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POLITECNICO DI MILANO
Facoltà di Ingegneria Industriale
Corso di Laurea in
Ingegneria Meccanica
Studio Energetico Sull’efficienza Di Un Forno EAF Al Variare Del Materiale Di
Carica E In Funzione Della Regolazione Dell’impianto Fumi
Relatore:
Prof. Carlo Mapelli
Tesi di Laurea di:
Marco Fusar Poli
Anno Accademico 2011 - 2012
Matr. 770448
Indice Generale
Capitoli
1
Il forno elettrico ad arco (EAF) ............................................................. 1
1.1
Introduzione ................................................................................... 1
1.2
Il forno elettrico ad arco ................................................................. 3
1.3
Il processo di fusione della carica .................................................. 7
2
L’evoluzione tecnologica dell’EAF ...................................................... 15
2.1
Introduzione ................................................................................. 15
2.2
Iniezione di ossigeno ................................................................... 17
2.3
iniezione di ossigeno supersonico ................................................ 22
2.4
Pannelli raffreddati ad acqua ....................................................... 24
2.5
I bruciatori .................................................................................... 25
2.6
Aggiunta di carbone ..................................................................... 28
2.7
Utilizzo di scoria schiumosa ........................................................ 31
2.8
Eccentric bottom tapping ............................................................. 31
2.9
Regolazione E Controllo Degli Elettrodi E Iniettori Multipli ..... 32
2.10 Il Consteel EAF ........................................................................... 35
2.11 Controllo real time dei gas di processo ........................................ 39
3
Ricognizione sull’efficienza energetica ed effetto della tipologia di
rottame sul calo metallurgico ........................................................................... 42
3.1
Introduzione ................................................................................. 42
3.2
Il forno TC EAF di Arvedi. ABS ................................................. 44
3.3
Il TC EAF dell’Acciaieria Bertoli Safau ..................................... 49
3.4
La relazione tra energia elettrica, calo e tipologia di mix di carica
........................................................................................ 54
4
Simulazione fusoria di una carica di rottame ..................................... 63
4.1
Introduzione ................................................................................. 63
4.2
Il modello CAD ........................................................................... 63
4.3
La simulazione ............................................................................. 66
4.3.1 Definizione dei materiali ................................................ 67
4.3.2 Il modello fisico .............................................................. 70
4.3.3 La mesh .......................................................................... 76
5
Discussione e conclusioni ...................................................................... 77
5.1
Analisi dell’efficienza energetica dei due forni ........................... 77
5.2
5.3
Relazione tra mix di carica e calo metallurgico ........................... 80
Commento sui risultati ottenuti dalla simulazione ...................... 82
Bibliografia ....................................................................................................... 87
Elenco delle Figure
1.1.1 Forno ad arco elettrico di Stassano ............................................................ 1
1.1.2 Tipologie di forni ad arco diretto. E’ evidenziato il forno ad arco elettrico
trifase, il più utilizzato oggigiorno ............................................................ 2
1.2.1 Semplice schematizzazione di un forno ad arco elettrico trifase, nella
quale si possono notare le componenti principali ...................................... 3
1.2.2 Si può notare il tino inferiore in materiale refrattario e la parte superiore
costituita da pannelli raffreddati ad acqua ................................................. 5
1.2.3 Sistema di captazione dei fumi e i tre fori per il passaggio degli elettrodi
nella volta dell’EAF .................................................................................. 6
1.3.1 Esempio di caricamento di una cesta dal parco rottami ............................ 9
1.3.2 Carica della cesta di rottame nel forno elettrico ........................................ 9
1.3.3 Posizionamento dei bruciatori all’interno dell’EAF................................ 10
1.3.4 Spillaggio in siviera ................................................................................. 12
1.3.5 La porta di scorifica e gli elettrodi .......................................................... 13
1.3.6 Tipico valore di “Tap-to-Tap” di un’Acciaieria moderna ....................... 14
2.1.1 Evoluzione nel tempo dei processi di produzione dell’acciaio ............... 15
2.1.2 Miglioramento delle prestazioni del forno elettrico ad arco ................... 17
2.2.1 Iniezione di ossigeno nell’EAF tramite una lancia .................................. 17
2.2.2 Diagramma di Richardson ....................................................................... 19
2.2.3 Andamento della % di C durante l’iniezione di ossigeno ....................... 20
2.2.4 Bilanciamento delle fonti energetiche utilizzate al fine di raggiungere la
temperatura e la % di C richiesta allo spillaggio .................................... 21
2.3.1 Ugello di Laval ........................................................................................ 22
2.3.2 TENOVA KT Block Lance: combinazione di una lancia/bruciatore ad
ossigeno supersonico ed ad iniezione di polvere di carbone ................... 24
2.5.1 Prezzi dell’energia elettrica per le utenze industriali .............................. 25
2.5.2 post combustione del CO e del H2 proveniente dalla carica ................... 27
2.6.1 Iniezione di polvere di carbone nel metallo liquido ................................ 29
2.6.2 Iniezione di polvere di carbone in scoria liquida..................................... 30
2.8..1 Forno E.B.T. ............................................................................................ 32
2.9.1 Sistema di regolazione e controllo degli elettrodi (TENOVA’S TDRH) 33
2.9.2 Moduli di iniezione multipla (TENOVA’S KT INJECTION SYSTEM)34
2.9.3 Costi tipici di processo di un’Acciaieria con EAF .................................. 35
2.10.1 Schema impiantistico di un sistema Consteel EAF ................................. 35
2.10.2 Uno spaccato di un Consteel EAF ........................................................... 36
2.10.3 Carico di ghisa liquida nel Consteel ........................................................ 37
2.10.4 Influenza del caricamento del metallo liquido sul TTT .......................... 37
2.10.5 Profilo di temperatura di un forno Consteel da 100-120 ton/h ................ 39
2.11.1 Installazione del sistema EFSOP ............................................................. 40
2.11.2 Confronto dopo l’installazione del sistema di controllo e regolazione
EFSOP ..................................................................................................... 41
3.1.1 Il Consteel dell’Acciaieria 2 di Arvedi .................................................... 42
3.1.2 Il forno dell’Acciaieria ABS ................................................................... 43
3.1.3 Flussi in ingresso e in uscita dal forno EAF ............................................ 44
3.4.1 Relazione tra calo % e consumo di energia specifica elettrica per l’anno
2010 ......................................................................................................... 56
3.4.2 Relazione tra calo % e consumo di energia specifica elettrica per l’anno
2011 ......................................................................................................... 56
3.4.3 Relazione tra calo % e mix di carica ....................................................... 62
4.2.1 Schema del forno EAF dell’Acciaieria ABS ........................................... 64
4.2.2 L’assieme costruito nell’ambiente di modellazione 3d ........................... 65
4.3.1.1 Il modello del forno nell’ambiente di simulazione.................................. 67
4.3.2.1 Superfici sulle quali è stata impostata la condizione di inlet(a sinistra) e
di outlet (a destra) .................................................................................... 75
4.3.3.1 La discretizzazione dei domini facente parte il modello “Laminar Flow” ..
................................................................................................................. 76
5.1.1 Campo di velocità con v=20m/s .............................................................. 81
5.1.2 Verifica della velocità al quarto foro ....................................................... 82
5.2.1 Correlazione tra il parametro di merito (mix di carica) e il calo
metallurgico del Consteel ........................................................................ 85
Elenco delle Tabelle
3.2.1 Energie specifiche negli anni in esame. .................................................. 45
3.2.2 Efficienza del forno: rapporto percentuale tra energia per fondere il
rottame e energia totale effettivamente erogata in forma elettrica e
chimica .................................................................................................... 45
3.2.3 Composizione chimica media della scoria .............................................. 45
3.2.4 Composizione chimica media dei fumi ................................................... 45
3.2.5 Quantità di scoria nera e polveri negli anni considerati .......................... 46
3.2.6 Differenza tra calo misurato e calo stimato. ............................................ 46
3.2.7 Calo percentuale negli anni in esame ........................................................ 47
3.2.8 Stima della quantità persa in scoria delle specie metalliche .................... 48
3.2.9 Moli di ossigeno iniettate escluse quelle per ossidare il metano, peso del
materiale metallico che è possibile ossidare e calo percentuale provocato
dall’ossigeno. ........................................................................................... 48
3.3.1 Colate disponibili sottoposte all’analisi................................................... 49
3.3.2 Energie specifiche negli anni in esame in KWh/t. .................................. 50
3.3.3 Efficienza del forno: rapporto percentuale tra energia per fondere il
rottame e energia totale effettivamente erogata in forma elettrica e
chimica .................................................................................................... 50
3.3.4 Composizione chimica della scoria per le diverse colate ........................ 51
3.3.5 Composizione chimica media della scoria. ............................................. 51
3.3.6 Quantità di scoria delle colate considerate .............................................. 51
3.3.7 Differenza tra calo misurato e calo stimato ............................................. 52
3.3.8 Calo percentuale nelle colate in esame .................................................... 53
3.3.9 Stima delle quantità persa in scoria delle specie metalliche ................... 53
3.3.10 Moli di ossigeno iniettate escluse quelle per ossidare il metano, peso del
materiale metallico che è possibile ossidare e calo percentuale provocato
dall’ossigeno introdotto dalla lancia e in eccesso. ................................... 54
3.4.1 Cali percentuali del Consteel negli anni presi in considerazione ............ 55
3.4.2 Energia elettrica e chimica specifica del Consteel negli anni considerati ...
................................................................................................................. 57
3.4.3 Composizione chimica media delle scorie .............................................. 59
3.4.4 Efficienza del forno Consteel .................................................................. 59
3.4.5 Coefficienti di merito assegnati ad ogni tipologia di materiale di carica.59
3.4.6 Quantità di rottame caricato nel 2010, facente parte il mix di carica. ..... 60
3.4.7 Quantità di rottame caricato nel 2011, facente parte il mix di carica. ..... 61
3.4.8 Parametro di merito trovato come prodotto tra il coefficiente di merito e
le quantità caricate per il Consteel ........................................................... 61
3.5.1 Calo percentuale negli anni in esame dell’Acciaieria 1 di Arvedi....... ... 77
3.5.2 Calo percentuale nelle colate in esame di ABS.................................... ... 77
3.5.2. Coefficienti di merito assegnati ad ogni tipologia di materiale di
carica.........................................................................................................84
Sommario
Il ciclo da rottame fin dalla sua nascita ha cambiato la scena di produzione
dell’acciaio, sia comune che speciale. La continua ricerca e sviluppo di nuove
tecnologie, in grado sempre più di ottimizzare il processo, e l’implementazioni
di sistemi di regolazione e controllo, fanno dell'EAF (Electric Arc Furnace) una
tecnologia che andrà a ricoprire un ruolo sempre più centrale nel futuro nella
produzione mondiale d'acciaio. In questo lavoro si è voluto fare dapprima un
inquadramento generale sulle ultime tecnologie in uso nei più moderni EAF per
poi passare all’analisi dell’efficienza energetica di 2 forni Top Charge. Uno
dell’Acciaieria Bertoli Safau e l’altro dell’Acciaieria 1 di Arvedi. Inoltre si è
messo in relazione il calo metallurgico rilevato al forno Consteel EAF installato
nell’Acciaieria 2 di Arvedi con la tipologia di mix di rottame componente la
carica.
Parole chiave: EAF Top Charge, Consteel, Efficienza, Mix di carica, calo
metallurgico...
Abstract
The cycle from scrap has changed the scene of the production of common or
special steel. The continuous research and development of new technologies,
more and more able to optimize the process, and the implementations of systems
for management and control, make EAF (Electric Arc Furnace) technology that
will play an increasingly central role in future in the world production of steel.
In this work I wanted to do first a general overview on the latest technologies
being used in the most modern EAF and then proceed to analyze the energy
efficiency of 2 Top Charge . One installed in Steelworks Bertoli Safau and the
other at the Steelworks number 1 of Arvedi. Furthermore, it is put in relation the
metallurgical drop with the type of mix of scrap charging in the Consteel
installed in Steelworks number 2 of Arvedi.
Keywords: EAF Top Charge, Consteel, Efficiency, Mix of charge,
metallurgical drop…
Capitolo 1
Il Forno Elettrico Ad Arco (EAF)
1.1 Introduzione
Nel 1878 Wilhelm von Siemens fu il primo a utilizzare l’energia elettrica per
fondere l’acciaio in un piccolo crogiolo, nel quale erano introdotti due elettrodi
in grafite.
Tra il 1888 e il 1894 Hèroult impiega con successo l’energia elettrica per
produrre ferro leghe e alluminio.
In seguito nel 1896 Ernesto Stassano esegue delle prove in un piccolo forno a
tino rettangolare munito di due elettrodi, con riscaldamento ad arco indiretto
(l’arco scocca tra un elettrodo e l’altro) e potenza installata di 370 kW [2].
Figura 1.1.1. Forno ad arco elettrico di Stassano.
1
Capitolo 1
Molteplici sono le varianti proposte da Stassano e numerose le installazioni,
tuttavia il forno ad arco indiretto non è in grado di sostenere la concorrenza con
il forno Hèroult ad arco diretto con suola non conduttrice, messo a punto nel
1900, poiché non adatto a unità di grosse produzioni e più soggetti a problemi di
esercizio.
