Els forns elèctrics són equips que operen a temperatura superior a l'ambiental i que escalfen peces en el seu interior per acció directa o indirecta del flux elèctric, és a dir, del moviment d'electrons en el si d'un material.

Les parts bàsiques d'un forn elèctric són:

• Cambra d'escalfament: és l'espai físic on es col·loca la peça que s’ha d’escalfar.
• Elements elèctrics: són nombrosos i són els responsables de l'escalfament de la peça, basant-se en diferents principis físics.
• Revestiment aïllant: és necessari per minimitzar les pèrdues de calor a l'ambient.

2.1 Fenòmens relacionats amb l'escalfament elèctric

Efecte Joule. Els electrons que es desplacen en un corrent elèctric van perdent energia en el seu recorregut, que es dissipa en forma de calor. Aquesta dissipació provoca un escalfament del conductor, que es coneix com efecte Joule. Aquesta calor generada és la responsable d'escalfar la peça.

Inducció. Si per una bobina elèctrica, que embolcalla una peça metàl·lica, fem passar un corrent altern, s'indueix una força electromotriu (tensió) en la peça metàl·lica. Aquesta força electromotriu donarà lloc a la generació d'un corrent altern de la mateixa freqüència en la peça metàl·lica.

Arc elèctric. S’anomena arc elèctric o també arc voltaic la descàrrega elèctrica que es forma entre dos elèctrodes sotmesos a una diferència de potencial i col·locats en el si d'un gas a baixa pressió. Durant el temps de la descàrrega es produeix una lluminositat molt intensa i un gran despreniment de calor.

Inèrcia tèrmica. És la propietat que indica la quantitat de calor que pot conservar un cos i la velocitat amb què la cedeix o l’absorbeix de l'entorn. Depèn de la massa del material, de la seva calor específica i de la seva conductivitat tèrmica. És gran en materials densos, aluminosos o bàsics.

2.2 Formes d'escalfament en forns elèctrics

L'escalfament per energia elèctrica es pot realitzar mitjançant les tècniques següents:

1) Resistències d'escalfament indirecte:

• Poden ser metàl·liques o no metàl·liques.
• Es disposen a les parets laterals, volta i/o solera uns conductors elèctrics als quals s'aplica una tensió, i que operen com a resistències pures. D'aquesta manera, s'escalfen per efecte Joule i emeten calor a la peça per radiació.
• Les resistències també es poden disposar a l'interior d'un tub radiant.

2) Escalfament per inducció:

• Es basa en el fenomen d'inducció de corrent altern en una peça metàl·lica embolcallada en una bobina.
• L'escalfament de la peça es deu a aquest efecte Joule.

3) Escalfament per arc elèctric i arc d'elèctrode radiant

• En el cas d'arc elèctric, la calor es desprèn pel pas del corrent elèctric entre els elèctrodes i la càrrega, i s’assoleixen temperatures superiors a 3.000º C.
• En el forn d'arc d'elèctrode radiant, l'arc elèctric salta entre dos elèctrodes disposats horitzontalment. L'energia radiant s'emet sobre la volta cilíndrica refractària i sobre la càrrega.

4) Escalfament directe per resistència

• Consisteix en l'aplicació directa sobre la peça d'unes mordasses a les quals se sotmet una tensió elèctrica adequada, i es genera calor per efecte Joule.

5) Sals, llits fluïdificats

• Un bany de sal fosa es comporta com un electròlit, permet el pas de corrent elèctric entre dos elèctrodes i genera calor per efecte Joule.
• El forn de llit fluïdificat conté un llit de pols de material refractari fos en el qual se submergeixen les peces metàl·liques, que s’escalfen molt ràpidament per conducció.

6) Altres procediments

• Són més moderns i inclouen l'escalfament per plasma, feix d'electrons, rajos làser, microones, etc.

2.3 Tipus de forns elèctrics

2.3.1 Forns de fusió i de manteniment

La seva funció és la de fondre el material i mantenir-lo en estat líquid. N’hi ha de diversos tipus:

1) Forns d'arc trifàsic. En aquests forns es distingeixen tres parts fonamentals:

a) Part mecànica: Consta de múltiples elements:

• Cup: element fonamental suportat per la plataforma. Conté el bany de metall fos.
• Anells de volta: refrigerats per aigua.
• Braços portaelèctrodes i columnes: Formen tres unitats mòbils i estan suportats per una superestructura.
• Mecanismes d'elevació i de gir de volta, accionament d'elèctrodes i basculació: S'accionen hidràulicament i tenen diverses funcions.

b) Part elèctrica o subestació: comprèn els elements següents:

• Seccionador d'entrada.
• Interruptor general.
• Transformador de potència, reductor de tensió: És l'element fonamental i està sotmès a grans esforços electrodinàmics (curtcircuits gairebé continus entre elèctrodes i càrrega), per tant ha d'estar construït per suportar aquestes exigències.
• Panells de comandament i control.
• Embarrat a baixa tensió.
• Cables refrigerats per aigua.
• Bateria de condensadors: en forns d'alta potència.

c) Elements auxiliars: els principals són el circuit hidràulic i l'equip de regulació. També existeix l'equip d'aspiració i de depuració de fums, però és gairebé independent.

