El proceso de refusión por arco eléctrico (Vacuum Arc Remelting VAR) en la industria acerera es eficaz y seguro en la obtención de aleaciones que contienen materiales reactivos, aunque durante el proceso, se emanen gases altamente tóxicos como oxígeno, ozono, titanio y bióxido de carbono, principalmente.
Este proceso es idóneo para trabajar con metales con puntos de fusión elevados con una fuente de calor de alta intensidad que elimine los contaminantes externos, la oxidación e impurezas volátiles que permitan obtener mejores resultados en el desarrollo de nuevas aleaciones para las áreas de fabricación de implantes, instrumentación quirúrgica, materiales de alta resistencia a la corrosión, elaboración de núcleos para transformadores, entre otras aplicaciones.
Para producir aceros con características específicas, las empresas acereras han tenido que mejorar su tecnología y procesos, y el horno de arco eléctrico al vacío es un aliado que permite obtener aleaciones de grano orientado [7–9] en donde el tamaño del grano es importante ya que determina las propiedades mecánicas y fisicoquímicas de los materiales obtenidos del proceso. Sin embargo, si se presenta una variación en los parámetros del arco eléctrico, las propiedades que se esperan del producto de refusión no serán las esperadas.
Por ello es indispensable conocer los parámetros eléctricos adecuados que mantengan una longitud de arco constante, los cuales servirán de referencia para implementar el sistema de control, en donde la simulación numérica es una de las herramientas mayormente utilizadas para determinar el comportamiento de fenómenos dinámicos en el arco eléctrico.
Para la generación del arco eléctrico se necesitan 4 etapas principalmente:
Control de longitud de arco y alimentación del electrodo: Este control está relacionado con el control del actuador con el que se alimenta el electrodo durante la fundición. En este caso el actuador es un motor de corriente directa con campo de imanes permanentes. El control de este actuador debe mantener constante la distancia entre el electrodo y el baño fundido ya que si esta distancia es muy grande se puede producir arcos parásitos entre el electrodo y la pared del crisol o se puede extinguir el arco, y si es muy pequeña se producirá un corto circuito.
Los principales componentes del control de la longitud del arco son: circuito de control, panel de control, motor de corriente directa de 1 Hp y un reductor de velocidad.
Circuito de control: su función es proporcionar las señales de control a 8 tiristores que controlan la cantidad de voltaje que le llega al motor; cuatro de ellos están conectados en sentido directo para hacer girar al motor en una dirección y los otros cuatro en sentido inverso para efectuar el cambio de giro.
Sistema de Potencia: Para lograr el control de la corriente de fundición se utiliza un controlador de onda completa en el que el control de voltaje y corriente se hace en el primario de un transformador por medio de un arreglo de seis tiristores, mientras que en el secundario se tiene conectado un banco de seis diodos rectificadores para la conversión de la corriente alterna a corriente directa.
El sistema de control de la corriente de fundición se compone de:
Control de voltaje. Para lograr el control de voltaje sobre el primario del transformador, se ejercita una acción de control sobre el valor promediado del voltaje y/o corriente que se aplica a la carga. Esto se hace mandando una señal con un retraso variable a la compuerta de los tiristores para que conduzcan sólo una porción de la señal de la línea.
Transformador. Se utiliza un transformador trifásico con una corriente máxima de 5,000 Amp en el secundario a circuito cerrado y/o 70 Volt a circuito abierto. El transformador está conectado en delta/estrella.
Rectificador. La salida del secundario del transformador se conecta a un banco de seis rectificadores el cual proporciona la corriente directa que requiere el horno para la fundición.
Conexiones de electrodo y crisol. El electrodo es alimentado eléctricamente a través de cuatro barras de cobre refrigeradas con agua. Estas se soportan en la parte superior del portaelectrodo por medio de un dispositivo que las aísla eléctricamente de la estructura del horno. En este dispositivo se conectan a su vez cuatro cables igualmente refrigerados con agua y en cuyo extremo opuesto se conecta el polo negativo del rectificador. El crisol está conectado directamente al polo positivo del rectificado por medio de una barra de cobre aislada.
Sistema de vacío: Para realizar la refinación secundaria característica de este proceso, el horno VAR debe contar con un sistema de bombeo adecuado para producir una presión última de 0.133 Pa (10−3 Torr) en la cámara de vacío. Para lograrlo se utiliza una configuración que cuenta con una bomba roots como elemento principal y una bomba mecánica de paletas rotatorias como elemento de apoyo. Se tiene también una criobomba como apoyo para el vacío y para que retenga, funcionando como trampa fría, los elementos más pesados generados en la fundición para que no pasen a los demás componentes del sistema.
Los principales componentes del sistema de vacío son: una bomba roots, dos bombas mecánicas (BPR1 y BPR2), una criobomba y un medidor de vacío.