Questi tipi di forni elettrici ad arco hanno ricoperto un ruolo importante nella
nascita della siderurgia elettrica alla fine dell’800 e gli inizi del ‘900.
Oggigiorno il ciclo elettrico o da rottame rappresenta la seconda filiera
principale della produzione di acciaio, e il forno elettrico ad arco, o EAF
(Electric Arc Furnace), diretto, trifase con suola non conduttrice rappresenta la
macchina di fusione più presente in ambito industriale.
Esistono anche forni ad arco diretto, alimentati in corrente continua e a suola
conduttrice, ma per problemi di eccessivi costi legati alla parte elettrica di
potenza e di durata della suola, il loro utilizzo è andato scemando negli anni.
Figura 1.1.2. Tipologie di forni ad arco diretto. È evidenziato il forno elettrico
ad arco trifase, il più utilizzato oggigiorno [4].
2
Il Forno Ad Arco Elettrico (EAF)
1.2 Il Forno Elettrico Ad Arco
Il forno elettrico ad arco, o Electric Arc Furnace (EAF), è utilizzato in
metallurgia per la produzione dell’acciaio a partire dal rottame, che in funzione
del prodotto finale che si vuole realizzare può essere più o meno selezionato.
Figura 1.2.1. Semplice schematizzazione di un forno elettrico ad arco
trifase, nella quale si possono notare le componenti principali.
In breve, il rottame viene fuso tramite un arco elettrico che viene scoccato da tre
elettrodi consumabili in grafite, che entrano nel forno dalla volta. Passiamo a
dare una rapida descrizione dei vari elementi costituenti il forno elettrico:
·
Tino inferiore o suola: struttura metallica rivestita internamente di
refrattario (2). Appoggia su una piattaforma basculante che permette di
cambiare inclinazione del forno per effettuare operazioni di scorifica e
spillaggio del metallo liquido attraverso il “becco”(6). Contiene, durante
le operazioni del forno, sia l’acciaio fuso o in fusione sia la scoria;
·
Tino superiore: è una “gabbia” metallica che ha il compito di alloggiare
dei pannelli raffreddati ad acqua (1). Contiene il materiale, la carica, che
3
Capitolo 1
viene immesso nel forno per essere fuso. Viene fissato meccanicamente
al tino inferiore, diventando di fatto un corpo unico, smontabile per le
operazioni di manutenzione;
·
Volta: è il “coperchio” del forno, sostenuto da un ponte mobile che ne
permette il sollevamento e la rotazione allo scopo di aprire il forno per le
operazioni di carica (3). Generalmente è realizzato in struttura metallica
raffreddata ad acqua. Presenta un’apertura superiore per il passaggio dei
tre elettrodi in grafite (4), un quarto foro per l’aspirazione dei fumi
prodotti dalla fusione e, a volte, un’ulteriore apertura per l’aggiunta di
additivi;
·
Parte di cablaggio per l’alimentazione elettrica del forno (5).
Inizialmente le pareti, la volta e la parte inferiore del forno che deve contenere
l’acciaio liquido, erano rivestite interamente in materiale refrattario, un
materiale capace di resistere per lunghi periodi alle alte temperature e alle
sollecitazioni termiche, come quelle dovute all’arco elettrico e al bagno
metallico.
La scelta del materiale refrattario da utilizzare per una data applicazione può
esser acido o basico e dipende dalle temperature di esercizio e dall’ambiente
chimico circostante caratterizzato anch’esso da un proprio grado di basicità.
Devono resistere all’erosione ad opera del metallo fuso (resistenza meccanica),
alla corrosione ad opera della scoria (resistenza chimica), alle alte temperature
(resistenza termica).
Negli attuali forni elettrici le parti del tino a contatto con il metallo liquido e la
suola sono rivestite in materiale refrattario basico, come la dolomite o la
magnesite, che ha sostituito quello acido, perché durante le operazioni effettuate
nel forno elettrico si ha la formazione di una scoria basica, ricca di calce.
Conseguenza è la possibilità di trattare qualsiasi tipo di carica per fabbricare una
vasta gamma di acciai comuni e speciali di buona qualità.
La restante parte del tino, e la volta al giorno d’oggi sono costituiti da pannelli
raffreddati esternamente ad acqua. Notare che la parte della volta vicina agli
elettrodi è in materiale refrattario perché subisce sollecitazioni termiche elevate
rispetto alla parte raffreddata ad acqua.
4
Il Forno Ad Arco Elettrico (EAF)
1.2.2. Si può notare il tino inferiore rivestito in materiale refrattario e la parte
superiore costituita da pannelli raffreddati ad acqua [4].
Nella volta sono presenti tre fori per il passaggio degli elettrodi e un ultimo foro,
anche detto quarto foro, per la captazione e l’aspirazione dei fumi di processo.
Quest’ultimi possono anche essere utilizzati per preriscaldare la carica presente
nella cesta, o presente sul nastro trasportatore se si parla di carica continua come
avviene per il forno Consteel, riducendo i successivi tempi di fusione, il
consumo di energia elettrica, una maggior produttività ed efficienza di processo;
come utilizzato dall’Acciaieria 2 di Arvedi di Cremona, oggetto per una parte
del mio studio, nel quale analizzo l’efficienza di colata in funzione del mix di
carica al forno. Questo approccio toccherà anche l’altro forno in esame, quello
dell’Acciaieria Bertoli Safau (ABS) di Udine.
5
Capitolo 1
1.2.3. Sistema di captazione dei fumi e i tre fori per il passaggio degli elettrodi
nella volta dell’EAF [4].
Un altro parametro sul quale si può agire per ridurre il consumo di energia
elettrica è la quantità di energia chimica utilizzata durante il processo di fusione
della carica, attraverso l’utilizzo di bruciatori e di una o più lance di ossigeno
posizionate sul perimetro del tino. L’utilizzo di queste strategie di fusione
aumentano anche la velocità di fusione del rottame e riducono il tempo tra una
colata e la successiva, chiamato “tap to tap”.
La decisione di quanta energia chimica utilizzare spetta all’acciaieria e dipende
da quanto si è disposti ad ossidare. Tipicamente se la carica è formata
prevalentemente da rottame pregiato, come recuperi interni e pezzature di buona
qualità, si riduce la quantità di energia chimica introdotta e viceversa.
Durante la fase di carica del rottame è possibile sollevare contemporaneamente
sia la volta e gli elettrodi, e spostarli lateralmente, in modo da permettere
un’operazione di carica del forno rapida e senza intoppi, lasciando libera la
sommità del crogiolo.
6
Il Forno Ad Arco Elettrico (EAF)
Una volta fusa la carica metallica siamo nel periodo cosiddetto del “metallo
piatto”, si prosegue all’operazione di prima affinazione (che descriveremo in
seguito) arrivando alla composizione chimica e alla temperatura ottima di
spillaggio del metallo liquido.
Questo tipo di forno offre numerosi vantaggi:
·
La disposizione degli elettrodi vicini tra loro permette di concentrare la
potenza elettrica all’interno del bagno metallico, con la conseguenza di un
riscaldamento intenso e uniforme della carica.
·
Il processo di fusione della carica metallica e conseguentemente la
temperatura del bagno possono essere controllati facilmente, con la
regolazione dei parametri del trasformatore elettrico del forno.
1.3. Il Processo Di Fusione Della Carica
Il processo che si sviluppa nel forno elettrico convenzionale, anche chiamato
“top-charge”, consiste in una sequenza di fasi operative che hanno lo scopo di
portare a fusione rottami ferrosi grazie al calore sviluppato da un arco voltaico
generato da tre elettrodi di grafite e il rottame sottostante.
1. Carica del rottame:
La scelta del rottame che andrà a far parte della carica è molto importante ed è
un aspetto non trascurabile nella definizione dell’efficienza del forno elettrico e
del calo metallurgico.
Il rottame prima di essere caricato nel forno sosta nel cosiddetto “parco rottami”
dell’acciaieria e suddiviso per provenienza, pezzatura e per stato di fornitura.
Una classificazione sommaria può essere la seguente:
·
Recuperi interni: costituiti da varie spuntature, materozze, sfridi di
lingottti e di lavorazioni meccaniche, ecc. suddivisi accuratamente
secondo la composizione chimica. Sono i rottami migliori perché noti
all’acciaieria e privi d’inquinanti.
·
Recuperi esterni: costituiti da ritagli di lavorazioni di profilati, lamiere,
torniture (dopo essere stati trattati e pressati) e tubi provenienti da
industrie meccaniche che assicurino l’assenza d’inquinanti.
7
Capitolo 1
·
Rottami selezionati: provenienti da demolizioni di origini note e non, dei
quali però è possibile eseguire un facile controllo
·
Rottami raccogliticci: costituiti da rottami di piccole dimensioni e da
rottami con inquinamenti di altri metalli. Sono i peggiori e devono essere
utilizzati con cautela e dopo un’opportuna cernita.
Importante è anche la massa volumica dei rottami che si distinguono in pesanti e
leggeri. Rottami troppo pesanti richiedono un tempo di fusione elevato e di
conseguenza un consumo elevato di energia elettrica, mentre se troppo leggeri
hanno un elevato rapporto superficie su volume, portando più facilmente a
perdite per ossidazione.
In funzione dell’acciaio che si vuole produrre, è selezionato un mix ottimale di
rottame, in pezzatura e in composizione chimica, che viene caricato in una cesta
e attraverso un sistema di movimentazione con carroponti, posta sopra il forno
elettrico. La carica è così composta nelle sue componenti:
·
Carica metallica vera e propria, costituita da rottami di ferro, minerali
preridotti, ghisa e eventuali elementi di lega.
·
Scorificanti, in particolare è aggiunta calce tra i 28-40 kg/ton [2], priva
di umidità per non introdurre troppo idrogeno nel metallo.
·
Eventuale aggiunta di minerale di ferro per poter iniziare l’ossidazione
della carica già durante la fusione.
·
Eventuale aggiunta di coke o carbon fossile per limitare il consumo di
energia elettrica, sfruttando la combustione del carbonio.
8
Il Forno Ad Arco Elettrico (EAF)
Figura 1.3.1. Esempio del caricamento di una cesta dal parco rottami.
In seguito è sollevata e spostata lateralmente la volta in modo da poter far cadere
nel tino del forno la carica di rottame. Dopodiché il forno viene chiuso e si
procede alla fase successiva.
E’ possibile che il processo richieda la carica di più ceste, in questo caso si potrà
procedere con la carica di una seconda cesta, una volta che la prima sia stata
portata a fusione.
Figura 1.3.2. Carica della cesta di rottame nel forno elettrico [4].
9
Capitolo 1
2. Fusione del rottame:
Caricata la cesta, inizia il vero e proprio processo all’interno dell’EAF. Il
rottame è portato dallo stato solido allo stato liquido sotto la violenta azione
termica degli archi elettrici, che scoccano tra gli elettrodi e il rottame stesso.
La trasmissione del calore avviene principalmente per effetto dell’irraggiamento
dall’arco direttamente sul rottame e indirettamente dal riverbero prodotto dalla
volta, anch’essa irraggiata dall’arco.
Il riscaldamento del metallo è associato anche dalla trasmissione del calore per
convezione, dovuta alla colonna di plasma che proietta intorno un gas ad una
temperatura di circa 3000-5000 °C, e per conduzione nel punto più caldo della
colonna in contatto diretto con la carica solida o con il bagno metallico.
Al fine di aiutare la fusione della carica è utilizzata oltre all’energia elettrica
anche l’energia chimica, ottenuta dall’utilizzo di più bruciatori radiali che hanno
anche l’obiettivo di uniformare la temperatura all’interno del forno elettrico.
Figura 1.3.3. Posizionamento dei bruciatori all’interno dell’EAF [3].
10
Il Forno Ad Arco Elettrico (EAF)
3. Prima affinazione:
Quando la carica di rottame è completamente allo stato liquido, può aver inizio
la fase di prima affinazione, chiamata così perché la vera e propria affinazione
avviene in un secondo momento, dopo lo spillaggio, in un'altra parte
dell’acciaieria e rientra nella cosiddetta metallurgia secondaria.
L’acciaio è elaborato parzialmente mediante l’iniezione di ossigeno, attraverso
una lancia che penetra parzialmente nel bagno, che ha il compito di decarburare
e di eliminare alcuni elementi nocivi come il fosforo e l’azoto. Questi elementi
infatti rendono l’acciaio fragile se superano una determinata quantità in lega.
Durante questa fase si genera una grande quantità di ossidi e composti non
metallici, che essendo meno densi dell’acciaio migrano in superficie e vanno a
formare la scoria. La fluttuazione di questi elementi viene aiutata anche
dall’iniezione di gas inerti, come l’argon, da dei setti porosi posti sul fondo del
forno.
La scoria è appositamente generata, grazie all’introduzioni di calce insieme alla
carica, che la rende basica e riduce il consumo del refrattario di cui è rivestito il
forno. Contemporaneamente si mantiene acceso l’arco elettrico, al fine di
arrivare alla temperatura richiesta per lo spillaggio e alla composizione chimica
richiesta raggiunta grazie all’aggiunta di ferro-leghe.
