Usuari:Mcapdevila/Forn d'arc elèctric

Un forn d'arc elèctric (sigles en anglès: EAF ('Electric Arc Furnace')) és un forn que s'escalfa mitjançant d'un arc elèctric.

Les mides d'un forn d'arc elèctric van des de la tona de capacitat (utilitzat en foses) fins a les 400 tones de capacitat utilitzat en la indústria metal·lúrgica. A més, hi ha forns de laboratori i usats per dentistes que tenen una capacitat de només dotze grams.

La temperatura a l'interior d'un forn d'arc elèctric pot arribar als 1800 graus Celsius.

Història

Taller de fosa amb dos forns d'arc elèctric.

El primer forn elèctric d'arc es va desenvolupar pel francès Paul Héroult, amb una planta comercial establerta a EE. Units. el 1907. En principi, l'acer obtingut per forn elèctric era un producte especial per a la fabricació de màquines eina i de acer ressort. També es van utilitzar per carbur de calci per les llums de carbur.

Al s. XIX, el forn d'arc elèctric es va començar a emprar en la fosa de ferro. Sir Humphry Davy va fer una demostració experimental del forn el 1810, el mètode de soldadura per arc elèctric va ser investigat per Pepys el 1815; Pinchon itentó crear un forn electrotèrmic el 1853, i, el 1878 - 79, Wilhelm Siemens patentar el forn d'arc elèctric. El forn elèctric de Stessano era un forn d'arc que rotaba per barrejar la bugada.

Els forns d'arc elèctric van ser utilitzats en la Segona Guerra Mundial per a la producció d'aliatges d'acer, va ser després quan la fabricació d'acer per aquest mètode va començar a expandir-se. El baix cost en relació a la seva capacitat de producció va permetre establir noves acereries a Europa en la postguerra, i també va permetre competir en baix cost amb els grans fabricants de Estats Units, com ara Bethlehem Steel i US Steel, amb productes de bigam, embarrats, cables i laminats per al mercat nord-americà. Quan Nucor, que ara és un dels majors productors d'acer dels Estats Units, va decidir entrar al mercat d'acers allargats el 1969, van començar amb una acereria petita, a l'interior hi havia el forn d'arc elèctric, i que aviat van seguir altres fabricants. Mentre Nucor creixia ràpidament al llarg de la costa est dels Estats Units, les empreses que el seguien amb operacions mercantils localitzades per acers allargats i bigam, on l'ús del forn d'arc elèctric permetia flexibilitat en les plantes de producció, adaptant-se a la demanda local. Aquest mateix patró va ser seguit en altres països, on el forn d'arc elèctric s'utilitzava principalment per a producció de bigues.

El 1987, la companyia Nucor va prendre la decisió d'expandir el seu negoci en el mercat de productes laminats, utilitzant el forn d'arc elèctric. El fet que un forn d'arc elèctric utilitzeu acer procedent de ferralla com a matèria primera té un impacte en la qualitat d'un producte laminat, a causa del control de qualitat limitat sobre les impureses que contenen un acer procedent de ferralla.

Construcció

Un esquema de la secció transversal d'un forn d'arc elèctric. Tres elèctrodes, material fos, desembocadura a l'esquerra, volta extraïble de maó refractari, parets de maó i una llar amb forma de bol i de material refractari.

El forn d'arc elèctric per acereria consisteix en una recipient refractari allargat, refrigerada per aigua per mides grans, coberta amb una volta també refractària i que a través de la qual un o més elèctrodes de grafit estan allotjats dins del forn. El forn està compost principalment de tres parts:

• El carcassa , que consisteix en les parets refractàries i la fonamentació.
• El llar , que consisteix en el llit refractari que voreja la fonamentació.
• La volta o coberta , d'aspecte esfèric o de frustrum (de secció cònica), cobreix el forn amb material refractari. Pot estar refrigerada amb aigua. La volta està construïda amb materials d'alta resistència piroscópica (generalment formigó refractari) per suportar grans xocs tèrmics i en el qual entren els elèctrodes de grafit que produeixen l'arc elèctric.

La llar pot tenir una forma hemiesférica o ovoïdal. En tallers de fosa moderns, el forn sol aixecar-se del sòl, així la cuba i els abocadors i les culleres de colada poden maniobrar sobre la base del forn. Separat de l'estructura del forn hi ha el sistema elèctric i el suport de l'elèctrode, a més de la plataforma basculant sobre la qual descansa el forn.

Un forn típic de corrent altern té tres elèctrode s. Els elèctrodes tenen una secció rodona i, en general, en els segments amb acoblaments roscats, de manera que a mesura que es desgasten els elèctrodes, es poden afegir nous segments. L'arc es forma entre el material carregat i l'elèctrode, així la càrrega s'escalfa tant pel corrent que passa a través de la càrrega com per l'energia radiant generada per l'arc. Els elèctrodes pugen i baixen automàticament mitjançant un sistema de posicionament, que pot emprar ja siguin muntacàrregues elèctrics o cilindres hidràulics.