2) Forns d'inducció: es classifiquen en forns de canals i de gresol sense nucli:

a) Forns de canals: estan constituïts per un circuit magnètic de xapa que conté un enrotllament primari normal i un de secundari d'una sola volta formada pel metall fos contingut en un canal de material refractari.

b) Forns de gresol sense nucli: el forn pròpiament dit consisteix simplement en un revestiment refractari, en forma de gresol, envoltat per una bobina a través de la qual es fa circular un corrent altern de la freqüència adequada.

• Les freqüències aplicades poden variar entre 50 Hz i més de 10.000 Hz. Aquesta freqüència és generada pels equips elèctrics i s’ha de controlar i mantenir i durant tot el procés.
• Les capacitats mínimes adoptades per la majoria de les empreses constructores de forns són les següents:

3) Forns de gresol. En aquests forns, el metall es fon en un gresol metàl·lic o ceràmic (segons l'aplicació), escalfat per resistències elèctriques que l’envolten lateralment.

4) Forns de reverber. Tenen forma de cup rectangular, amb les resistències disposades a la volta, bé exposades directament o bé col·locades a l'interior de tubs radiants.

2.3.2 Forns de reescalfament

El seu objectiu fonamental és l'escalfament de peces per a processos com són ara la laminació, l’extrusió, la forja, l’estampació i el conformat.

Es manté l'estat sòlid de les peces, i únicament se’n busca l'ablaniment perquè siguin més mal·leables.

Hi ha múltiples tipus, molts d'ells comuns als forns de gas, com són ara els forns de mufla, de bigues galopants, de solera giratòria etc.

2.3.3 Forns de tractaments tèrmics

S'utilitzen per conferir una característica especial a la peça a tractar, com poden ser els tractaments tèrmics superficials de cimentació o de carbonitruració, o que afectin tota la peça com el temperat, la recuita, l’envelliment, el reveniment, etc.

El seu ús és molt comú i estan molt estesos, i n’existeixen nombrosos tipus adequats per a cada operació:

Intermitents:

• De mufla.
• De pou.
• De retorta giratòria.
• De solera mòbil de carro
• De circulació forçada d'aire o de gas protector
• De campana

Forns continus:

• De solera de rodets accionats.
• De cinta transportadora de malla de filferro.
• De solera giratòria.
• De catenària.
• De banda flotant, etc.

3.1 Cambra d'escalfament

És l'espai físic on s'escalfa la peça.

Pot adoptar moltes formes diferents segons el tipus de forn elèctric, però en tots ells es troba revestida per un aïllant tèrmic.

3.2 Elements elèctrics

Aquest terme agrupa molts elements, entre els quals destaquen:

Resistències:

A la taula es mostra un llistat de les resistències d'escalfament indirecte més comunes i algunes característiques que les fan aptes per a un o altre procés.

Elèctrodes:

Són necessaris en els forns d'arc elèctric i solen estar construïts de grafit.

3.3 Materials refractaris i aïllants

El seu objectiu és aïllar l'interior dels forns amb un doble propòsit:

• Reduir les pèrdues de calor.
• Aconseguir unes condicions ambientals a l'exterior suficientment acceptables.

La capa interior de l'aïllant tèrmic ha de ser capaç de:

• Suportar l'ambient interior (fums, aire en circulació, gasos reductors, etc.). Resistència tèrmica.
• Contenir sense reacció química, en termes generals, metalls i no metalls fosos, a alta temperatura, etc. Resistència química.

Segons la temperatura màxima que hagin de suportar, tenim:

• Productes calorífugs (fins a 150º C). La humitat afecta molt les seves propietats aïllants. Són innombrables i poc especialitzats.
• Productes aïllants (fins a 1.000º C). Tenen una baixa conductivitat tèrmica.
• Productes refractaris (fins a 1.500º C). No tenen un punt de fusió determinat, sinó que es fonen en un rang de temperatures (fusió pastosa).

4.1 Avantatges

El principal avantatge d'aquest tipus de forns enfront dels forns de gas és el major rendiment energètic que s'aconsegueix en els elèctrics, ja que l'electricitat és una forma d'energia d'alta qualitat.

Els forns elèctrics produeixen gasos, però no de combustió (per exemple, CO2 en la descarburització de l'acer), per tant, les emissions són menys perilloses per al medi ambient i els volums molt inferiors.

Els forns elèctrics permeten escalfar parts d'una peça aïlladament, per exemple, mitjançant inducció, mentre que en els forns de combustió això no és possible i la peça ha d'entrar al forn sencera.

