ARCO ELECTRICOEn electricidad se denomina arco elctrico o tambin arco voltaico a la descarga elctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmsfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presin, o al aire libre.

Fue descubierto y demostrado por primera vez por el qumico britnico Humphry Davy en 1800. Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, los extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lpiz, por lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa (unos 10 amperios) a travs de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento en el punto de contacto, al separarse los electrodos, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama.La descarga est producida por electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero tambin, en parte, por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El choque de los iones genera un calor intenso en los electrodos, calentndose ms el electrodo positivo debido a que los electrones que golpean contra l tienen mayor energa total.En un arco abierto al aire a presin normal, el electrodo positivo alcanza una temperatura de 3500 grados celsius. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran desprendimiento de calor. Ambos fenmenos, en caso de ser accidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurre con la perforacin de aisladores en las lneas de transporte de energa elctrica en alta tensin o de los aislantes de conductores y otros elementos elctricos o electrnicos.

APLICACIONES

El arco elctrico utilizado de forma controlada se ha empleado como fuente de luz, antes de la invencin de la lmpara incandescente e incluso despus, en la industria cinematogrfica para conseguir fuertes intensidades luminosas en la filmacin de pelculas as como en los proyectores de las salas de cine. Los efectos calorficos del arco elctrico se continan utilizando en la industria para la soldadura de metales y otros procedimientos metalrgicos. En este ltimo tipo de aplicaciones el intenso calor generado por el arco elctrico suele utilizarse en hornos especiales para fundir materiales refractarios. En este tipo de hornos pueden alcanzarse fcilmente temperaturas del orden de los 3500 C. Esto tambin permite fundir productos con un punto de fusin muy alto. La ventaja especial de este procedimiento es una completa independencia a la hora de elegir los productos a aplicar (chatarra, esponja de hierro, arrabio as como cualquier tipo de mezcla).

APLICACIN DEL ARCO ELECTRICO A LA SOLDADURA

Para comprender mejor la aplicacin del arco elctrico a la soldadura, es necesario conocer ciertos principios fundamentales relacionados con la electricidad.

a) El circuito elctrico.

La corriente elctrica es un flujo de electrones que circula por un conductor en un circuito cerrado, denominado circuito elctrico.

b) El circuito de soldadura por arco elctrico.

La corriente fluye a partir del borne de la mquina de soldar, donde se fija el cable del electrodo (1), y termina en el borne de la mquina, donde se fija el cable de tierra o de trabajo (2).Como puede observarse en la Fig. 7, a partir del punto (1) la corriente fluye al portaelectrodo y por ste al electrodo por el extremo del electrodo salta la electricidad a la pieza formando el arco elctrico sigue fluyendo la electricidad por el metal base al cable de tierra (2) y vuelve a la mquina. El circuito est establecido slo cuando el arco se encuentra encendido.

c) Voltaje y amperaje.

El agua circula a lo largo de un tubo, si existe una presin que lo impulse en la misma forma, la corriente elctrica fluye o circula a travs de un circuito, si existe una presin, que impulse el flujo de electrones dentro de un conductor (mquina en funcionamiento). Esta presin, que induce una corriente elctrica, se llama diferencia de potencial, tensin o voltaje. El voltaje se expresa en voltios y se mide con el voltmetro algunas mquinas de soldar poseen voltmetro y un regulador de voltaje. La cantidad de agua, que pasa por un tubo, se mide por una magnitud en una unidad de tiempo (metros cbicos por segundo). En igual forma se utiliza, para expresar la magnitud de corriente elctrica, la cantidad de electricidad por segundo. La unidad utilizada es el Columbio por Segundo, lo que se expresa en Amperios, y se mide con un instrumento llamado ampermetro. T odas las mquinas de soldar cuentan con reguladores, que permiten variar el amperaje o intensidad de corriente elctrica necesaria para soldar.

d) Clases de corriente elctrica.