La temperatura e la composizione chimica del bagno liquido sono controllate
rispettivamente tramite una sonda a immersione e attraverso l’analisi di un
campione prelevato dal bagno metallico.
4. Spillaggio in siviera:
Raggiunta la composizione chimica e la temperatura adeguata per l’affinazione
vera e propria, avviene lo spillaggio.
Il forno è fatto basculare di qualche decina di grado rispetto all’orizzontale così
da poter permettere il trasferimento del metallo liquido, ma non della scoria,
dalla suola in una siviera precedentemente riscaldata.
L’inclinazione del forno è permessa perché il tino poggia su delle guide
scorrevoli. Durante lo spillaggio si aggiungono ferro leghe e scoria sintetica per
iniziare il processo di metallurgia secondaria.
11
Capitolo 1
Figura 1.3.4. Spillaggio in siviera.
5. Turnaround:
E’ il periodo compreso tra la colata e l’inizio del successivo ciclo termico. Le
operazioni eseguite durante questo tempo sono:
·
Pulire la porta di scorifica;
·
Ispezionare visivamente il materiale refrattario di rivestimento;
·
Aggiustare l’altezza degli elettrodi o aggiungerne un altro alla “pila” se
necessario;
·
Riempire il foro di colata con sabbia refrattaria, se il forno è di tipo EBT
(spillaggio eccentrico dal basso).
12
Il Forno Ad Arco Elettrico (EAF)
Figura 1.3.5. La porta di scorifica e gli elettrodi.
La successione di queste fasi va ad occupare un tempo ben definito chiamato
“tap-to-tap”, il tempo da colata a colata, che si cerca sempre più di ridurlo al fine
di elevare la produttività. Questo negli anni ha portato al una gestione sempre
più accurata ed efficiente di tutte le fasi, dal rottame a tutto quello che sta a valle
dell’acciaieria, con l’introduzione continua e il miglioramento di quelle
13
Capitolo 1
tecnologie coinvolte nel processo di fusione di una carica di rottame al fine di
ottenere un acciaio di elevata qualità.
1.3.6. Tipico valore di Tap-to-Tap di un’acciaieria moderna [3].
14
Capitolo 2
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
2.1 Introduzione
Il ciclo elettrico o da rottame, come si può osservare nella Figura 2.1.1., ha
decisamente cambiato la scena di produzione dell’acciaio e continuerà a giocare
un ruolo centrale nel futuro della produzione mondiale, andando ad intaccare
quello che fino a qualche decennio fa era il predominio del ciclo integrale.
Figura 2.1.1. Evoluzione nel tempo dei processi di produzione dell’acciaio[3].
Il forno ad arco ha assistito, fin dalla nascita, ad una crescita sempre costante per
via dell’aumento del volume di acciaio prodotto e per le innovazioni
tecnologiche introdotte.
Questo ha permesso a questa tecnologia di diventare competitiva nella
produzione mondiale di acciaio, grazie al progressivo aumento della potenza
installata e dallo sfruttamento dei processi di combustione.
15
Capitolo 2
I vantaggi storici di questa tecnologia, che giustificano gli investimenti per
questo processo, sono:
·
Processo applicabile sia per piccole attività produttive sia per grandi
acciaierie.
·
Versatilità nella produzione di tutte le tipologie di acciai, da quelli comuni a
quelli speciali.
·
Capacità di rispondere in tempi brevi alla variazione della domanda sul
mercato.
·
Bassi costi di investimento, se confrontati con quelli del ciclo integrale.
Esistono però anche aspetti negativi e limiti, come l’elevato costo di
trasformazione della materia prima dovuto al grande consumo di energia
elettrica e dalla limitata qualità del rottame di carica; causa la presenza dei
cosiddetti “trump element”, che sono gli elementi chimici residui nel rottame
dovuti all’uso che se ne è fatto.
Si aggiungono tutti i costi di messa in sicurezza ambientale riguardanti lo
smaltimento di rifiuti e le emissioni dei fumi a camino, che al giorno d’oggi
vede norme sempre più stringenti.
Nell’arco di trent’anni, dal 1965 al 1995, grazie al continuo miglioramento
tecnologico, il ciclo elettrico ha risolto le sue maggiori criticità e ha permesso di
ridurre il tempo tra gli inizi di due colate consecutive, il “tap to tap”, di oltre il
60% [3], e parallelamente il consumo specifico elettrico e degli elettrodi.
Vediamo nella figura sottostante l’andamento di queste tre voci negli anni, che
come detto in precedenza vanno sempre più a ridursi grazie alle innovazioni
introdotte, come l’uso di bruciatori e di lance ad ossigeno, l’utilizzo di scoria
schiumosa, ecc.
16
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
Figura 2.1.2. Miglioramento delle prestazioni del forno elettrico ad arco [4].
2.2 Iniezione Di Ossigeno
Tra il 1965 e il 1970 la necessità di aumentare la produzione comportò
l’introduzione d’iniezione di ossigeno, caratterizzata da portate elevate. L’uso di
ossigeno si ha nella cosiddetta “refine” phase in condizioni di bagno
completamente liquido.
Figura 2.2.1. Iniezione di ossigeno nell’EAF tramite una lancia [4].
17
Capitolo 2
Questa forma di energia chimica è presente in ogni processo ad arco elettrico
utilizzato per la produzione di acciaio perché necessaria per ottenere la
composizione chimica finale che si desidera. Ciò si ottiene insufflando ossigeno
nel metallo liquido con lo scopo principale di ridurre il contenuto di carbonio,
fino ad arrivare al valore di specifica.
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[C]: carbonio disciolto nel metallo liquido.
{O2}: iniezione di ossigeno.
{CO}: il carbonio lascia il bagno sottoforma di bolle.
L’iniezione di ossigeno per abbassare il tenore di carbonio provoca anche
l’ossidazione degli altri elementi disciolti nel bagno come: Al, Si, Mn, Cr, P e
certamente una parte di Fe. Questi ossidi, essendo meno densi dell’acciaio,
vanno nello strato di scoria presente sopra al metallo liquido. Il carbonio è
l’unico elemento che lascia il bagno sottoforma di gas.
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18
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
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Tutte queste reazioni sono esotermiche e forniscono calore per fondere i
materiali di carica e per aumentare la temperatura del bagno liquido.
Il diagramma seguente di Richardson, comunemente utilizzato, mostra il grado
di affinità che hanno i vari elementi con l’ossigeno. Sull’ascissa abbiamo la
temperatura e sull’ordinata il ΔG0, indice del grado di affinità; più è inferiore più
l’elemento sarà affine con l’ossigeno e verrà ossidato per primo.
Figura 2.2.2. Diagramma di Richardson.
19
Capitolo 2
L’alluminio e il silicio hanno grande affinità con l’ossigeno e di conseguenza
sono i primi ad ossidarsi, formando rispettivamente Al2O3 e SiO2 che si
combinano a loro volta con l’ossido di magnesio (MgO) e la calce (CaO),
presenti come additivi, al fine di formare una scoria fusa.
La relazione che esiste tra carbonio e ossigeno è regolata dalla temperatura e dal
grado di agitazione del bagno metallico. Di solito si agisce sulla portata di
ossigeno insufflata nel bagno. Inizialmente si avrà l’ossidazione di Al e Si,
successivamente inizia la vera e propria decarburazione.
Figura 2.2.3. Andamento della % di C durante l’iniezione di ossigeno [4].
Arrivati a tenori di carbonio inferiori al 0,2 – 0,3 % abbiamo anche una quantità
di acciaio ossidato (FeO), perché il ferro è più affine del carbonio con l’ossigeno
e questo rende inevitabile la sua ossidazione. L’ossigeno totale presente nel
bagno (Otot) sarà la somma di quello disciolto nel metallo liquido [O], circa 0,8
ppm [2], e la parte sotto forma di inclusioni non metalliche (XO).
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20
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
La quantità di calore e di ossigeno necessaria alla carica per completare tutto il
processo dipende da:
·
Composizione della carica o mix di carica;
·
“Tapping conditions”, ovvero le condizione richiesta di colata.
L’energia chimica introdotta in fase liquida deve essere bilanciata con le altre
sorgenti energetiche utilizzate, allo scopo di raggiungere la temperatura di
spillaggio e allo stesso tempo la concentrazione di carbonio di richiesta.
Figura 2.2.4. Bilanciamento delle fonti energetiche utilizzate al fine di
raggiungere la temperatura e la % di C richiesta allo spillaggio.
2.3 Iniezione Di Ossigeno Supersonico
L’acciaio liquido è un fluido molto denso (6900 Kg/m3 [4]) quindi l’iniezione di
ossigeno richiede un’elevata pressione per vincere la pressione idrostatica del
bagno metallico. Può avvenire in tre modi:
·
Dal basso: con tubiere ad ossigeno;
21
Capitolo 2
·
Direttamente nel bagno: con lance consumabile;
·
Dall’alto: con lance supersoniche.
La lancia ad ossigeno supersonica è il metodo di iniezione e più comunemente
utilizzato negli EAF di oggi per il loro funzionamento sicuro e conveniente.
Definiamo un’iniezione efficiente quando il getto supersonico (Mach>1)
raggiunge il bagno ad alta velocità attraverso la scoria, con un profilo di velocità
compatto. Il getto supersonico è prodotto utilizzando un ugello convergente divergente, chiamato “ugello de Laval”, che converte un’elevata pressione di
alimentazione in pressione dinamica (velocità).
Figura 2.3.1. Ugello de Laval .
Accenniamo per conoscenza le equazioni in esame, che non verranno prese in
considerazioni in questo studio:
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22
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
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La lunghezza del getto supersonico (L) è fortemente influenzata dalla
temperatura e dalla densità dell’atmosfera circostante, come si vede
dall’equazione sopra riportata di Thring e Newbuy [4]. Tipicamente nell’EAF ci
troviamo intorno ai 1600° C durante la “refine-phase” ed arriviamo ad una
lunghezza di circa dodici volte il diametro di uscita dell’ugello, quindi per avere
un’iniezione efficiente il getto deve essere azionato molto vicino al bagno
metallico.
La lunghezza coerente supersonica può essere incrementata incrementando la
temperatura dell’atmosfera circostante al getto con una fiamma (circa 2750° C),
generata dalla combustione di gas naturale ed un flusso di ossigeno secondario,
fino a cinquanta volte de.
L = 12 * de : getto “nudo”
L = 50 * de : getto “avvolto”
Tipicamente si utilizzano lance supersoniche installate in apposite “finestre”
situate nel tino, o movimentate da bracci, ed accoppiate ad iniettori di carbone
polverizzato (di cui parlerò di seguito); in questo caso parliamo di “ multy-point
injection system” (possono essere anche configurate come bruciatori). Le tipiche
portate in gioco:
·
Più di 5000 Nm3/h di O2 e più di 450 Nm3/h di CH4 per lancia [4];
·
Più di 150 Kg/min di polvere di carbone per lancia [4].
23
Capitolo 2
Figura 2.3.2. TENOVA KT Block Lance: combinazione di una lancia/bruciatore
ad ossigeno supersonico ed ad iniezione di polvere di carbone [4].
2.4 Pannelli Raffreddati Ad Acqua
Il 1975 ha visto la prima applicazione del sistema di raffreddamento dei muri del
forno tramite l’utilizzo di pannelli raffreddati ad acqua. Questo dispositivo è
stato introdotto per attenuare le crescenti sollecitazioni termiche sul materiale
refrattario associate alla crescente potenza fornita dall’arco elettrico.
L’utilizzo di questo accorgimento presenta lo svantaggio che i pannelli e la parte
della volta raffreddati ad acqua assorbono circa il 15 – 25 % [7] dell’energia
fornita dall’arco elettrico, in funzione delle operazioni svolte nel forno.
Il vantaggio si ha nell’aumento di vita del componente, in questo caso si arriva a
1500 riscaldamenti. Inoltre i pannelli raffreddati ad acqua consentono un
aumento della capacità della fornace di circa il 10 – 30 % e una riduzione dei
costi riguardanti il consumo di materiale refrattario [7].
Esistono vari layout di pannelli raffreddati: certi sono tubolari, certi hanno
canali interni, e sta diventando sempre più popolare l’utilizzo di pannelli fatti in
rame. Solitamente sono posti a circa 120 mm sopra la linea di scoria e arrivano a
coprire una superficie che va dai 65 al 70 % di quella totale del forno.
24
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
L’idea è applicata anche alla volta del forno, in maniera meno diffusa, con un
investimento cinque volte maggiore rispetto ad una in materiale refrattario ma
utilizzabile 5 – 10 volte più a lungo [7]. La maggior parte delle applicazioni
lasciano un 20 – 30 % della superficie protetta da materiale refrattario, e la
maggior parte di questa è concentrata nella parte centrale dove abbiamo il
passaggio degli elettrodi. Esistono anche soluzioni più creative con l’utilizzo di
un raffreddamento ad acqua-spray ma risulta essere meno uniforme e soggetto
ad incrostazioni e alla formazione di prodotti di corrosione.
