Rifusione sotto scoria

ESR - il processo

In sintesi, il processo di rifusione sotto scoria (ESR) consiste nella fusione graduale della parte inferiore di un elettrodo colato o forgiato attraverso uno strato di scoria fusa all’interno di una forma in rame raffreddata ad acqua.

La scoria utilizzata, tipicamente fluoruro di calcio con aggiunta di calce, ossido di magnesio, allumina ed altri ossidi, ha diverse funzioni. Allo stato fuso, essa è elettricamente conduttiva e, quando un’elevata corrente viene fatta passare tra l’elettrodo e la forma, agisce come un elemento di riscaldo a resistenza. Con il continuo passaggio di corrente elettrica, la scoria si surriscalda e provoca la fusione dell’estremità dell’elettrodo immersa in essa. Qualsiasi inclusione presente nel metallo fuso viene dissolta e diventa parte della scoria, lasciando che gocce di metallo purificato passino attraverso lo strato di scoria e vengano raccolte sul fondo della forma.

Dopo una certa durata del processo sopra descritto, viene a formarsi un lingotto purificato, con struttura a solidificazione controllata. La scoria, che previene anche l’ossidazione del metallo fuso nel caso più comune di funzionamento in aria/atmosfera, galleggia sulla superficie superiore del metallo liquido, sulla sommità del lingotto, grazie alla sua densità relativamente bassa.

Nella fase terminale del processo, la potenza viene gradualmente ridotta. Tale operazione riduce il volume di metallo liquido sulla parte superiore del lingotto. Nello stesso tempo, del metallo viene aggiunto dall’elettrodo a velocità ridotta per compensare i fenomeni di ritiro durante la solidificazione. Il risultato è un lingotto la cui parte superiore è sana e con un elevata resa di prodotto utile.

Solidificazione controllata - i fattori di principio nel processo ESR

Il principale motivo per impiegare un moderno impianto ESR è l’ottenimento della solidificazione controllata. La metallurgia in siviera ed i processi di fusione a induzione sottovuoto sono in grado di produrre in modo efficiente grandi volumi di metallo liquido, con caratteristiche di elevata purezza ed eccellente analisi chimica. Quando questo metallo viene colato nelle forme e ne viene consentita la solidificazione, la segregazione e il ritiro durante la solidificazione stessa producono lingotti spesso inutilizzabili. Ciò dipende da tempi di solidificazione troppo lenti in relazione a lingotti dalle dimensioni industriali utili.

Nel processo ESR questo metallo inutilizzabile viene rifuso e reso chimicamente omogeneo attraverso l’asse trasversale dell’elettrodo. Poi, poiché la velocità fusoria è controllata, solo uno strato relativamente sottile di metallo per volta viene fuso in testa al lingotto. Il metallo viene quindi risolidificato in tempi relativamente rapidi.

Tale processo evita effetti di segregazione macroscopica. La presenza permanente di metallo liquido sopra al metallo che si sta solidificando (e ritirando), previene la formazione di cavità da ritiro, risucchi o porosità. Il risultato ottenuto, quando il processo viene condotto in modo appropriato, è un lingotto sano, chimicamente omogeneo e di resa elevata.

La storia - le conquiste della Consarc nella tecnologia ESR

Negli anni ’60, i tecnici della Consarc hanno concepito un nuovo approccio al processo di rifusione sotto scoria, piuttosto differente dai metodi in uso a quel tempo. I miglioramenti ottenuti nel grado di efficienza e nelle prestazioni del processo hanno consolidato la Consarc quale leader tra i costruttori su scala mondiale di sistemi ESR.

Forni ESR coassiali

La Consarc non ha inventato la rifusione sotto scoria, ma nel 1966 ha sviluppato una diversa versione del processo, versione tuttora in uso per la produzione di metalli impiegati nel settore più esigente, quello aerospaziale, e per altre applicazioni.

La strada che i tecnici Consarc hanno intrapreso è stata quella di abbinare l’impiego di un elettrodo ad elevato rapporto di riempimento (un elettrodo il cui diametro era prossimo a quello del lingotto) con un forno in corrente alternata a frequenza di rete nel quale i conduttori di potenza principale erano coassiali alla zona di fusione. L’elettrodo ad elevato rapporto di riempimento assicura importanti vantaggi, tra cui:

ridotti consumi di energia
migliorata qualità del lingotto
migliorata superficie del lingotto

Il sistema con conduttore coassiale permetteva l’uso di unità di potenza più piccole ed efficienti e riduceva sensibilmente l’effetto di rimescolamento indesiderato durante la fusione. Inoltre, esso eliminava le correnti parassite che riscaldavano le strutture metalliche circostanti che caratterizzavano tutti i forni ESR delle precedenti generazioni, causando l’interazione magnetica tra fusioni adiacenti.