- Corriente alterna (AC). El flujo de corriente vara de una direccin a la opuesta.Este cambio de direccin se efecta 100 a 120 veces por segundo. El tiempo comprendido entre los cambios de direccin positiva o negativa se conoce con los nombres de ciclo o perodo (50 a 60 ciclos). En el Per utilizamos, por lo general, la corriente alterna de 220 voltios y 60 ciclos. Esta corriente es transportada por redes elctricas monofsicas que utilizan 2 cables, o bien es conducida por redes elctricas trifsicas, que utilizan 3 cables de transportacin. Las mquinas de soldar pueden utilizar tanto la corriente monofsica como la trifsica.

- Corriente continua (CC). El flujo de corriente conserva siempre una misma direccin: del polo negativo al positivo.

e) Polaridad.

En la corriente continua es importante saber la direccin del flujo de corriente. La direccin del flujo de corriente en el circuito de soldadura es expresada en trmino de POLARIDAD. Si el cable del portaelectrodo es conectado al polo negativo () de la fuente de poder y el cable de tierra al polo positivo (+), el circuito es denominado POLARIDAD DIRECTA o NORMAL.

Cuando el cable del portaelectrodo es conectado al polo positivo (+) de la fuente de poder y el cable de tierra al polo negativo, el circuito es denominado POLARIDADINVERTIDA o INDIRECTA.

En algunas mquinas no es necesario cambiar los cables en los bornes, porque poseen una manija o llave de conmutacin que permite cambiar de polaridad con facilidad.En una mquina de corriente alterna no es posible diferenciar los cables por sus conexiones de grapa y porta electrodo porque la electricidad fluye por ellos alternando su sentido o direccin.Un soldador debe estar familiarizado con los efectos de la polaridad en el proceso de soldadura.Generalmente, el electrodo conectado al polo positivo (polaridad invertida) permite una mayor penetracin y el electrodo conectado al negativo (polaridad directa) da una mayor velocidad de fusin. Sin embargo, los componentes qumicos del revestimiento del electrodo pueden hacer variar los efectos de la polaridad y, por ello, es conveniente seguir las instrucciones del fabricante para conectar el electrodo correctamente, ya sea al polo positivo o negativo.Cuando se suelda con un electrodo, debe usarse siempre la polaridad correcta para obtener los resultados satisfactorios que se esperan: buena penetracin, aspecto uniforme del cordn, excelente resistencia de la junta soldada.

f) Fenmenos del arco elctrico para soldar.

En los polos del arco, el voltaje vara segn la longitud de ste. Al rozar el electrodo con la pieza, el voltaje es cero y va aumentando a medida que la longitud del arco se hace mayor, hasta que por alejarse demasiado el electrodo el arco se interrumpe y la mquina vuelve a su voltaje en vaco, que es siempre ms elevado que el voltaje de trabajo.La intensidad de corriente o amperaje necesario para fundir el electrodo y, por lo tanto, la pieza a soldar debe elevarse a medida que aumenta el dimetro del electrodo utilizado. La regulacin o aumento del amperaje la hace el soldador.

APLICACIN EN HORNO DE ARCO ELCTRICO

Un horno de arco elctrico (siglas en ingls: EAF ('Electric Arc Furnace')) es un horno que se calienta por medio de un arco elctrico. Los tamaos de un horno de arco elctrico van desde la tonelada de capacidad (utilizado en fundiciones) hasta las 400 toneladas de capacidad utilizado en la industria metalrgica. Adems, existen hornos de laboratorio y usados por dentistas que tienen una capacidad de apenas doce gramos.La temperatura en el interior de un horno de arco elctrico puede alcanzar los 3800 grados Celsius.

El primer horno elctrico de arco se desarroll por el francs Paul Hroult, con una planta comercial establecida en EE. UU. en 1907. En principio, el acero obtenido por horno elctrico era un producto especial para la fabricacin de mquinas Herramienta y de acero para resortes. Tambin se utilizaron para preparar carburo de calcio para las lmparas de carburo.