4.2 Desavantatges

Els consums energètics varien molt d'un tipus de forn a un altre, i influeixen factors com ara el combustible o la morfologia del forn.

Els forns elèctrics tenen aplicació en molts processos industrials i sectors de la indústria, el que fa que sigui en molts casos una opció alternativa als forns de combustió.

Processos industrials:

• Fusió de materials fèrrics. A Espanya el 50 % de la producció d'acer a partir de la fusió de ferralla es realitza en forns d'arc elèctric, i també s’utilitzen cubilots i forns de gresol sense nucli i de canals.
• Fusió de materials no fèrrics i no metàl·lics. Producció d'aliatges de coure i alumini i d'aliatges de baix punt de fusió en forns de gresol.
• Escalfament de materials. Per a laminació i trefilat, extrusió, forja, estampació i conformat en calent.
• Tractament tèrmic de metalls i aliatges. Per a recuita, tremp, reveniment, normalitzat, envelliment i altres processos de l'acer, l’alumini, el magnesi, el coure, el llautó, el bronze, etc.
• Recobriment de peces metàl·liques i no metàl·liques mitjançant galvanització, estanyadura, esmaltat a base de plàstics, de pólvores metàl·liques o de pintures i vernissos.

Sectors industrials:

• Indústria ceràmica i del vidre: per a fabricació de productes ceràmics i tractaments com l'esmaltat. Aquesta indústria és una gran consumidora d'energia.
• Indústria alimentària: en la fabricació de pa i rebosteria industrial, assecadors a la indústria càrnia i agroalimentària, tractaments tèrmics a la indústria làctia, etc.
• Indústria tèxtil: per a estampació tèrmica de peces.
• Indústria de la forja i fabricació de mobles metàl·lics.
• Indústria química i metal·lúrgica: en prereducció i reducció de minerals entre altres aplicacions.

Els forns elèctrics són especialment aptes per a petites càrregues, de manera  que el seu ús en indústries de petites produccions i en el sector serveis està molt estès:

• Microfusió de peces per a la indústria dental i la joieria.
• Sector sanitari: incineradores d'agulles hipodèrmiques i deixalles sanitàries.
• Altres: engloba una llarga sèrie d'aplicacions molt específiques de menor interès.

Totes les mesures tenen com a objectiu reduir al mínim els consums específics. Estan enfocades a diferents punts:

6.1 Aïllament

• Utilitzeu un bon material aïllant, adequat a les condicions d'operació que eviti en gran mesura les pèrdues de calor a través de les parets del forn per conducció tèrmica.
• Feu servir materials de baixa inèrcia tèrmica (vegeu Conceptes bàsics) perquè garanteixen pèrdues inferiors de la calor emmagatzemada en el revestiment.
• Reduïu al màxim possible el nombre d’obertures del forn.
• Opereu amb una lleugera pressió positiva quan sigui possible, per evitar infiltracions d'aire exterior.
• Mantingueu obertes les portes el menor temps possible en les operacions de càrrega i descàrrega.
• Comproveu periòdicament el bon estat per evitar pèrdues innecessàries

6.2 Regulació

• Utilitzeu tiristors, que són uns dispositius semiconductors de regulació que funcionen com interruptors electrònics. La seva utilització evita la instal·lació de turbines d'homogeneïtzació, que a banda del cost econòmic que impliquen, també suposen un consum energètic.
• Automatitzeu al màxim els processos d'escalfament i de refredament.

6.3 Organització i racionalització de la producció

• Programeu el treball del forn per evitar períodes transitoris d'escalfament i de refredament.
• Reduïu la temperatura de manteniment del forn durant temps morts.
• Analitzeu els cicles de treball dels forns, i mantingueu en servei els més eficaços.
• Programeu aturades dels forns per efectuar un manteniment preventiu de tots els seus elements.
• Comproveu que el cicle d'escalfament s'ajusta a les necessitats reals.
• Planifiqueu les càrregues per aprofitar al màxim cada fornada.
• Eviteu que part de la càrrega sobresurti del forn.
• Utilitzeu la mínima ventilació del forn compatible amb la seguretat.
• Reduïu al mínim possible la temperatura d'escalfament del forn.
• Utilitzeu els sistemes més eficients a la seva màxima capacitat i els menys eficients només quan sigui necessari.

6.4 Recuperació de l'energia

• Certes parts dels forns elèctrics (cables i tubs de tall de corrent dels forns d'arc, inductors, etc.) han de ser refrigerades perquè les altes temperatures poden malmetre-les.
• És en aquests punts on precisament es donen les majors pèrdues de rendiment energètic de la potència elèctrica.
• S'ha d'emprar la calor absorbida per l'aigua de refrigeració dels elements delicats del forn per a la producció d'aigua calenta sanitària o de calefacció en els locals de la planta.

Informació complementària: Vegeu Catàleg forns elèctrics.