Formación y estructura del horno de arco eléctrico de CC

Formación y Estructura del Horno de Arco Eléctrico de CC

Introducción a los Hornos de Arco Eléctrico

Un horno de arco eléctrico es un recipiente metalúrgico que utiliza el intenso calor generado por un arco eléctrico para fundir y refinar metales. Dentro del horno, se establecen uno o más arcos sostenidos. A través de la descarga del arco, la energía eléctrica se transforma eficientemente en la energía térmica necesaria para calentar y procesar la carga. La temperatura excepcionalmente alta del arco, combinada con su alta densidad de potencia, su excelente eficiencia electrotérmica y la relativa facilidad de controlar la atmósfera y las operaciones del horno, hacen del horno de arco una herramienta industrial versátil. Es particularmente adecuado para fundir metales refractarios y producir materiales especiales de alta calidad.

Clasificación de los Hornos de Arco Eléctrico

Los hornos de arco industriales se clasifican principalmente en tres tipos según la forma en que el arco interactúa con la carga:

1.  Horno de Arco Directo: El arco se establece directamente entre el(los) electrodo(s) y la carga metálica, calentándola mediante impacto directo. Esta categoría incluye:

       Hornos de Arco de Fabricación de Acero de CA Trifásicos

       Hornos de Arco Eléctrico de CC (Corriente Directa)

       Hornos de Arco de Electrodo Consumible al Vacío (VAR)

2.  Horno de Arco Indirecto: El arco se forma entre dos electrodos, y la carga se calienta indirectamente por radiación del arco. Históricamente utilizado para aleaciones de cobre, estos hornos han sido en gran medida reemplazados debido a desventajas como el alto ruido y la calidad de fusión inconsistente.

3.  Horno de Arco Sumergido (SAF): Los electrodos están parcialmente enterrados en una carga de mineral y carbono, con arcos que ocurren dentro de la propia carga, utilizado principalmente para la producción de ferroaleaciones.

Este documento se centra en la formación y estructura del Horno de Arco Eléctrico de CC.

La Naturaleza del Arco Eléctrico

Un arco eléctrico es una forma de descarga de gas, específicamente una descarga autosostenida (autoexcitada). Sus características clave incluyen una caída de voltaje relativamente baja (decenas de voltios), una densidad de corriente extremadamente alta (cientos de amperios por centímetro cuadrado), la emisión de luz intensa y la generación de calor concentrado a temperaturas muy altas.

En un horno de arco, el arco es principalmente un fenómeno de conducción en un gas (incluido el vapor de metal), iniciado por la emisión termoiónica de electrones de un cátodo caliente (la punta del electrodo). Para que el gas se vuelva conductor, debe someterse a ionización, produciendo partículas cargadas: iones con carga positiva y electrones con carga negativa (o, con menos frecuencia, iones negativos). Este estado de la materia ionizado, cuasi-neutro, donde las cargas positivas y negativas están equilibradas, se denomina plasma. Por lo tanto, el arco es fundamentalmente un plasma de arco.

Mecanismos de Ionización del Gas en el Arco

La ionización necesaria para mantener el plasma del arco se genera a través de varios mecanismos:

1.  Ionización por Colisión (Mecanismo Primario): Los electrones de alta energía emitidos por el cátodo caliente son acelerados por el campo eléctrico. Cuando estos electrones chocan con moléculas de gas neutras, pueden transferir suficiente energía para eliminar otros electrones, creando iones positivos y electrones libres adicionales.

2.  Ionización Térmica: A las temperaturas extremadamente altas dentro de la columna del arco, las moléculas y átomos de gas poseen una energía cinética sustancial. Las colisiones entre estas partículas energéticas pueden causar directamente la ionización.

3.  Fotoionización: Los átomos pueden absorber fotones de alta energía (luz del propio arco) y ionizarse. Si bien está presente, esta es generalmente una vía de ionización secundaria.

4.  Ionización Inducida por Campo (Avalancha): Este es un proceso de reacción en cadena. Las partículas inicialmente ionizadas (electrones e iones) son aceleradas por el campo eléctrico, ganando energía cinética. Cuando posteriormente chocan con partículas neutras, causan una mayor ionización, creando nuevas partículas cargadas. Estos nuevos portadores son a su vez acelerados, lo que lleva a más colisiones e ionización, un efecto de "avalancha" que mantiene el plasma.

       La eficiencia de este proceso depende de la intensidad del campo eléctrico y del recorrido libre medio de las partículas. Un campo más fuerte imparte más energía. Un recorrido libre medio más largo (favorecido por una menor densidad de gas/condiciones de vacío y el pequeño tamaño de los electrones) permite que las partículas se aceleren a energías más altas antes de colisionar, aumentando la probabilidad de ionización. Los electrones, debido a su pequeña masa y tamaño, juegan el papel dominante en la ionización inducida por campo.

Equilibrio de Ionización

Es fundamental tener en cuenta que dentro del arco estable, existe un equilibrio dinámico. El proceso continuo de ionización (creación de partículas cargadas) se equilibra con el proceso opuesto de recombinación (donde los iones positivos y los electrones se recombinan para formar partículas neutras). Este equilibrio mantiene un grado específico y estable de ionización dentro del plasma del arco bajo condiciones de funcionamiento dadas.

Somos un fabricante profesional de hornos eléctricos. Para más consultas, o si necesita hornos de arco sumergido, hornos de arco eléctrico, hornos de refinación de cuchara u otros equipos de fusión, no dude en contactarnos en  susan@aeaxa.com