En el s. XIX, el horno de arco elctrico se empez a emplear en la fundicin de hierro. Sir Humphry Davy llev a cabo una demostracin experimental del horno en 1810 El mtodo de soldadura por arco elctrico fue investigado por Pepys en 1815 Pinchon itent crear un horno electrotrmico en 1853 y, en 1878 79,Wilhelm Siemens patent el horno de arco elctrico. El horno elctrico de Stessano era un horno de arco que rotaba para mezclar la colada.Los hornos de arco elctrico fueron utilizados en la Segunda Guerra Mundial para la produccin de aleaciones de acero, fue despus cuando la fabricacin de acero por este mtodo comenz a expandirse. El bajo coste en relacin a su capacidad de produccin permiti establecerse nuevas aceras en Europa en la postguerra, y tambin permiti competir en bajo coste con los grandes fabricantes de Estados Unidos, tales como Bethlehem Steel y U.S. Steel, con productos de viguera, cables y laminados para el mercado estadounidense. Cuando Nucor, que ahora es uno de los mayores productores de acero de los Estados Unidos, decidi entrar en el mercado de aceros alargados en 1969, comenzaron con una acera pequea, en cuyo interior se encontraba el horno de arco elctrico. Pronto le siguieron otros fabricantes. Mientras Nucor creca rpidamente a lo largo de la costa este de los Estados Unidos, las empresas que le seguan con operaciones mercantiles localizadas para aceros alargados y viguera, donde el uso del horno de arco elctrico permita flexibilidad en las plantas de produccin, adaptndose a la demanda local. Este mismo patrn fue seguido en otros pases, en donde el horno de arco elctrico se utilizaba principalmente para produccin de viguera.En 1987, la compaa Nucor tom la decisin de expandir su negocio en el mercado de productos laminados, utilizando para ello el horno de arco elctrico.El hecho de que un horno de arco elctrico use acero procedente de chatarra como materia prima tiene un impacto en la calidad de un producto laminado, debido al control de calidad limitado sobre las impurezas que contiene un acero procedente de chatarra.

Construccin

El horno de arco elctrico para acera consiste en un recipiente refractario alargado, refrigerado por agua para tamaos grandes, cubierto con una bveda tambin refractaria y que a travs de la cual uno o ms electrodos de grafito estn alojados dentro del horno. El horno est compuesto principalmente de tres partes: El armazn, que consiste en las paredes refractarias y la cimentacin. El hogar, que consiste en el lecho refractario que bordea la cimentacin. La bveda o cubierta, de aspecto esfrico o de frustrum (de seccin cnica), cubre el horno con material refractario. Puede estar refrigerada con agua. La bveda est construida con materiales de alta resistencia piroscpica (generalmente hormign refractario) para soportar grandes choques trmicos y en la que se encuentran los electrodos de grafito que producen el arco elctrico.

El hogar puede tener una forma hemiesfrica u ovoidal. En talleres de fundicin modernos, el horno suele levantarse del suelo, as la cuba y los vertederos y las cucharas de colada pueden maniobrar sobre la base del horno. Separado de la estructura del horno est el sistema elctrico y el soporte del electrodo, adems de la plataforma basculante sobre la que descansa el horno.

Un horno tpico de corriente alterna tiene tres electrodos. Los electrodos tienen una seccin redonda y, por lo general, segmentos con acoplamientos roscados, de modo que a medida que se desgastan los electrodos, se pueden agregar nuevos segmentos. El arco se forma entre el material cargado y el electrodo. As la carga se calienta tanto por la corriente que pasa a travs de la carga como por la energa radiante generada por el arco. Los electrodos suben y bajan automticamente mediante un sistema de posicionamiento, que puede ya sean montacargas elctricos o cilindros hidrulicos.

