Un forno ad arco, noto anche come forno ad arco elettrico (EAF), è un’installazione che utilizza un arco elettrico per riscaldare materiali, tipicamente metalli, fino al punto di fusione. Un tipico forno ad arco fonde il materiale, o “carica” come è noto, facendo passare una corrente elettrica attraverso la carica tramite una serie di elettrodi. Una combinazione del calore generato dal passaggio di corrente e l’arco sulla superficie di carica fonde il materiale. Gli EAF si trovano nei laboratori di ricerca e protesi dentarie, fonderie di ghisa e impianti di produzione di acciaio e possono avere capacità interne che vanno da un paio di libbre a 400 tonnellate o più. I forni ad arco presentano diversi vantaggi distinti rispetto ad altri tipi di forni.
Un forno elettrico ad arco è tipicamente costituito da un involucro con pareti laterali e una ciotola bombata sul fondo. Una sezione di tetto retrattile, attraverso la quale vengono abbassati gli elettrodi di grafite, copre il forno. La sezione della ciotola del guscio è rivestita con uno strato di materiale refrattario noto come focolare. Il rubinetto o beccuccio utilizzato per scaricare il metallo fuso è montato sul lato del guscio o sul fondo della ciotola. Gli elettrodi sono generalmente di sezione trasversale rotonda e costituiti da sezioni filettate che consentono di aggiungere nuove sezioni man mano che l’elettrodo brucia.
In un forno ad arco è possibile utilizzare fonti di alimentazione a corrente alternata (CA) oa corrente continua (CC). Il forno ad arco medio dell’acciaieria funziona con un’alimentazione da 400 a 900 volt a 44,000 ampere o più fornita da trasformatori con valori nominali di circa 60,000,000 volt-ampere (60 MVA). Un forno ad arco di questo tipo può produrre circa 80 tonnellate di acciaio fuso all’ora. I forni ad arco variano in dimensioni da piccole unità utilizzate nei laboratori di ricerca che contengono circa un chilo di carica a enormi installazioni di acciaierie in grado di fondere centinaia di tonnellate di materiale. I più grandi di questi forni hanno capacità superiori a 300 tonnellate e utilizzano alimentatori di 300 MVA o più.
Il processo di fusione dell’arco è abbastanza semplice. Una volta che la vasca o il focolare del forno è stato riempito di materia prima, gli elettrodi vengono abbassati fino a quando non entrano in contatto con la carica. La corrente elettrica viene quindi applicata, tipicamente a tensioni inferiori per avviare il processo. Il flusso di corrente attraverso la carica in combinazione con l’energia radiante dall’arco aumenta il calore in carica fino a un punto in cui si scioglie. Una volta che la carica è completamente sciolta, viene controllata la sua temperatura e composizione chimica tramite sonde o lance remote; se tutto è corretto, il metallo fuso può essere spillato o versato.
Le materie prime utilizzate nei forni sono spesso accompagnate dall’aggiunta di ghisa, calce cotta e dolomite. Questi additivi favoriscono il corretto equilibrio chimico nell’acciaio fuso e formano scorie superficiali che fanno galleggiare le impurità e isolano la carica. Le installazioni di forni ad arco offrono molta più flessibilità rispetto ad altri tipi di forni; possono utilizzare una fornitura esclusiva di materiale di scarto e la loro produzione può essere variata in base alla domanda. I forni ad arco possono anche essere rapidamente spenti e riavviati, il che non è il caso degli altiforni. Sono anche più economici da installare e utilizzano meno energia per funzionare per tonnellata di prodotto finito.