La bomba roots es de uso universal, esta bomba no puede comprimir contra presión atmosférica, por lo que se debe combinar con una bomba de respaldo, función que desempeña la bomba de paletas rotatorias BPR1.
La bomba BPR2 se emplea para evacuar la precámara de vacío, y evitar así fugas de vacío por el sello deslizante. Estas bombas de paletas rotatorias están diseñadas para funcionar con dos etapas de bombeo las cuales comprimen desde la presión de succión hasta la presión atmosférica, además su enfriamiento es mediante aire.
La criobomba está diseñada para evacuar sistemas de vacío libres de fugas a presiones de cuatro militorrs, y en este caso su función principal es mantener la limpieza del sistema durante la operación de bombeo.
El medidor para vacío mide presión total en el rango de vacío medio y se combina con tres cabezas sensoras tipo Pirani.
Sistema de enfriamiento: En el horno VAR hay diversos elementos que requieren una adecuada refrigeración por medio de agua circulante. De estos elementos se debe destacar el crisol (molde y placa base), el portaelectrodo y la cámara de vacío. También están refrigerados el banco de tiristores, el banco de rectificadores y los cables conductores de la corriente de fundición. Para asegurar el flujo de agua que necesitan todos estos elementos, se construye un circuito cerrado de refrigeración, una bomba centrifuga de potencia, además cuenta con válvulas para cerrar, abrir o regular el flujo de agua que va a entrar a las diferentes partes que necesitan ser enfriadas.
Uno de los parámetros del sistema a controlar más importantes es la longitud de arco, ya que de esta depende la uniformidad y la adecuada solidificación del lingote. Por ello es indispensable implementar un control que sea capaz de mantener la longitud de arco constante que cumpla con las características requeridas del material.
Para ello, es necesario realizar un modelado dinámico del sistema donde se pueden modificar parámetros sin la necesidad de dañar el diseño del reactor y obtener las variables de corriente, voltaje y potencia que describen el comportamiento del arco eléctrico. Una vez generado el modelo y se hayan obtenido datos congruentes, es posible predecir los resultados de un proceso de refusión mediante herramientas computacionales como la simulación en elemento y volumen finito.
Los hornos de Arco eléctrico al vacío (VAR) desempeñan un papel muy importante en la producción de aceros, mejorando su tecnología y permitiendo un mejor control del proceso de fundición y refinación de los metales. En menos de 50 años la refusión de metales por horno de arco eléctrico han evolucionado de ser instalaciones funcionales simples de bajo costo y pequeño volumen de producción de un mismo grado y calidad de acero.
Al día de hoy se han desarrollado diversos estudios y modelos matemáticos por parte de expertos para mejorar las funciones de los hornos de arco eléctrico, entre los que podemos mencionar a Marco Ramírez que desarrolló un modelo matemático para describir la anatomía, el flujo de fluido, la transferencia de calor y fenómeno electromagnético en la región del baño de un horno de arco eléctrico de corriente directa inyectando gas argón en el fondo y es representado usando 3 diferentes aproximaciones numéricas y análisis en términos de flujo de fluidos.
Jonas Alexis et al. Realizó un modelo matemático que describe el flujo de fluidos y calor en un arco eléctrico para predecir la transferencia de calor del arco al baño de metal de diferentes corrientes y longitudes de arco en un horno de arco eléctrico de corriente directa, en donde el arco es tratado como un fluido con propiedades termodinámicas de temperatura dependiente. Las ecuaciones de conservación acopladas de la energía, masa y momento, que definen la temperatura del plasma, velocidad y presión son resueltas junto con las ecuaciones de Maxwell con el software PHOENICS.
Shiuan-Hau Rau et al. Proponen un nuevo modelo de arco en DC basado en una simulación 3-D de un arco en DC que es capaz de proporcionar resultados a las pruebas de laboratorio disponibles. Para poder simular el arco eléctrico en DC utilizan el software Code Saturne para dinámica de fluidos computacional (CFD) y proponen un nuevo modelo de arco basado en el modelo 3-D magnetohidrodinámico (MHD) de un arco eléctrico en DC.
- R. Doan, muestra ecuaciones básicas para obtener la potencia máxima de un arco de DC utilizando un circuito eléctrico que representa el sistema para generar la descarga. Dicho circuito está compuesto por una fuente de voltaje en DC e impedancias y realizan ciertos supuestos para iniciar una estimación del sistema, como lo es trabajar con la corriente del arco en estado estable y así poder utilizar la resistencia del sistema y la resistencia del arco para cálculos posteriores. Además, la inductancia del sistema se desprecia ya que puede reducir la potencia promedio, por lo cual sólo se toma la parte resistiva de las impedancias.