Principio de funcionamiento de la desgasificación al vacío en hornos de arco eléctrico al vacío

El horno de arco eléctrico al vacío representa un tipo especializado de horno industrial diseñado para fundir metales en condiciones de vacío. Operando según el principio de la fusión por arco al vacío, utiliza alta corriente y bajo voltaje para lograr una operación de arco corto, lo cual es esencial para su proceso de fusión único.

Fundamentos de la descarga de arco al vacío

En el corazón del horno de arco al vacío se encuentra el fenómeno de la descarga de arco de gas. Este proceso se caracteriza por un voltaje extremadamente bajo entre los electrodos, pero permite que una corriente relativamente grande pase a través del gas. En consecuencia,, la temperatura dentro de la zona del arco se eleva a aproximadamente 5000K. La gran densidad de corriente observada en esta configuración proviene de dos fuentes principales: la emisión termoiónica y la autoemisión de electrones.

Alrededor del electrodo negativo, se forma una capa de iones positivos, creando un fuerte campo eléctrico. Este campo impulsa al cátodo a emitir automáticamente electrones, que luego chocan con las moléculas de gas entre los dos electrodos, ionizándolas. Este proceso de ionización genera iones positivos adicionales y electrones secundarios. Bajo la influencia del campo eléctrico, estas partículas cargadas chocan con el cátodo y el ánodo, respectivamente, produciendo un calor intenso. Notablemente, la temperatura del cátodo permanece más baja que la del ánodo porque una parte de la energía se gasta en la emisión de electrones. Además, la recombinación de algunos iones positivos y electrones contribuye a las altas temperaturas observadas.

Características operativas de la fusión por arco al vacío

La fusión por arco al vacío es una operación de arco corto que típicamente involucra un voltaje de arco que oscila entre 22 y 65 voltios, con una longitud de arco correspondiente de 20 a 50 milímetros (esta última aplicable para lingotes más grandes). Esta configuración asegura una fusión eficiente y controlada dentro del entorno de vacío.

Evolución histórica y adopción industrial

El viaje de los hornos de arco al vacío comenzó con el exitoso experimento de fusión de alambre de platino en 1839. Sin embargo, los investigadores tardaron más de un siglo en profundizar en la fusión de metales refractarios. Para 1953, los hornos de arco eléctrico al vacío habían llegado a la producción industrial. Hasta 1956, Estados Unidos y varios países europeos continuaron fundiendo titanio en hornos no consumibles, mientras que 1955 marcó el comienzo de la producción de acero utilizando hornos consumibles. Alrededor de 1960, el peso de los lingotes de acero producidos por hornos consumibles superó las 30 toneladas, lo que indica un avance significativo. Hoy en día, los hornos consumibles al vacío fabricados por empresas como Kangsai ejemplifican esta tendencia de desarrollo, con fuentes de alimentación principales compartidas, sistemas de vacío y sistemas de control automático entre dos hornos para mejorar la eficiencia de la producción y la utilización del equipo.

Beneficios del tratamiento térmico al vacío

El tratamiento térmico de piezas de trabajo o materiales en un entorno de vacío ofrece numerosas ventajas. Extiende la vida útil de las herramientas y moldes al prevenir la oxidación y la descarburación, lo que resulta en un acabado superficial brillante, una deformación mínima, ahorro de energía y operaciones libres de contaminación. Además, el tratamiento térmico al vacío puede alterar las propiedades mecánicas y metalúrgicas de los materiales, mejorando su rendimiento general.

Ventajas de los hornos de fusión al vacío

Los hornos de fusión al vacío se emplean principalmente para fundir metales reactivos e insolubles, aleaciones duras, materiales magnéticos y acero inoxidable. Operando en condiciones de baja presión (descompresión), estos hornos ofrecen varios beneficios clave:

1. Eliminación de gases: El entorno de vacío facilita la eliminación de gases adsorbidos y promueve una contracción significativa durante las últimas etapas de la fusión.
2. Purificación de impurezas: El vacío ayuda a eliminar impurezas como silicio, aluminio, magnesio, calcio y sus óxidos, purificando el material.
3. Mejora de la humectabilidad: El vacío mejora la humectabilidad de la fusión en fase líquida, lo que ayuda a la contracción durante el proceso de fusión y refina la estructura de la aleación.
4. Entorno inerte: Cuando otros gases primarios o inertes no son adecuados, o cuando los materiales son propensos a la descarburación y la carburación, un horno de fusión al vacío proporciona una solución ideal.
5. Reducción de la contaminación: La fusión al vacío minimiza la contaminación del producto por componentes atmosféricos dañinos como el agua, el oxígeno y el nitrógeno. Por ejemplo, lograr un punto de rocío de -40°C en hidrógeno electrolítico es un desafío, mientras que la fusión al vacío a unos pocos cientos de Pa logra equivalentemente este nivel de pureza.

En resumen, los hornos de arco eléctrico al vacío aprovechan los principios de la descarga de arco al vacío para ofrecer un medio sofisticado y eficiente de fundir metales, con numerosas ventajas en términos de calidad del material, eficiencia de producción e impacto ambiental.

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