I principi del design coassiale sono parte integrante di tutti i forni ESR prodotti dalla Consarc.

Configurazioni ESR - statico / con cambio elettrodo / combinato

La maggior parte dei sistemi ESR di oggi prevedono una singola testa e due stazioni fusorie. Tuttavia, Consarc può anche fornire forni con due teste e cambio elettrodo, in grado di fondere sia in una stazione centrale con lingottiera a collare e stazione di ritrazione del lingotto, sia con lingottiera statica.

Per assicurare la flessibilità necessaria a rifondere elettrodi per la carica in un’ampia scelta dimensionale, Consarc ha anche fornito forni con doppia testa, sistema di cambio elettrodo centrale e stazioni fusorie statiche esterne in un’unica installazione.

Sviluppo dei sistemi ESR

A partire dalle innovazioni iniziali nel campo ESR, Consarc ne ha ulteriormente perseguito lo sviluppo, apportando miglioramenti al prodotto ed al processo. Molte delle caratteristiche a richiesta che sono diventate standard sulle moderne installazioni ESR sono state originalmente sviluppate ed installate sui sistemi Consarc. Queste comprendono:

impiego di celle di carico per la pesatura in continuo dell’elettrodo durante il processo di rifusione per la precisa misurazione della velocità fusoria
sistema di controllo della fusione basato su PC/ PLC in grado di automatizzare integralmente il processo fusorio, eliminando l’ormai datato funzionamento manuale; il risultato ottenuto grazie al preciso controllo del processo assicura un prodotto finale di qualità elevata e costante
capacità di regolare la posizione orizzontale della testa dell’elettrodo in qualsiasi punto della fusione (regolazione sugli assi X eY) per mantenere il processo, elettricamente e termicamente, centrato sul crogiolo
sviluppo del processo e degli impianti per la fusione di lingotti a sezione tonda di grandi dimensioni, fino a 110 tonnellate e diametro di 1800 mm, e di lingotti a sezione rettangolare fino a 750 mm per 80" (con sezione 2000 mm e pesi fino a 30 t)
uso di aria secca sulla zona di fusione per eliminare virtualmente l’assorbimento di idrogeno nei lingotti di acciaio di grandi dimensioni, mentre viene mantenuta la capacità di desolforare il metallo

Ulteriori caratteristiche presenti nei moderni forni ESR della Consarc includono:

IGMS (Inert Gas Melting Systems) - sistemi per fusione in gas inerte; l’impiego di gas inerte (argon) sopra la fusione crea un ambiente libero da ossigeno e azoto e può migliorare la purezza delle diverse analisi di acciaio in rifusione, nonché contribuire significativamente al controllo delle concentrazioni di metalli reattivi (Al, Si) che vengono così mantenute a rigorosi livelli di tolleranza
caricatori a vibrazione per la scoria controllati da PC, per automatizzare e rendere costanti le procedure di avviamento durante la fase di fusione della scoria
sistemi di trasmissione/movimentazione completamente elettromeccanici, compresi i servomotori del pistone per il preciso controllo dello stesso durante il processo di rifusione

Procedure di avviamento flessibili (partenza da scoria a caldo / partenza da scoria a freddo)

In base alle esigenze del processo ed alle preferenze del Cliente, i forni Consarc possono essere utilizzati partendo da scoria fredda, a secco, oppure partendo da scoria calda, utilizzando scorie prefuse.

Nella maggior parte dei casi, la partenza da scoria fredda costituisce la scelta preferenziale. La Consarc può fornire idonei caricatori a vibrazione per la scoria controllati da PC, per automatizzare e rendere costante le procedure di avviamento durante la fase di fusione della scoria.

Consarc può inoltre progettare e costruire un forno per la fusione della scoria, se richiesto dall’applicazione del Cliente.

L’affidabilità delle unità di potenza proprietarie (basate su reattori)

Consarc è l’unico fornitore di sistemi ESR che progetta e costruisce le proprie unità di potenza. Ciò consente di soddisfare esattamente le esigenze richieste dalla specifica applicazione fusoria. I sistemi di alimentazione ESR della Consarc sono robuste unità di potenza in corrente alternata raffreddate ad acqua, basate su reattore monofase. Tali unità occupano uno spazio esiguo e possono vantare un’affidabilità eccezionale, una lunga durata operativa e bassi costi operativi e di manutenzione.