2.5 I bruciatori
Come detto in precedenza l’utilizzo di lance ad ossigeno “avvolte”, permette di
utilizzare le stesse anche come bruciatori, durante la fase di fusione della carica
solida. Questo permette di introdurre un’ulteriore quantità energia chimica in
fase gassosa e ridurre ulteriormente il consumo di energia elettrica, riducendo
così i costi imputabili alla gestione dei forni dell’acciaieria. Aggiungiamo
l’aggravante che in Italia il costo dell’energia elettrica si assesta intorno ai 13 15 euro/KWh, superiore rispetto agli altri paesi europei, come si può notare da
una elaborazione dei dati dell’AEEG (Autorità Energia Elettrica e Gas).
Figura 2.5.1. Prezzi dell’energia elettrica per le utenze industriali [6].
25
Capitolo 2
Solitamente si utilizzano bruciatori a gas naturale:
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Come già detto questa forma di energia è usata come supplemento all’energia
elettrica nei forni “top-charge” per migliorarne la produttività. Si riesce a fornire
dal 30% al 50% dell’energia totale necessaria per portare a fusione la carica
metallica caricata. I bruciatori utilizzano ossigeno, non aria, al fine di ottenere la
più alta temperatura di fiamma e ottimizzare l’efficienza di trasferimento del
calore al metallo freddo (riducendo anche la formazione di NOx).
Grazie all’utilizzo di bruciatori abbiamo anche una fusione più uniforme della
carica, si riesce a fornire energia termica anche alle zone fredde del forno, cioè
quelle zone che si vanno a creare causa la disposizione a triangolo dei tre
elettrodi del. Questo migliora l’efficienza complessiva di fusione, specialmente
se si utilizza un’elevata potenza elettrica specifica.
La carica viene riscaldata per convezione ed irraggiamento, quindi abbiamo la
massima efficienza di riscaldamento all’inizio del processo quando abbiamo a
disposizione una grande superficie da fondere ad una temperatura relativamente
fredda. Per questa ragione una volta che la carica si presenta allo stato fuso per
un 40 – 50 %, l’efficienza dei bruciatori cala rapidamente e quindi vengono
spenti.
Un’altra forma per accelerare il processo di fusione è sfruttare la post
combustione del CO e del H2 proveniente dalla carica.
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26
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
Figura 2.5.2. Post combustione della CO e del H2 proveniente dalla carica.
Il CO proviene principalmente dagli idrocarburi presenti nel rottame, dalla
combustione parziale della carica, dal carbone iniettato e dagli elettrodi e dalla
decarburazione della carica metallica. L’H2 proviene dal cracking degli
idrocarburi presenti nel rottame, dal grado di umidità del rottame e dal
raffreddamento degli elettrodi.
ܪଶ ܱ ܱܥ՜ ܪଶ ܱܥଶ
ܪଶ ܱ ܥ՜ ܪଶ ܱܥ
L’ossigeno necessario per la post combustione può provenire dall’atmosfera
all’interno del forno, ossigeno in eccesso di alimentazione dei bruciatori, da
27
Capitolo 2
iniettori specificamente dedicati a bassa velocità per non perturbare l’atmosfera
circostante.
Senza una post combustione l’idrogeno e il CO completano la loro combustione
nel condotto di aspirazione dei fumi di processo, mentre se avviene all’interno
del forno riduce il carico termico del sistema di captazione fumi e aiuta il
processo di fusione.
Questo sistema necessita di un continuo aggiustamento delle quantità di
ossigeno e di fuel introdotto in accordo con il monitoraggio dei fumi di
processo, questo perché le diverse cariche di rottame hanno caratteristiche
intrinsecamente diverse (EFSOP SYSTEM [4] illustrato più avanti).
2.6 Aggiunta di Carbone
Oltre a cambiare il mix di carica metallica, la via usuale per bilanciare l’eccesso
di ossigeno insufflato è l’aggiunta di carbone durante il processo. L’adduzione
di carbone può avvenire:
·
Caricare il carbone in pezzatura direttamente nel mix di carica nella
cesta;
·
Caricare il carbone in pezzatura attraverso la volta, durante il processo;
·
Iniezione di polvere di carbone nel bagno fuso tramite una lancia.
L’iniezione di carbone, sottoforma di polvere, attraverso una lancia pneumatica
è la via migliore dal punti di vista del controllo di processo, aggiustando la sua
distribuzione all’interno del forno come richiesto dal processo in atto.
L’adduzione di carbone può avviene:
·
In fase liquida (nel bagno fuso): in questa fase avviene la carburazione
dell’acciaio. Questa reazione è endotermica e riduce notevolmente
l’energia rilasciata dalla carburazione del metallo liquido, descritta in
precedenza.
28
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
Figura 2.6.1. Iniezione di polvere di carbone nel metallo liquido [4].
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In scoria liquida: causando la formazione di una scoria schiumosa.
Anch’essa è una reazione endotermica che provoca un raffreddamento
locale e la formazione di bolle di CO, che promuovono l’accrescimento
dello strato di scoria generato.
29
Capitolo 2
Figura 2.6.2. Iniezione di polvere di carbone in scoria liquida [4].
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La carburazione dell’acciaio e la formazione scoria schiumosa avvengono
durante la fase di iniezione di ossigeno e sono energeticamente equivalenti,
come si evince dalle equazioni. Non meno importante è il fatto che una scoria
schiumosa aumenta l’efficienza di scambio termico tra il bagno e l’arco
elettrico.
L’ossidazione totale di carbonio presente in fase liquida, sia disciolto nella
carica metallica o aggiunto durante il processo, comporta la formazione di
ossido di carbonio (CO). Questo CO reagisce con l’ossigeno presente
nell’atmosfera del forno. La reazione è molto esotermica e si chiama postcombustione.
30
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
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Nei moderni EAF diverse strategie sono state attuate per controllare e
recuperare la maggior parte del calore prodotto dalla post combustione per
migliorare l’efficienza e la produttività (per esempio il preriscaldo del rottame).
2.7 Utilizzo Di Scoria Schiumosa
Una delle innovazioni più rilevanti riguardanti la scoria è stata introdotta nel
1978 con l’utilizzo di scorie schiumose che schermano le pareti del forno dal
riscaldamento dovute alla radiazione dell’arco elettrico. Questa scoria è ottenuta
attraverso l’arricchimento di carbonio e l’iniezione di ossigeno, raggiungendo
un’altezza media di 0,3 metri, tre volte circa il valore assunto da scorie non
schiumose.
Si vanno a formare numerosi ossidi e composti non metallici che fluttuano verso
il pelo libero del bagno, aiutati indirettamente anche dall’iniezione di ossigeno
che funge anche da “stirring” (termine che identifica l’agitazione del bagno
metallico).
Lo spessore adeguato di scoria schiumosa può essere raggiunto solo con una
corretta gestione nell’iniezione di polvere di carbone e ossigeno, e permette di
lavorare con un arco lungo anche quando tutta la carica è fusa, cioè sommerso e
circondato dalla scoria, che assorbe la maggior parte della radiazione termica
riducendo sensibilmente le sollecitazioni sulle pareti e sulla volta, migliorando
l’efficienza di scambio termico tra l’arco elettrico e il metallo fuso.
2.8 Eccentric Bottom Tapping (E.B.T.)
Un’importante, ma non ultima, innovazione tecnologica che merita attenzione è
stata introdotta nel 1983 ed è l’EBT: Eccentric Bottom Tapping, un forno con un
foro eccentrico sul fondo, che ha permesso uno spillaggio più rapido e senza
trascinamento della scoria.
31
Capitolo 2
Figura 2.8.1. Forno E.B.T.
2.9 Regolazione E Controllo Degli Elettrodi E Iniettori Multipli
Negli ultimi decenni si è assistito a una vera e propria rivoluzione tecnologica,
con l’affinamento e lo sviluppo delle tecnologie applicate al forno elettrico,
toccando tutti gli aspetti salienti della produzione e del controllo di processo,
favorita certamente dalle norme ambientali nazionali e internazionali stringenti,
con lo scopo di aumentare la produttività e l’efficienza dello stesso.
I trend di miglioramento seguito dalle acciaierie è:
·
Riduzione del tempo di TTT (tap-to-tap) aumentando la produttività:
o Ridurre il “power-off time” (tempo in cui l’arco non è acceso), al
netto delle perdite di calore, minimizzando il numero di cariche
nel forno (carica continua di rottame);
o Incrementare la capacità fusoria e la potenza dei trasformatori;
o Incremento dell’energia chimica introdotta.
·
Incrementare l’efficienza di processo riducendo i costi:
32
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
o Preriscaldo della carica utilizzando i fumi captati dal quarto foro;
o Migliorare il controllo dell’arco ad alto voltaggio;
o Uso di una scoria schiumosa per ridurre il consumo degli
elettrodi e migliorare l’efficienza di scambio termico.
A questo scopo un sistema idraulico potente, degli elettrodi a bassa impedenza e
molto rigidi sono lo standard nella catena di controllo di un forno ad arco
elettrico, e sono sempre più spesso sistemi di controllo digitali (Tenova’s
TDRH).
Figura 2.9.1. Sistema di regolazione e controllo degli elettrodi (TENOVA’S
TDRH)[4].
Sempre più diffuso è l’utilizzo di moduli di iniezione composti da bruciatori
(Tenova’s KT Injection System), iniettori d’ossigeno, post combustori, iniettori
33
Capitolo 2
di carbone e calce, per aumentare la potenza chimica entrante, migliorare la
distribuzione dei prodotti chimici e il controllo di una scoria schiumosa.
Figura 2.9.2. Moduli di iniezione multipli (TENOVA’S KT INJECTION
SYSTEM)[4].
Nello scenario attuale dei costi di processo dell’EAF (Figura 2.8.3.) è sempre
più conveniente scegliere una soluzione di processo capace di raggiungere
un’elevata produttività senza ridurre la capacità produttiva.
Oggi il potenziale beneficio economico portato da un miglioramento della
qualità delle materie prime è molto maggiore di una riduzione del consumo di
energetico: per esempio solo l’1% di aumento del rendimento di carica può
essere più conveniente di una riduzione del 10% del consumo energetico [4].
In oltre l’aumento di energia chimica nel processo, per aumentare la
produttività, spesso influenza negativamente la resa metallica e l’efficienza
energetica complessiva di processo.
34
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
Figura 2.9.3. Costi tipici di processo di un’Acciaieria con EAF [4].
2.10 Il Consteel EAF
Con l’obiettivo di aumentare l’efficienza di processo si è cercato di sfruttare il
calore dei fumi di processo, preriscaldando il rottame di carica ad una
temperatura media intorno ai 200 – 300° C [4], per questa ragione vede un
aumento l’installazione di processi Constell EAF.
Figura 2.10.1. Schema impiantistico di un Consteel EAF.
35
Capitolo 2
Questo tipo di forno ha la caratteristica di preriscaldare il rottame in pezzatura,
che si muove su un nastro trasportatore, prima di immetterlo nel forno; nasce
così la carica continua e il preriscaldo del rottame di cui il Consteel ne è
padrone.
Figura 2.10.2. Uno spaccato di un Consteel EAF.
Il Consteel EAF offre numerosi vantaggi partendo dall’eliminazione della carica
di rottame tramite una cesta, riducendo i tempi di preparazione della carica
stessa, le emissioni, le perdite energetiche, ed i rischi connessi.
Il processo si basa sulla fusione del rottame causa immersione dello stesso in un
bagno mantenuto liquido grazie all’energia proveniente dall’arco elettrico e
dalle reazioni chimiche che avvengono allo stato liquido, non dall’azione diretta
dell’arco e dei bruciatori come avviene per un EAF “top-charge”.
L’arco elettrico insiste sul metallo liquido immerso nella scoria, così facendo
l’efficienza di scambio termico dall’arco al bagno metallico è maggiore in
confronto al processo convenzionale. Come in tutti i processi il controllo e
l’ottenimento di una scoria schiumosa è ottenuto tramite l’utilizzo di iniettori di
ossigeno e polvere di carbone.
Un costante bagno liquido, una scoria schiumosa e l’eliminazione dei bruciatori
portano anche:
36
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
·
Minor consumo degli elettrodi ed eliminazione del contatto con il
rottame durante la carica, che può provocare rotture dell’elettrodo;
·
Minor emissioni acustiche;
·
Minor emissione di NOx nei gas di processo (meno di 100g/ton contro i
190g/ton di un TC EAF [4]);
·
Minor disturbo immesso nella rete elettrica;
·
Decarburazione “laminare”, con conseguenza riduzione del consumo di
ossigeno.
La CO proveniente dal forno viene post-combusta nel condotto di preriscaldo
tramite l’immissione di aria controllata. il tunnel di preriscaldo funge anche da
camera di sedimentazione per le polveri che vanno a depositarsi sul rottame e
riciclate nel forno, riducendo così del 40 – 50% la generazione di pulviscolo [4].