El sistema de regulacin mantiene aproximadamente constante la corriente y la potencia de entrada durante la fusin de la carga, a pesar de que la chatarra puede moverse debajo de los electrodos a medida que se derrite. Los brazos del mstil de sujecin de los electrodos llevan pesados embarrados, los cuales pueden ser huecos, con tuberas de cobre refrigeradas por agua, llevando corriente elctrica a las sujeciones de los electrodos. Los modernos sistemas utilizan "brazos calientes", donde el brazo entero conduce la corriente, aumentando el rendimiento. stos se pueden fabricar de acero revestido de cobre o de aluminio. Puesto que los electrodos se mueven de arriba a abajo, de forma automtica para la regulacin del arco y se levantan para permitir quitar la bveda del horno, unos cables refrigerados por agua pesada conectan el haz de tubos y brazos con el transformador situado junto al horno. Para proteger el transformador del calor, ste se instala en una cmara acorazada.El horno est construido sobre una plataforma basculante para que el acero lquido se vierta en otro recipiente para el transporte. La operacin de inclinacin del horno para verter el acero fundido se conoce como "tapping". Originalmente, todos los hornos de produccin de acero tenan un cao para verter, que estaba revestido de refractario, por el que aliviaban cuando estaban inclinados, pero a menudo los hornos modernos tienen una desembocadura excntrica en la parte inferior (EBT) para reducir la inclusin de nitrgeno y de escoria en el acero lquido. Estos hornos tienen una abertura que pasa verticalmente a travs del hogar y el armazn, y se encuentra fuera del centro en la estrecha "nariz" del hogar ovalado. Las plantas modernas pueden tener dos armazones con un solo sistema de electrodos que se pueden transferir entre los dos armazones un armazn precalienta la chatarra mientras que el otro armazn se utiliza para la fusin. Otros hornos basados en corriente continua tienen una disposicin similar, pero tienen electrodos para cada armazn y un solo sistema electrnico. Existen hornos de CA que por lo general exhiben un patrn de calor y puntos fros alrededor del permetro del hogar, con los puntos fros situados entre los electrodos. Hay hornos modernos que montan quemadores de combustible de oxgeno en la pared lateral y los utilizan para proporcionar energa en esos puntos fros, consiguiendo un calentamiento del acero ms uniforme. La energa qumica adicional se proporciona mediante la inyeccin de oxgeno y carbono en el horno histricamente esto se haca a travs de lanzallamas en la puerta de la escoria, ahora esto se hace principalmente a travs de mltiples equipamientos de inyeccin empotrados en la pared.Un moderno horno de fabricacin de acero de tamao mediano tiene un transformador de 60 MVA de potencia, con una tensin secundaria entre 400 y 900 voltios y una corriente secundaria de ms de 44.000 amperios.En un taller moderno, un horno debera producir una cantidad de 80 toneladas mtricas de acero lquido en aproximadamente 60 minutos de carga con chatarra fra para aprovechar el horno. En comparacin, los hornos bsicos de oxgeno pueden tener una capacidad de 150300 toneladas por lote, y pueden producir un lote entre 30 y 40 minutos. Existen enormes variaciones en los detalles del diseo y el funcionamiento del horno, dependiendo del producto final y las condiciones locales, as como de los ltimos estudios para mejorar la eficiencia del horno. El mayor horno dedicado a chatarra (en trminos de capacidad y de tamao de transformador) se encuentra en Turqua, con una capacidad de 300 toneladas mtricas y un transformador de 300 MVA.

REQUERIMIENTOS DE ENERGA ELCTRICA

Producir una tonelada de acero en un horno de arco elctrico requiere aproximadamente de 400 kWh de electricidad por tonelada corta, o alrededor de 440 kWh por tonelada mtrica. La cantidad mnima terica de energa requerida para fundir una tonelada de chatarra de acero es de 300 kWh (punto de fusin1520C/2768F). Por lo tanto, dicho horno de arco elctrico de 300 toneladas y 300 MVA requerira aproximadamente de 132 MWh de energa para fundir el acero, y un "tiempo de encendido" (el tiempo que el acero se funde con un arco) de aproximadamente 37 minutos. La fabricacin de acero con arco elctrico es slo rentable donde hay electricidad abundante, con una red elctrica bien desarrollada.

ACCIDENTES

Cada ao cientos de trabajadores de la electricidad sufren quemaduras fatales o causantes de invalidez por causa del arco elctrico, muchas de las cuales podran evitarse o verse disminuidas en cuanto a su severidad a travs del uso apropiado de equipos de proteccin personal (EPP). El departamento de estadsticas laborales de los Estados Unidos muestra que existe un promedio de 1710 quemaduras elctricas por ao. El peor ao hasta la fecha fue 1995 con un total de 2200. Si bien existe una tendencia a bajar, debido en parte al aumento en el uso de EPP por parte de los trabajadores de la electricidad, an queda mucho por hacer para ganar la aceptacin y el uso universal de los mismos.