre os eletrodos devido à recombinação exotérmica de íons positivos e elétrons. Os fornos a arco elétrico, que utilizam este princípio, são fornos industriais empregados para a fundição de metais. Quando operados em um ambiente de vácuo, são denominados fornos a arco a vácuo.

A fusão a arco a vácuo opera sob condições de alta corrente e baixa voltagem, características de operações de arco curto. Tipicamente, a voltagem do arco varia de 22 a 65V, com comprimentos de arco correspondentes de 20 a 50mm (este último para lingotes maiores). Desde o experimento bem-sucedido de fundição de fio de platina em 1839, as pessoas embarcaram em mais de um século de pesquisa sobre a fundição de metais refratários. O forno a arco a vácuo foi oficialmente introduzido no uso industrial em 1953. Em 1956, o titânio foi fundido em fornos não consumíveis nos Estados Unidos e em vários países europeus, enquanto o aço foi fundido em fornos consumíveis em 1955. Por volta de 1960, o peso dos lingotes produzidos por fornos de autoconsumo excedeu 30 toneladas, marcando um marco significativo. O desenvolvimento atual pode ser exemplificado pelo forno de autoconsumo a vácuo fabricado pela empresa americana Consarc. Para aumentar a produtividade e a utilização do equipamento, dois fornos geralmente compartilham uma fonte de alimentação principal, sistema de vácuo e sistema de controle automático.

1. Princípio de Operação do Forno a Arco Consumível a Vácuo

Durante a formação e descida de gotículas na extremidade inferior do eletrodo, ocorrem reações físicas e químicas específicas, facilitando a remoção de algumas impurezas gasosas. O forno a arco consumível a vácuo é caracterizado pela fundição dentro de um cristalizador de cobre resfriado a água, superando a desvantagem da contaminação do metal devido às interações com materiais refratários. Sob resfriamento intenso por água, o aço fundido condensa e cristaliza, produzindo lingotes de aço com arranjos de grãos uniformes, sem cavidades de contração e estruturas compactas. O processo de fusão dentro de um forno a arco consumível a vácuo é impulsionado por um arco de corrente contínua (CC) de baixa voltagem e alta corrente.

Inicialmente, uma zona de plasma de arco se forma entre a extremidade inferior do eletrodo consumível e o cristalizador, bem como entre a extremidade inferior do eletrodo consumível e o banho de fusão. Esta zona exibe temperaturas extremamente altas, fazendo com que a parte extrema do eletrodo consumível derreta primeiro. Inclusões não metálicas dentro do eletrodo consumível, como óxidos e compostos nitrosos, se desintegram ou são removidas por meio da redução de carbono sob condições de vácuo e alta temperatura, alcançando uma purificação adicional. Dada a capacidade do forno a arco consumível a vácuo de eliminar gases e inclusões não metálicas, juntamente com algumas impurezas nocivas de baixo ponto de fusão, as capacidades de processamento a frio e a quente, a plasticidade, as propriedades mecânicas e as propriedades físicas são significativamente aprimoradas. Particularmente notável é a melhoria na diferença entre as propriedades vertical e horizontal, o que é crucial para garantir a estabilidade, consistência e confiabilidade das propriedades do material.

2. Equipamentos Elétricos do Forno a Arco Consumível a Vácuo

Para produzir fusos de alta qualidade, a potência de fusão estável é essencial, exigindo uma fonte de alimentação CC com características de corrente constante.

1. Características de Corrente Constante: A fonte de alimentação mantém a corrente constante dentro de uma faixa de voltagem operacional de 20-40V, com uma voltagem sem carga de aproximadamente 70V.
2. Faixa de Regulação de Corrente: A corrente pode ser ajustada dentro de uma razão de 1:10.
3. Tolerância a Falhas: Se 10% dos elementos de silício em cada braço retificador forem danificados, o sistema emitirá um sinal, mas poderá continuar operando na corrente nominal.
4. Capacidade de Sobrecarga: O sistema permite uma sobrecarga de 10% por 1 minuto.

Em resumo, os fornos a arco a vácuo oferecem as seguintes características:

1. Fundição Livre de Poluição: Em um estado de vácuo, não existem escórias ou outros materiais entre o eletrodo consumível e o fuso, evitando a contaminação durante a refusão.
2. Desgaseificação Eficaz: O metal fundido é exposto diretamente ao vácuo, resultando em excelentes efeitos de desgaseificação que removem efetivamente hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e outros gases.
3. Estrutura Interna Pura: Inclusões não metálicas no metal fundido, sendo mais leves, flutuam para o topo do metal fundido, levando a uma estrutura interna muito pura do fuso.
4. Estrutura Interna Uniforme: O resfriamento rápido em um cadinho de cobre resfriado a água resulta em uma estrutura interna uniforme do fuso, sem segregação.
5. Fundição de Aço Liga de Alta Qualidade: O estado de vácuo permite a adição de uma grande quantidade de agentes de liga, possibilitando a fundição de aço liga de alta qualidade.
6. Produtividade Aprimorada: O curto tempo de transição de aço para aço melhora a produtividade do equipamento e reduz os custos de produção.
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