Questo porta ad un notevole risparmio di energia compreso tra gli 80 e i 120
KWh per tonnellata spillata dal forno, partendo da una temperatura di
preriscaldo di 500-600 gradi centigradi e un’efficienza complessiva del processo
di fusione compresa tra il 70-80%[5].
La possibilità di iniezione di ossigeno per il 100% del power-on time del forno
fa del processo Consteel la miglior opzione per prendere quei vantaggi
provenienti dalla carica di metallo liquido nell’EAF (solitamente si carica ghisa
liquida).
37
Capitolo 2
Figura 2.10.3. Carico di ghisa liquida nel Consteel.
Figura 2.10.4. Influenza del caricamento di metallo liquido sul TTT [4].
38
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
Tipici valori del profilo di temperatura per un sistema Consteel da 100 -120
ton/h, con un mix di carica costituito dal 85% di rottame e il 15% di ghisa.
Figura 2.10.5. Profilo di temperatura di un forno Consteel da 100 – 120
ton/h[4].
2.11 Controllo Real-Time Dei Gas Di Processo
Il successo delle operazioni dell’EAF del futuro si baseranno sulla misurazione
real-time della composizione chimica dei fumi di processo, per controllare sia il
processo di produzione dell’acciaio sia per il sistema di captazione e tutta la
catena “fumi” (Tenova’s EFSOP System: Expert Furnace System Optimization
Process)[4].
39
Capitolo 2
Figura 2.11.1. Installazione del sistema EFSOP.
Si misurano le percentuali di O2, CO, CO2 e H2 contenute nei gas provenienti
dal forno in corrispondenza del quarto foro; in funzione a queste informazioni si
va a dare un nuovo set di parametri in ingresso al processo per ottimizzare
l’energia chimica introdotta: C, CH4 e O2, per un controllo dinamico e continuo
in real-time.
40
L’Evoluzione Tecnologica Dell’EAF
Figura 2.11.2. Confronto dopo l’installazione del sistema di controllo e
regolazione EFSOP [4].
L’area rossa rappresenta energia chimica persa per la mancata combustione del
CO e dell’H2 che lasciano il forno. Più del 70% dell’energia chimica introdotta
nel forno può essere persa, abbassando l’efficienza energetica del sistema e
aumentando il carico termico sul sistema di fumi.
I benefici che questo controllo porta sono:
·
Ottimizzazione dell’energia proveniente dalla postcombustione;
·
Gestione efficiente degli iniettori;
·
Maggior sicurezza;
·
Riduzione del calore perso dal sistema trattamento fumi;
·
Riduzione dei costi di conversione.
41
Capitolo 3
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed
Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
3.1 Introduzione
Lo studio si è concentrato sull’efficienza energetica di due diverse tipologie di
forni , al fine di indagare sui parametri di merito del rottame componente la
carica fusoria e la loro influenza sul calo metallurgico del processo.
I forni presi in esame sono:
·
I due forni di Arvedi installati a Cremona, quello dell’Acciaieria 1 un
forno trifase TC EAF con una capacità fusoria di circa 120 tonnellate a
colata [8], e il Consteel installato nell’Acciaieria 2 dal 2006;
Figura 3.1.1. Il Consteel dell’acciaieria 2 di Arvedi [8].
42
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
·
Il forno trifase, TC (top-charge) EAF dell’acciaieria A.B.S. (Acciaieria
Bertoli Safau) presso Pozzuolo (Udine), di capacità nominale pari a 100
tonnellate [9].
Figura 3.1.2. Il forno dell’acciaieria ABS [9].
Le acciaierie sopra citate hanno fornito dei dati riguardanti gli ultimi anni di
produzione e ciò ha reso possibile questo tipo di studio.
Gli obiettivi sono:
·
Determinazione dell’efficienza energetica;
·
Analisi del calo metallurgico ovvero determinazione dell’ossidazione
del rottame caricato.
In un forno il calore è prodotto mediante dall’erogazione dell’energia elettrica
da parte dell’arco elettrico, dalla combustione del metano introdotto dai
bruciatori e dall’ossidazione degli elementi chimici caricati nel forno come:
carbone e elementi chimici costituenti il rottame: carbonio, ferro, silicio,
manganese ecc.
In un forno in cui si iniettasse ossigeno solo per decarburare sarebbe necessario
erogare 555 KWh/t di energia mediante l’arco elettrico, che riesce a trasmettere
al rottame circa il 73% della propria potenza, quindi il rottame dovrebbe
43
Capitolo 3
assorbire mediamente 405 KWh/t. Quest’ultimo valore verrà preso come
riferimento per il calcolo dell’efficienza energetica del forno, dividendolo per il
totale dell’energia effettivamente erogata in forma elettrica e sviluppata dalle
reazioni chimiche.
Figura 3.1.3. Flussi in ingresso e in uscita dal forno EAF.
3.2 Il Forno TC EAF Di Arvedi
L’analisi è stata effettuata in un primo “stadio”, sulla base dei dati forniti, per il
forno dell’Acciaieria 1 di Arvedi (TC EAF) e per gli anni 2003, 2004, 2005,
2006, 2007.
Negli anni presi in considerazione la somma delle energie chimiche e
dell’energia elettrica specifica per tonnellata di rottame caricato e per tonnellata
di spillato è riportata in tabella 3.2.1. Mentre in tabella 3.2.2. vengono riportata
l’efficienza calcolata dividendo 405 KWh/t per l’energie specifiche calcolate
sullo spillato.
44
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
Tabella 3.2.1. Energie specifiche negli anni in esame.
KWh/t
Caricato
Spillato
2003
512
580
2004
526
598
2005
515
575
2006
528
577
2007
531
580
Tabella 3.2.2. Efficienza del forno: rapporto percentuale tra energia per
fondere il rottame e energia totale effettivamente erogata in forma elettrica e
chimica.
Anno
Efficienza
2003
69,8%
2004
67,8%
2005
70,4%
2006
70,2%
2007
69,9%
Il calore sviluppato dalle reazioni chimiche coinvolge l’ossidazione degli
elementi contenuti nel materiali caricato, prevalentemente ossido di zinco e di
ferro che vengono trascinati dai fumi e altri che finiscono in scoria come: ossido
di silicio, ferro, alluminio, manganese. Sulla base dei dati disponibili i fumi e le
scorie possiedono le composizioni chimiche riportate in tabella 3.2.3. e in
tabella 3.2.4. in funzione degli anni di produzione.
Tabella 3.2.3. Composizione chimica media della scoria.
% peso
20032004-2005
2006-2007
CaO
18
SiO2
8
FeOx
70
MnO
3
Al2O3
2
26
12
55
3
4
Tabella 3.2.4. Composizione chimica media dei fumi.
% peso
CaO
6
SiO2
2
FeOx
66
ZnO
24
PbO2
2
Si nota che negli anni 2003-2004-2005 le scoria presentano una composizione
chimica media caratterizzata da una percentuale maggiore di ossido di ferro,
dovuto all’utilizzo della lancia ad ossigeno, il cui uso è stato sospeso a partire
dal 2005. Il provvedimento pare corretto perché abbiamo una minor ossidazione
45
Capitolo 3
della carica, quindi una minor perdita di materiale. Le quantità di scoria del
forno e delle polveri del fumo sono riportati in tabella 3.2.5.
Tabella 3.2.5. quantità di scoria nera e polveri negli anni considerati.
t
Scoria nera
Polveri
Acciaio (coils)
Scoria/Acciaio
%
Fumi/Acciaio
%
2003
128630
16859
857134
15,0
2004
134790
16847
864644
15,6
2005
136230
15792
919861
14,8
2006
142980
17949
998882
14,3
2007
143370
18470
1040466
13,8
2,0
1,9
1,7
1,8
1,8
Si nota una riduzione progressiva sia della quantità di scoria sia delle polveri per
unità di acciaio prodotto, ultime due righe della tabella 3.2.5., quindi una
progressiva diminuzione de scorie e polveri trascinate dai fumi a parità di
acciaio prodotto.
In base alla composizione chimica della scoria e dei fumi è quindi possibile
ricondurre al calcolo del materiale perso durante il processo di fusione. La
differenza tra calo misurato come differenza tra peso del caricato e quello dello
spillato ed il calo stimato in funzione di quanto previsto sulla base della scoria e
delle polveri nei fumi, è stata calcolata e riportata in tabella 3.2.6.
οΨ ൌ Ψ݈ܽܥ௦௨௧ െ Ψ݈ܽܥ௦௧௧
Tabella 3.2.6. Differenza tra calo misurato e calo stimato.
2003
3%
2004
2,7%
2005
1,8%
2006
0,7%
2007
0,9%
Uno scostamento inferiore all’1% come per gli anni 2006-2007 è legato ad
errori sistematici di misura, mentre per il 2003-2004-2005 è significativo.
46
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
Questo può essere dovuto a:
·
Errori nella misurazione della quantità di scoria e polveri trascinate dai
fumi;
·
Sottostima dell’ossido di ferro contenuto in scoria;
·
Maggior quantità di rottame contenente zinco che evapora e si ossida di
particelle trascinate dai fumi (la sottostima della quantità di fumi è in
questo caso improbabile poiché le polveri finiscono in impianti speciali,
quindi la loro misura dovrebbe essere credibile).
Nel 2006-2007 lo scostamento è inferiore a 1 quindi, visto che i cali tra caricato
e spillato si spiegano con i contenuti di ossidi in scoria e di polveri nei fumi, si
può affermare che sembra non esserci alcuna frode o anomalia nella misurazione
dei flussi di massa in ingresso all’acciaieria. Lo scostamento sistematico però
può far sospettare che lo 0,7 - 0,9 % del rottame in entrata all’acciaieria sia
inerte depositato su di esso (oli, umidità, grassi, materiale di matura polimerica
ecc.) che evapora rapidamente.
I cali percentuali sono stati misurati secondo la relazione e vengono riportati in
tabella 3.2.7.
Ψ ݈ܽܥൌ
ܿܽݐܽܿ݅ݎሺݐሻ െ ݐ݈݈ܽ݅ݏሺݐሻ
ͲͲͳ כ
ܿܽݐܽܿ݅ݎሺݐሻ
A questi se si sottrae prudenzialmente lo 0,7 % si può notare che il calo del
rottame scende al di sotto dell’8 % per gli anni 2006 e 2007.
Tabella 3.2.7. Calo percentuale negli anni in esame.
Anno
%Calo
%Calo - 0,7%
2003
11,9
11,2
2004
11,9
11,2
2005
10,6
9,9
2006
8,4
7,7
2007
8,4
7,7
Le quantità stimate di specie chimiche utili caricate al forno e perse in scoria e
fumi vengono riportate in tabella 3.3.8.
47
Capitolo 3
Tabella 3.2.8. Stima della quantità persa in scoria delle specie metalliche.
t
Fe
Si
Mn
Al
Zn
Pb
anno
Scoria
Fumi
Scoria
Fumi
Scoria
Scoria
Fumi
Fumi
Totale
Acciaio
(coils)
2003
54804
6008
7203
157
3208
2570
5952
292
80194
857134
2004
57428
6003
7548
157
3393
2694
5948
292
83463
864644
2005
58042
5627
7629
147
3429
2722
5575
273
83444
919861
2006
60918
6396
8007
168
3599
2857
6337
311
88593
998882
2007
61084
6582
8029
172
4678
2865
6521
319
90250
1040466
Nonostante le marce del 2006-2007 presentino un calo inferiore al forno, il
materiale perso in scoria e nei fumi è superiore, ma questo è spiegato al fatto che
è aumentata la produttività dell’acciaieria e quindi la quantità di materiale
trattato.
Se si considera quanto rottame potrebbe essere ossidato dall’ossigeno introdotto,
risulta evidente che esso non riuscirebbe a giustificare i cali misurati, poiché il
calo ideale è molto inferiore. Inoltre il carbonio caricato e quello presente nel
rottame non riesce a proteggerlo causa volumi di ossigeno supplementari
introdotti nell’impianto di aspirazione dei fumi che ossida gran parte del
carbonio introdotto.
Tabella 3.2.9. Moli di ossigeno iniettate escluse quelle per ossidare il metano,
peso del materiale metallico che è possibile ossidare e calo percentuale
provocato dall’ossigeno.
Anno
O2 (Kmol)
Caricato
ossidabile
%Calo
2003
550278
60575131
2004
597633
65740
2005
489654
53862
2006
574319
631576
2007
515917
56751
5,87%
6,32%
4,95%
5,50%
4,74%
48
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
3.3 Il TC EAF Dell’acciaieria Bertoli Safau: ABS
Analogamente all’analisi precedente si è svolta dapprima uno studio
sull’efficienza del forno elettrico ad arco trifase dell’Acciaieria Bertoli Safau su
sei colate delle quali sono stati resi disponibili dei dati.
Le colate sono rispettivamente del 2011 e dell’inizio 2012, in particolare una
della fine dell’anno 2011 e le restanti cinque sono del Gennaio 2012.
Tabella 3.3.1. colate disponibili sottoposte all’analisi.