El sistema de regulació manté aproximadament constant el corrent i la potència d'entrada durant la fusió de la càrrega, tot i que la ferralla pot moure sota dels elèctrodes a mesura que es fon. Els braços del pal de subjecció dels elèctrodes porten pesats enfangats, els quals poden estar buits amb canonades de coure refrigerades per aigua portant corrent elèctric a les subjeccions dels elèctrodes. Els moderns sistemes utilitzen "braços calents", on el braç sencer condueix el corrent, augmentant el rendiment. Aquests es poden fabricar d'acer revestit de coure o de alumini. Com que els elèctrodes es mouen amunt i avall de forma automàtica per a la regulació de l'arc i s'aixequen per permetre treure la volta del forn, cables refrigerats per aigua pesada connecten el feix de tubs i braços amb el transformador situat al costat del forn. Per protegir el transformador de la calor, aquest es · la en una cambra cuirassada.

El forn està construït sobre una plataforma basculant perquè el acer líquid s'aboqui en un altre recipient per al transport. L'operació d'inclinació del forn per abocar l'acer fos es coneix com "tapping". Originalment, tots els forns de producció d'acer tenien una canella per abocar que estava revestit de refractari que alleujaven quan estaven inclinats, però sovint els forns moderns tenen una desembocadura excèntrica en la part inferior (EBT) per reduir la inclusió de nitrogen i de escòria en l'acer líquid. Aquests forns tenen una obertura que passa verticalment a través de la llar i l'armadura, i es troba fora del centre en l'estreta "nas" de la llar ovalat. Les plantes modernes poden tenir dos carcasses amb un sol sistema d'elèctrodes que es poden transferir entre les dues armadures, una armadura preescalfa la ferralla mentre que l'altre carcassa s'utilitza per a la fusió. Altres forns basats en corrent continu tenen una disposició similar, però tenen elèctrodes per a cada armadura i un sol sistema electrònic.

Existeixen forns de ES que en general exhibeixen un patró de calor i punts freds al voltant del perímetre de la llar, amb els punts freds situats entre els elèctrodes. Hi ha forns moderns on munten cremadors de combustible d'oxigen a la paret lateral i els utilitzen per proporcionar energia en aquests punts freds, aconseguint un escalfament de l'acer més uniforme. L'energia química addicional es proporciona mitjançant la injecció d'oxigen i carboni en el forn, històricament això es feia a través de llançaflames a la porta de l'escòria, ara això es fa principalment a través de múltiples equipaments d'injecció encastats a la paret.

Un modern forn de fabricació d'acer de grandària mitjana que té un transformador de 60 MVA de capacitat, amb una tensió secundària entre 400 i 900 volt si un corrent secundària de més de 44.000 ampere s. En un taller modern, un forn hauria de produir una quantitat de 80 tones mètriques d'acer líquid en aproximadament 60 minuts de càrrega amb ferralla freda per aprofitar el forn. En comparació, els forns bàsics d'oxigen poden tenir una capacitat de 150-300 tones per lot, i poden produir un lot entre 30 i 40 minuts. Existeixen enormes variacions en els detalls del disseny i el funcionament del forn, depenent del producte final i les condicions locals, així com els últims estudis per millorar l'eficiència del forn, el major forn dedicat a ferralla (en termes de capacitat i de mida de transformador) es troba a Turquia, amb una capacitat de 300 tones mètriques i un transformador de 300 MVA.

Produir una tona d'acer en un forn d'arc elèctric requereix aproximadament de 400 quilowatts-hora d'electricitat per tona curta, o al voltant de 440 kWh per tona mètrica, la quantitat mínima teòrica d'energia requerida per fondre una tona de ferralla d'acer és de 300 kWh (punt de fusió 1520° C/2768° F). Per tant, aquest forn d'arc elèctric de 300 tones i 300 MVA requeriria aproximadament de 132 MWh d'energia per fondre l'acer, i un "temps d'encesa" (el temps que l'acer es fon amb un arc) d'unes 37 minuts. La fabricació d'acer amb arc elèctric és només rendible on hi ha electricitat abundant, amb una xarxa elèctrica ben desenvolupada.

Bibliografia

• H. W. Beaty (ed), "Manual estàndard Ings. Elèctrics, 11 ª Ed", McGraw Hill, New York 1978, ISBN 0-07-020974-X
• J.A.T. Jones, B. Bowman, P.A. Lefrank, Electric Furnace Steelmaking , in The Making, Shaping and Treating of Steel , RJ Fruehan, Editor. 1998, The AISE Steel Foundation: Pittsburgh. p. 525-660.

Enllaços externs

• Recognition of first Foundry es historical site
• Home made small scale arc furnace using a welder (alerta, amb experiments !)
• Electric Arc Furnace module at steeluniversity.org, inclou una simulació interactiva