Numero di colata
411537
411716
411752
411768
411814
411815
Data della colata
12/12/2011
10/01/2012
12/01/2012
13/01/2012
17/01/2012
17/01/2012
Nel forno EAF di ABS sono presenti:
·
Due bruciatori: rispettivamente chiamati bruciatore 1 e bruciatore 2;
·
Modulo1: composto da un iniettore di carbone, di CH4 e di ossigeno, che
funge da bruciatore nella fase si “melting”, ossia quella fase di fusione
del rottame;
·
Modulo 2: analogo modulo precedente;
·
Modulo 3: dedicato esclusivamente all’iniezione di polvere di carbone;
·
Una lancia d’ossigeno e un iniettore di calce.
Per il calcolo dell’efficienza energetica, come è già stato esplicato nei precedenti
paragrafi, si è preso come parametro di riferimento i 405 KWh/t che il rottame
dovrebbe teoricamente assorbire in un forno in cui di iniettasse ossigeno solo
49
Capitolo 3
per decarburare. Quest’ultimo valore verrà diviso per il totale dell’energia
effettivamente erogata in forma elettrica e sviluppata dalle reazioni chimiche.
Obiettivo:
·
Analisi del calo metallurgico al variare del mix di rottame caricato;
·
Determinare la relazione tra efficienza energetica, in particolare per
quanto concerne il consumo di energia elettrica, cali del rottame e
tipologia del mix di carica.
Nella tabella 3.3.2. viene riportata la somma dell’energia chimica ed elettrica
specifica per tonnellata di rottame caricato e per tonnellata di spillato. Mentre in
tabella 3.3.3. viene riportata l’efficienza calcolata dividendo 405 KWh/t per
l’energie specifiche sullo spillato.
Tabella 3.3.2. Energie specifiche negli anni in esame in KWh/t.
Numero
colata
Caricato
Spillato
411537
411716
411752
411768
411814
411815
491
546
514
562
502
570
476
523
535
606
514
569
Tabella 3.3.3. Efficienza del forno: rapporto percentuale tra energia per
fondere il rottame e energia totale effettivamente erogata in forma elettrica e
chimica.
411537
74,15%
411716
72,04%
411752
71,03%
411768
77,47%
411814
66,78%
411815
71,20%
Il calore sviluppato dalle reazioni chimiche coinvolge l’ossidazione degli
elementi contenuti nel materiali caricato, prevalentemente ossido di zinco e di
ferro che vengono trascinati dai fumi e altri che finiscono in scoria come: ossido
di silicio, ferro, alluminio, manganese. Sulla base dei dati disponibili le scorie
possiedono le composizioni chimiche riportate in tabella 3.3.4.
50
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
Tabella 3.3.4. Composizione chimica della scoria per le diverse colate.
% peso
411537
411716
411752
411768
411814
411815
CaO Al2O3
52,98 6,07
43,5
3,5
44,28 6,06
41,11 6,72
45,32 6,17
42,79 5,02
SiO2 MgO FeOx MnO TiO2 Cr2O3
14,19 2,9 14,22 4,61 0,65 0,78
10,36 2,69 29,66 4,12 0,43 1,03
14,78
3
19,36 6,34 0,49 2,26
11,72 2,93 25,83 5,9 0,44 1,41
16,7
3,3 16,03 6,45 0,51 1,73
16,02 3,16 19,25 6,45 0,46 2,25
P2O5
0,49
0,53
0,56
0,48
0,73
0,65
S
0,28
0,21
0,2
0,18
0,2
0,19
Si può notare che la somma delle percentuali in peso della scoria per le diverse
colate non da un valore di 100, probabilmente perche non è stati misurati le parti
fini che vengono perse nei fumi di processo, come invece avevamo a
disposizione per l’Acciaieria1 di Arvedi.
Tabella 3.3.5. Composizione chimica media della scoria.
% peso CaO Al2O3 SiO2 MgO FeOx MnO TiO2 Cr2O3 P2O5
S
Media 45,00 5,59 13,96 3,00 20,73 5,65 0,5
1,58 0,57 0,21
La quantità di scoria del forno per ogni colata è stata riportata in tabella 3.3.6.
Da notare che la quantità di spillato per le colate 411716 e 411768 supera la
capacità media del forno EAF in esame, questo è giustificato dal fatto che si
lavora sempre con un piede liquido iniziale di circa 10 tonnellate che va a
sommarsi alla quantità di carica introdotta.
Tabella 3.3.6. Quantità di scoria delle colate considerate.
t
Scoria
Acciaio
spillato
Scoria/Acciaio
%
411537
10,98
98,4
411716
9,5
100,5
411752
13,1
96,9
411768
9,92
100,08
411814
13,0
97
411815
10,6
99,4
11,16
9,45
13,52
9,91
13,40
10,66
51
Capitolo 3
In base alla composizione chimica della scoria è quindi possibile ricondurre al
calcolo del materiale perso durante il processo di fusione. La differenza tra calo
misurato come differenza tra peso del caricato e quello dello spillato ed il calo
stimato in funzione di quanto previsto sulla base della scoria, è stata calcolata e
riportata in tabella 3.3.7.
οΨ ൌ Ψ݈ܽܥ௦௨௧ െ Ψ݈ܽܥ௦௧௧
Tabella 3.3.7. Differenza tra calo misurato e calo stimato.
411537
3,4%
411716
2,8%
411752
4%
411768
2,9%
411814
4%
411815
3,3%
Uno scostamento inferiore all’1% può essere legato ad errori sistematici di
misura, mentre se superiore è significativo. Questo può essere dovuto a:
·
Errori nella misurazione della quantità di scoria;
·
Sottostima dell’ossido di ferro contenuto in scoria;
·
Maggior quantità di rottame contenente zinco che evapora e si ossida di
particelle trascinate dai fumi.
Solitamente si può sospettare che lo 0,7 - 0,9 % del rottame in entrata
all’acciaieria sia inerte depositato su di esso (oli, umidità, grassi, materiale di
matura polimerica ecc.) che evapora rapidamente.
I cali percentuali sono stati misurati secondo la relazione e vengono riportati in
tabella 3.3.8. e a questi se si sottrae prudenzialmente lo 0,7 %.
Ψ ݈ܽܥൌ
ܿܽݐܽܿ݅ݎሺݐሻ െ ݐ݈݈ܽ݅ݏሺݐሻ
ͲͲͳ כ
ܿܽݐܽܿ݅ݎሺݐሻ
52
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
Tabella 3.3.8. Calo percentuale nelle colate in esame.
Numero
colata
%Calo
%Calo 0,7%
411537
411716
411752
411768
411814
411815
10,04
9,34
8,64
7,94
11,91
11,21
9,02
8,32
11,82
11,12
9,64
8,94
Le quantità stimate di specie chimiche utili caricate al forno e perse in scoria
vengono riportate in tabella 3.3.9.
Tabella 3.3.9. Stima delle quantità persa in scoria delle specie metalliche.
t
Al
Si
Mg
Fe
Mn
Ti
Cr
Numero
colata
Scoria
Scoria
Scoria
Scoria
Scoria
Scoria
Scoria
Totale
411537
411716
411752
411768
411814
411815
0,46
0,73
0,19
1,21
0,39
0,042
0,058
7,283
0,23
0,45
0,15
2,18
0,30
0,024
0,067
6,392
0,55
0,90
0,24
1,96
0,64
0,038
0,202
8,728
0,46
0,54
0,17
1,98
0,45
0,026
0,095
6,669
0,56
1,01
0,26
1,61
0,65
0,039
0,153
8,559
0,37
0,79
0,20
1,58
0,53
0,029
0,163
6,952
Si può notare che le colate con il calo maggiore vengono rispecchiate dalle
maggiori quantità di scoria prodotta, dovute ad un mix di carica con una
percentuale maggiore di fine, di conseguenza con un parametro di merito
“basso” come vedremo in seguito.
Se si considera quanto rottame potrebbe essere ossidato dall’ossigeno introdotto,
risulta evidente che esso non riuscirebbe a giustificare i cali misurati, poiché il
calo ideale è molto inferiore. Inoltre il carbonio caricato e quello presente nel
rottame non riesce a proteggerlo causa volumi di ossigeno supplementari
introdotti nell’impianto di aspirazione dei fumi che ossida gran parte del
carbonio introdotto.
53
Capitolo 3
Tabella 3.3.10. Moli di ossigeno iniettate escluse quelle per ossidare il metano,
peso del materiale metallico che è possibile ossidare e calo percentuale
provocato dall’ossigeno introdotto dalla lancia e in eccesso.
Numero
colata
O2 (mol)
Caricato
ossidabile
(t)
%Calo
411537
411716
411752
411768
411814
411815
72540,84 57431,51 78499,85 61196,68 64166,48 60954,41
7,98
6,31
8,63
6,73
7,05
6,70
7,30
5,74
7,85
6,12
6,42
6,10
3.4 La Relazione Tra Energia Elettrica, Calo E Tipologia Di Mix
Di Carica
L’analisi è stata svolta sulla base dei dati produttivi relativi all’anno 2010 e ai
primi otto mesi del 2011 relativi al forno Consteel dell’Acciaieria 2 di Arvedi.
L’obiettivo dell’analisi è:
·
Determinare la relazione tra efficienza energetica, in particolare per
quanto concerne il consumo di energia elettrica, cali del rottame e
tipologia del mix di carica.
I cali riscontrati manifestano una significativa variabilità tra i diversi mesi,
passando da valori maggiori rispetto alle medie (maggiori del 10 %), a dati di
calo percentuale ottimali (inferiori al 7 %) come viene mostrato in tabella 3.4.1.
per il Consteel.
54
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
Tabella 3.4.1. Cali percentuali del Consteel negli anni presi in considerazione.
Gennaio
Febbraio
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
Settembre
Ottobre
Novembre
Dicembre
2010 - Spillato
105210
120586
113082
103004
136614
138776
134279
61031
144037
129653
131410
121052
2010 - % Calo
13,89
14,89
5,73
9,09
11,11
11,86
11,89
13,06
6,10
6,09
6,10
6,02
2011 - Spillato
105416
148296
153550
148879
158698
160809
168426
59609
2011 - % Calo
13,05
13,05
8,67
10,31
9,92
8,68
6,55
6,55
Appare singolare come l’andamento tra calo % e consumo di energia elettrica
indichi un incremento del calo all’aumentare dell’energia elettrica specifica,
particolarmente evidente nell’anno 2011 (Figura 3.4.1.). Per l’anno 2010 (Figura
3.4.2.) l’andamento risulta essere più difficile da riconoscere per la presenza di
qualche dato corrispondenti a cali minimi, che non rispettano l’andamento, ma
se si escludono tali dati ritroviamo l’andamento descritto.
55
Capitolo 3
Energia elettrica specifica [KWh/t]
2010
470
465
460
455
450
445
440
435
430
425
420
0
5
10
15
20
Calo %
Figura 3.4.1. Relazione tra calo % e consumo di energia specifica elettrica per
l’anno 2010.
Energia elettrica specifica [KWh/t]
2011
450
440
430
420
2011
410
400
390
0
5
10
15
Calo %
Figura 3.4.2. Relazione tra calo % e consumo di energia specifica elettrica per
l’anno 2011.
56
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
La tendenza è a prima vista anomala poiché l’aumento di consumo di energia
elettrica specifica dovrebbe portare ad una diminuzione del calo causato da una
minor ossidazione della carica metallica.
Riportiamo l’energia elettrica e chimica specifica sullo spillato nella tabella
seguente.
Tabella 3.4.2. Energia elettrica e chimica specifica del Consteel negli anni
considerati.
2010 –
Spillato
[t]
Gennaio
Febbraio
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
Settembre
Ottobre
Novembre
Dicembre
105210
120586
113082
103004
136614
138776
134279
61031
144037
129653
131410
121052
2010 –
En.
Elettrica
[KWh/t]
462,5
450,5
458,9
438,9
436,5
432,8
425,7
435,6
450,2
443,5
464,1
464,1
2010 –
En.
Chimica
[KWh/t]
447,8
485,8
168,9
277,9
347,1
373,6
374,8
417,1
180,5
180,3
180,1
178,1
2011 –
Spillato
[t]
105416
148296
153550
148879
158698
160809
168426
59609
2011 –
En.
Elettrica
[KWh/t]
443,7
421,3
415,3
406,1
399,6
410,5
399,5
396,3
2011 –
En.
Chimica
[KWh/t]
416,7
416,7
263,7
319,1
305,6
264,0
194,6
194,6
L’ossidazione delle specie chimiche fornisce calore supplementare a quello
sviluppato dall’arco. Il calore teoricamente sviluppato può essere calcolato sulla
base dei cali riscontrati e della composizione chimica media delle scorie, tabella
3.4.3.
57
Capitolo 3
Tabella 3.4.3. Composizione chimica media delle scorie.
% CaO
31
% SiO2
12
% FeOx
47
% MnO
6
% Al2O3
4
In un forno in cui si iniettasse ossigeno solo per decarburare sarebbe necessario
erogare 555 KWh/t di energia mediante l’arco elettrico, che riesce a trasmettere
al rottame circa il 73% della propria potenza, quindi il rottame dovrebbe
assorbire mediamente 405 KWh/t. Quest’ultimo valore verrà preso come
riferimento per il calcolo dell’efficienza energetica del forno, dividendolo per il
totale dell’energia effettivamente erogata in forma elettrica e sviluppata dalle
reazioni chimiche.
Se si divide 405 KWh/t per le energie specifiche calcolate in tabella 3.4.2 si
ottengono i valori di efficienza (Tabella 3.4.4.).
Tabella 3.4.4. Efficienza del fornoConsteel.
2010 –
Spillato [t]
Gennaio
Febbraio
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
Settembre
Ottobre
Novembre
Dicembre
105210
120586
113082
103004
136614
138776
134279
61031
144037
129653
131410
121052
2010 –
Efficienza
energetica
44,5
43,3
64,5
56,5
51,7
50,2
50,6
47,5
64,2
64,9
62,8
63,1
2011 –
Spillato [t]
105416
148296
153550
148879
158698
160809
168426
59609
2011 –
Efficienza
energetica
47,1
48,3
59,6
55,8
57,4
60,0
68,2
68,5
L’efficienza percentuale del forno Consteel calcolata si avvicina al valore critico
del 65 %, considerato valore ottimale di gestione energetica del forno, in
corrispondenza degli ultimi mesi del 2010 e del 2011. Mentre per quanto
riguarda il forno EAF di ABS siamo sopra il valore di ottimo per tutte e sei le
colate.
58
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
La variabilità prestazionale del forno rilevata nei cali metallurgici,
nell’efficienza energetica e nella frazione di energia elettrica rispetto alla
quantità totale di energia somministrata nel processo fusorio e di affinazione,
segnala che il forno sia sensibile alla variazione della tipologia di rottame
caricato.
Tale dipendenza è stata posta in evidenza attraverso la relazione che lega il mix
di rottame con il calo metallurgico. Per impostare e delineare questa relazione è
necessario assegnare al rottame un parametro di merito che renda conto
dell’effetto di ogni tipologia di materiale sul calo (Tabella 3.4.5.).
Questi valori sono stati ricavati da uno studio che ha cercato con una regressione
i coefficienti che permettessero di fittare meglio i dati sperimentali con la
relazione che è stata definita come:
ܲ ܯൌ ݐ݅ݎ݁݉݅݀ݎݐ݁݉ܽݎܽൌ σ ݂݂݁ܥǤ ݈݁ܽ݅ݎ݁ݐܽܯ כ
PM: parametro di merito, calcolato per ogni mese in funzione del mix di carica.
Coeffi: coefficiente di merito per la tipologia i-esima di rottame.
Materialei: quantità di materiale della tipologia i-esima, fatta 100 la carica.
I coefficienti vengono utilizzati per correlare il calo al parametro di merito del
mix di carica ottenuto dalla formula sopra illustrata. Li riportiamo di seguito.
Tabella 3.4.5.. Coefficienti di merito assegnati ad ogni tipologia di materiale di
carica.
DEMIND GHISA
0,8
-0,3
HBI
-2
LAMM
-0,3
LAPS
-0,7
PROLER
1
RP
0,5
·
DEMIND: materiale proveniente dalla demolizione industriale;
·
GHISA;
·
HBI: Hot Briquetted Iron;
P53
0,8
59
Capitolo 3
·
LAMM: lamierino;
·
LAPS: lamierino in pezzatura fine;
·
PROLER: frantumato generalmente da demolizione automobilistica;
·
RP: recuperi interni;
·
P53: pacchi;
I materiali di carica a cui viene assegnato un coefficiente di merito positivo
tendono a limitare il calo, mentre quelli presentano un coefficiente di merito
negativo incrementano il calo.
Tabella 3.4.6. Quantità di rottame caricato nel 2010, facente parte il mix di
carica.
2010
Gennaio
febbraio
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
Settembre
Ottobre
Novembre
Dicembre
DEMIND
0
0
4,3
8,7
4,3
5,6
0
10,1
3,5
2,9
1,6
5,2
GHISA
6,8
13
13,8
11,5
11,2
13,3
12,9
11,6
3,4
3,7
5,2
5,4
HBI
10,2
6,9
1,5
1,4
4,9
2,8
6,6
8,3
9
3
7,6
7,4
LAMM
13,1
23,5
19,6
24,1
20,7
24,3
17,9
17,4
9,9
14,2
13
9,8
LAPS
16,2
13,2
13,1
10,2
11
15,6
18,7
3,9
13,6
15,8
16,7
17,7
PROLER
19,6
25,4
24,3
15,3
23,4
18,8
23,4
27,1
28,8
28,6
21,6
23,1
RP
29,6
13,9
14,9
21,2
16,6
15
13,4
20,6
23,4
21,6
26,2
26,6
60
P53
4,5
4,1
8,5
7,7
7,9
4,6
7,1
1
8,4
10,2
8
4,9
Ricognizione Sull’efficienza Energetica Ed Effetto Della Tipologia Di Rottame Sul Calo
Metallurgico
Tabella 3.4.7. Quantità di rottame caricato nel 2011, facente parte il mix di
carica.
2011
Gennaio
febbraio
Marzo
Aprile
DEMIND
1,5
0,4
0
0,2
GHISA
13,4
13,8
15,2
16,5
HBI
9,1
3,3
2,5
3,4
LAMM
19,5
19,1
14,3
11,4
LAPS
14,8
20,5
18,8
15,3
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
DEMIND
0,8
3,6
2,4
2
GHISA
16,3
16,5
16,7
14,2
HBI
3,2
3,7
4,3
5,2
LAMM
17,9
16
10,6
10,1
LAPS
9,1
13
17,2
17,3
PROLER
25
23
20,1
19,9
25,4
PROLER
30
28,2
23,9
29,2
29
RP
4,7
13,2
19,5
19
P53
4,5
3,9
5,3
4,7
RP
18,3
18,7
17,1
17,9
P53
5,6
4,6
2,5
4,2
Se si moltiplicano i coefficienti di merito per le differenti tipologie di rottame
con le percentuali delle quantità caricate, componenti il mix di carica, si ottiene
un parametro di merito che può essere confrontato con i cali prodotti e che
identifica un andamento ben preciso (figura 3.4.8.).
Tabella 3.4.8. Parametro di merito trovato come prodotto tra il coefficiente di
merito e le quantità caricate per il Consteel.
2010
Gennaio
febbraio
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
Settembre
Ottobre
Novembre
Dicembre
P.M.
19,05
20,12
38,14
32,68
29,79
28,5
26,43
23,71
37,55
49,57
33,41
37,51
CALO
13,891
14,893
5,736
9,099
11,113
11,863
11,894
13,061
6,104
6,099
6,103
6,027
2011
Gennaio
febbraio
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Luglio
Agosto
P.M.
12,44
28,02
33,2
34,36
32,18
31,76
36,92
37,33
CALO
13,050
13,050
8,675
10,310
9,917
8,683
6,549
6,551
61
PROLER
45
9,5
5,7
4,5
3,6
PROLER
45
0
0
0
0
Capitolo 3
Mettiamo in un grafico che ha come risultato il calo metallurgico in funzione del
parametro di merito trovato per gli anni in esame del Consteel (Figura 3.4.3.).
18
16
14
% Calo
12
10
8
6
y = -0,322x + 19,659
R² = 0,7351
4
2
0
0
10
20
30
40
parametro di merito del mix di carica
50
60
Figura 3.4.3. Relazione tra calo % e mix di carica.
Si può notare come il calo metallurgico sia fortemente influenzato dal parametro
di merito del mix di carica. Quindi in un primo momento si può affermare che
un mix di carica prevalentemente formato da rottame con coefficiente di merito
positivo, come quello “pesante”, avrà come effetto una riduzione del calo
metallurgico.
62
Capitolo 4
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di
Rottame
4.1 Introduzione
La simulazione numerica prende in considerazione il forno EAF di A.B.S., come
già detto un forno elettrico ad arco trifase “top-charge”.
Per fare ciò si è dovuto prima di tutto costruire un modello CAD del forno, nel
mio caso ho utilizzato il software Autodesk Inventor Professional 2012,
partendo da uno disegno dello schema fornito dall’acciaieria. Dopodiché il
modello completo di tutte le parti necessarie alla simulazione sono state
importate nel software di simulazione COMSOL Multiphysics 4.3, nel quale si è
svolta la simulazione.
Lo scopo della simulazione è cercare di trovare un modello semplice che riesca
a rappresentare il campo di temperatura e quello di velocità dell’atmosfera
all’interno del borno.
4.2 Il Modello CAD
Il modello CAD del forno dell’acciaieria di A.B.S. è stato costruito con
l’utilizzo di un software di modellazione tridimensionale avendo a disposizione
lo schema costruttivo su carta, riportato in Figura 4.2.1.
63
Capitolo 4
Figura 4.2.1. Schema del forno EAF dell’acciaieria ABS.
Come si può notare dal disegno, viene rappresentata solo la parte inferiore del
forno elettrico composto dalla suola e dalla parte del tino a contatto con l’acciaio
liquido e la scoria, entrambi in mattoni refrattari.
Vi è inoltre rappresentata la porta di scorifica e il becco di colata, che nel
modello riprodotto non è stato costruito perché la simulazione è non volta a
simulare la fase di spillaggio. Infatti non è stato rappresentato alcun foro.
Si nota il mantello esterno, e le tubiere per a movimentazione del bagno
metallico, il cosiddetto sistema di “stirring del bagno”, che non consideriamo nel
modello per semplicità, e la dimensione del cerchio degli elettrodi.
Purtroppo non è rappresentata né la volta né la parte del tino raffreddata ad
acqua. Per questo motivo, come vedremo successivamente, le due parti non
rappresentate saranno costruite in funzione della parte sottostante e con
dimensioni che riprendono i classici forni EAF, cioè con una parte del tino
verticale e una volta arrotondata.
64
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
Nella costruzione di quest’ultima, la volta, verranno effettuati anche i tre fori per
il passaggio degli elettrodi e il quarto foro per il condotto di aspirazione dei fumi
provenienti dal processo.
Nell’ambiente 3d di modellazione sono state costruite le varie parti costituenti il
forno in esame e infine si è assemblato il modello completo.
Figura 4.2.2. L’assieme costruito nell’ambiente di modellazione 3d.
Ho cercato di semplificare il più possibile la geometria e di rappresentare con il
numero minore di domini la costruzione del modello 3d che poi verrà usato per
la simulazione. Questo per far in modo di evitare lunghi tempi di calcolo e per
praticità di costruzione e assemblaggio.
65
Capitolo 4
Il modello proposto è così composto:
1. La volta: si può notare il quarto foro e i fori degli elettrodi che verranno
creati nell’ambiente di simulazione numerica;
2. L’atmosfera del forno;
3. La carica di rottame;
4. Suola refrattaria;
5. Tino refrattario: parte del tino che va a contatto con il bagno liquido e
scoria;
6. Mantello esterno;
7. Tino raffreddato ad acqua;
Ai particolari elencati precedentemente non è stato assegnato alcun materiale
perché verrà successivamente implementato nell’ambiente di simulazione.
4.3 La Simulazione
Completati i sette particolari e assemblati in Inventor, il modello CAD viene
importato nel software Comsol, come file .xt.
Il modello fisico principale che è stato scelto per una prima simulazione iniziale
è quello di “heat transfer” prendendo come variabile in funzione del tempo la
temperatura “T”.
Per la trasmettere il calore alla carica di rottame sono stati creati nell’ambiente
di modellazione del programma i tre elettrodi in grafite, ai quali verrà assegnata
una temperatura e un flusso di calore verso il rottame.
Per definire l’aspirazione del quarto foro si è usato un modello diverso chiamato
“laminar flow”. Definendo una condizione iniziale in ingresso e una in uscita.
66
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
Questa causerà un flusso che per semplicità abbiamo imposto laminare dalla
porta di scorifica verso il quarto foro.
4.3.1 Definizione Dei Materiali
Figura 4.3.1.1. Il modello del forno nell’ambiente di simulazione.
Dopo aver definito i modelli fisici utilizzati nel software si vanno a definire i
materiali dei vari domini di cui è composto l’assieme importato. Mentre per le
condizioni iniziali di temperatura rimandiamo alla parte di modello “heat
transfer”.
Le caratteristiche principali da impostare sono tre, la conducibilità termica k
[W/(m K)], il calore specifico Cp [J/(Kg K)] e la densità rho [Kg/m3].
1. Il mantello esterno, il tino e la volta: per semplicità si assegna lo stesso
materiale a tutti e tre i domini.
Si è optato per un acciaio con proprietà elencate di seguito:
67
Capitolo 4
Cp = 440 [J/(Kg K)]
rho = 7850 [Kg/m3]
k = 45 [W/(m K)]
2. Refrattario: consideriamo sia il materiale del tino, sia quello della suola
in dolomite le cui caratteristiche sono:
Cp = 300 [J/(Kg K)]
rho = 2850 [Kg/m3]
k = 156 [W/(m K)]
3. Atmosfera + Carica: per quanto riguarda questo dominio si è cercato di
far cambiare le proprietà fisiche del dominio stesso in funzione della
temperatura, in modo tale da simulare la discesa del materiale di carica
che mano a mano raggiunge lo stato fisico di fluido e lascia il posto
all’atmosfera.
Le proprietà fisiche dei due diversi domini presi in considerazione sono
quelle dell’aria e dell’acciaio, elencate qui di seguito:
·
Atmosfera:
Cp = 1005 [J/(Kg K)]
rho = 1.225 [Kg/m3]
k = 100 [W/(m K)]
·
Carica: per semplicità imponiamo le tipiche caratteristiche fisiche
e termiche di un acciaio.
Cp = 440 [J/(Kg K)]
rho = 7850 [Kg/m3]
k = 45 [W/(m K)]
L’idea per simulare la discesa della carica è quella di impostare delle
equazioni in funzione della temperatura di fusione “Tf” della carica,
quindi impostiamo per semplicità una temperatura di 1703° K. Per
68
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
esempio se la temperatura è superiore a “Tf” allora la densità sarà pari a
quella dell’aria, se invece è minore sarà pari a quella della carica.
Le equazioni impostate sono le seguenti, con la temperatura in gradi
Kelvin:
ܥൌ ͳͲͲͷ כሺܶ ݂ܶሻ ͶͶͲ כሺܶ ൏ ݂ܶሻ [J/(Kg K)]
݇ ൌ ͲǡͲʹ כሺܶ ݂ܶሻ Ͷͷ כሺܶ ൏ ݂ܶሻ [W/(m K]
݄ݎൌ ͳǡʹͷͷ כሺܶ ݂ܶሻ ͺͷͲ כሺܶ ൏ ݂ܶሻ [Kg/m3]
In questo modo si simula il passaggio di stato del rottame da solido a
liquido e la discesa del bagno lungo z.
4. Gli elettrodi: creati nell’ambiente di simulazione, aventi diametro di 400
mm e distanti dalla carica di rottame di 350mm. L’altezza è stata definita
in modo tale che escano dalla volta e sono posizionati concentrici con i
tre fori in essa. Ovviamente il materiale scelto è la grafite.
Cp = 720 J/(Kg K)
rho = 2200 Kg/m3
k = 130 W/(m K)
69
Capitolo 4
4.3.2 Il Modello Fisico
Esistono varie tipologie di scambio termico, conduzione, convezione e
irraggiamento. In questa simulazione consideriamo tutte e tre le forme di
scambio di energia, applicate in modo tale da non avere lunghi tempi di calcolo
come vedremo in seguito.
In generale, lo scambio termico è un fenomeno non lineare, non esiste cioè una
semplice relazione di linearità fra energia scambiata dai corpi coinvolti nel
processo e temperature dei corpi, tant’è che, ad esempio, in un fenomeno di
irraggiamento il calore scambiato è proporzionale alla quarta potenza delle
temperature dei corpi.
·
La conduzione termica: è il processo che si attua in un mezzo
solido, liquido o aeriforme nel momento in cui, a causa di una
differenza di temperatura, viene provocato un trasferimento di
energia cinetica da una molecola a quella adiacente che possiede
una velocità di vibrazione minore, essendo la velocità di
vibrazione delle particelle indice della temperatura del corpo.
Si ha in questo modo un trasferimento di energia, sotto
l’influenza del gradiente di temperatura (variazione della
temperatura lungo una direzione).
Dall’esperienza si è ricavata una legge fenomenologica, detta
legge di Fourier. La legge di Fourier in condizioni
monodimensionali assume la forma:
ݍ௫ ൌ െ݇ כ ܣ כ
݀ܶ
ሾሿ
݀ݔ
qx: è la potenza termica trasmessa in direzione x.
k: è il coefficiente di conducibilità termica. [W/(m K)]
A: è la superficie di scambio termico. [m2]
Il segno meno indica che il calore viene trasmesso in direzione
opposta al gradiente di temperatura. La conducibilità termica è
una proprietà termo fisica del materiale, che assume valori da
70
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
0,03 W/(m K) per i materiali isolanti a 420 W(m K) per l’argento
[11].
Nel nostro caso non useremo l’equazione riportata sopra perché
siamo in una condizione tridimensionale. Quindi oltre alla
variazione della temperatura nel tempo dovremo considerare
anche quella nello spazio.
·
La convezione termica: La convezione è un fenomeno
sicuramente più complesso rispetto alla conduzione.
Modellizzandolo possiamo supporre che sia composto da due
meccanismi che operano contemporaneamente: un trasferimento
di energia per conduzione (vi sarà sempre una diffusione di
energia associata a moti molecolari) e un trasferimento di energia
causato dal moto macroscopico di fluido associato al movimento
di un numero elevato di molecole.
Soprattutto il secondo meccanismo è causato dalla viscosità del
fluido; pertanto, i suoi effetti si faranno sentire principalmente
all’interno dello strato limite.
Essendo legato allo strato limite, lo scambio termico dipenderà
dal fluido, dalla forma del corpo, dal campo di moto, dalle
condizioni al contorno. La relazione che comunemente si utilizza
è la cosiddetta legge di Newton:
ݍൌ ݄ כሺܶ௦ െ ܶஶ ሻ [W]
h: coefficiente convettivo o di convezione. [W/(m2 K)]
Bisogna osservare che l’equazione riportata è in realtà la
definizione stessa di h, pertanto h andrà di volta in volta valutato
utilizzando di solito formule sperimentali.
Ts: temperatura di parete. [K]
T∞: temperatura indisturbata. [K]
71
Capitolo 4
È bene precisare che, mentre il coefficiente conduttivo è una
proprietà termo fisica di un materiale, il coefficiente convettivo è
una nostra definizione di comodo.
È vantaggioso creare una classificazione della convezione in
funzione del campo di moto. Parleremo, quindi, di: convezione
“forzata” quando il moto del fluido è generato da azioni esterne (
per esempio un ventilatore, una pompa, il vento) e di convezione
“naturale” (o libera) quando il moto è generato da forze di massa,
quali le forze di galleggiamento (per intenderci il principio di
Archimede) o forze centrifughe.
·
Irraggiamento o radiazione termica: è il termine usato per
indicare la radiazione elettromagnetica emessa dalla superficie di
un corpo che si trova ad una certa temperatura. Tutti gli oggetti
emettono radiazioni elettromagnetiche, che sono frutto
dell’eccitazione termica della superficie del corpo, legata alla
condizione energetica dei suoi atomi (l’irraggiamento è tanto più
intenso quanto maggiore è la temperatura dell’oggetto stesso), e
viene emessa in tutte le direzioni; quando il mezzo trasmissivo
risulta essere sufficientemente trasparente a tale radiazione, nel
momento in cui essa colpisce un altro corpo, parte viene riflessa e
parte assorbita.
Tra i due corpi si stabilirà un continuo scambio di energia, con
uno scambio netto di calore dal corpo più caldo al corpo più
freddo. Da notare è che può anche non esservi un mezzo di
trasmissione, in quanto l’irraggiamento è l’unica modalità di
scambio termico che avviene anche nel vuoto.
La massima potenza termica che una superficie può emettere in
tutta la banda di frequenza è espressa tramite la legge di Stefan –
Boltzmann:
ݍൌ ܶ כ ߪ כ ܣ௦ସ ሾܹሿ
A: superficie. [m2]
σ: è la costante di Stefan – Boltzmann= 5,67e-8. [W/(m2 K4]
T: è la temperatura della superficie. [K]
72
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
Questa relazione è valida solo per un corpo ideale, definito corpo
nero. Nelle superfici reali la situazione è decisamente più
complessa. Un modello che può venir applicato in molti casi è
quello di corpo grigio.
Definiremo, almeno in prima approssimazione, grigia una
superficie che per ogni lunghezza d’onda emetta una frazione
costante dell’energia che verrebbe emessa da un corpo nero la cui
superficie si trova alla stessa temperatura di quella grigia.
Definiremo questa frazione emissività della superficie e la
indicheremo con ε. Ovviamente, per quanto detto, ε dovrà essere
minore di 1.
Nella parte di definizione dei modelli ho creato due studi differenti, uno che
risolve il calcolo della trasmissione delle varie forme di energia considerate e
viene chiamato “Heat Hransfer”, e l’altro mirato alla simulazione del moto
dell’atmosfera all’interno del forno, chiamato “Laminar Flow”. Di seguito andrò
a illustrare le diverse condizioni che si sono impostate in entrambi i due modelli
considerati.
Il modello alla base è l’“Heat Transfer”, che prende per la risoluzione della
trasmissione del calore le proprietà termiche definite nella parte di definizione
dei materiali, descritta in precedenza.
Come detto l’equazione fondamentale è quella di Fouruer, che tiene conto della
variazione di temperatura nello spazio e nel tempo. Riportiamo l’equazione
considerata:
ܥ כ ݄ݎ כ
៥ܶ
ൌ ݀݅ݒሺ݇ ܶ݀ܽݎ݃ כሻ
៥ݐ
Il termine di portata “div (k gradT)” nell’equazione è dovuto al fenomeno di
diffusione molecolare in un sistema isotropo. Il flusso di calore ha la stessa
direzione ma verso opposto al gradT e i moduli sono proporzionali alla
conducibilità termica k.
Il termine di accumulo “Cp rho ƏT/Ət” è relativo alla variazione nel tempo della
quantità di calore entro il volume preso in esame.
73
Capitolo 4
Non essendo un fenomeno lineare si ha un’equazione differenziale in T(x,y,z,t)
del secondo ordine in x, y, z e del primo ordine rispetto a t.
La sua soluzione ci da il campo di temperatura assegnando però le condizioni al
contorno ed iniziali, come vediamo di seguito.
Si è definito il valore di temperatura di riferimento iniziale per i domini uguale a
quella ambiente di 25° C. Viene definita in gradi Kelvin nel modello pari a
293.15°K.
Sulla superficie della suola che si affaccia alla carica è stata impostata una
temperatura di 1536° C circa, questo sta a rappresentare il calore del piede
liquido che si ha ogni qual volta che si inserisce una nuova carica di rottame in
un qualsiasi convenzionale EAF TC.
Dopodiché è stata impostata sulla superficie degli elettrodi che si affaccia sul
rottame una temperatura di 5500° K, cioè quella temperatura tipica del fascio di
plasma che si viene a creare quando l’aria tra rottame ed elettrodi viene
ionizzata.
Non dimentichiamo che sussiste anche uno scambio termico per convezione di
tipo naturale per semplicità di simulazione, che interessa tutte le superfici
esterne del forno a contatto con l’atmosfera circostante.
Il software per fare ciò ci richiede una temperatura esterna, che poniamo pari a
quella ambiente di 293.15°K, e un coefficiente di scambio convettivo h, uguale a
20 W/(m2 K), che rappresenta il coefficiente convettivo dell’aria.
Il calore non viene scambiato solamente per conduzione tra tutti i domini che
fanno parte del forno e per convezione sulle pareti esterne dello stesso, ma
consideriamo anche il flusso di potenza termica dovuta alll’irraggiamento da
parte dell’arco sul rottame.
Per rappresentare questo impostiamo anche una sorgente di calore sviluppata
dagli elettrodi [10], calcolata come massima potenza termica sviluppabile per
semplicità:
ܳ ൌ ߪ ܶ כସ [W/m2]
74
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
σ: costante di Stefan-Boltzmann = 5,6e-8 [W/(m2 K4)].
T: temperatura del corpo = 5500° K.
Qb: energy flux, associato alla superficie di emissione.
Nel secondo modello in esame, “Laminar Flow”, l’obiettivo è quello di
simulare l’aspirazione dell’impianto fumi di un convenzionale forno elettrico ad
arco trifase. Si vuole quindi creare un flusso di aria che dalla porta di scorifica
accelera e si dirige verso il quarto foro.
Come già accennato nei capitoli precedenti il quarto foro è indispensabile per
aspirare e trattare i fumi che si sviluppano durante il processo di fusione.
Ovviamente impostiamo a velocità nulla il fluido in contatto con le pareti del
forno.
Per formare un flusso bisogna impostare un a condizione di inlet e di outlet:
impostiamo come inlet la superficie della porta di scorifica a una pressione pari
a quella atmosferica (101325 Pa), mentre per l’outlet una condizione di velocità
pari a 20 m/s sulla superficie del 4 foro. Abbiamo creato un’accelerazione
dell’aria dalla porta al quarto foro.
Figura 4.3.2.1. superfici sulle quali è stata impostata la condizione i inlet (a
sinistra) e di outlet (a destra).
75
Capitolo 4
4.3.3. La Mesh
una volta impostati i due modelli definiamo due mesh distinte, rispettivamente
la prima per lo studio sulla trasmissione del calore e l’altra per lo studio
fluidodinamico dell’aspirazione dei fumi di processo.
·
Mesh1: definita sul modello “Heat Transfer”;
·
Mesh2: definita sul modello ”Laminar Flow”.
Per non prolungare i tempi di calcolo eccessivamente sia la mesh1 che la mesh2
sono state create in automatico dal software con la sola differenza del criterio
utilizzato nella sua costruzione.
La mesh1 è stata creata più grossolana, mentre la mesh2 che definisce
l’atmosfera all’interno del forno e la carica, cuore della simulazione, è stata
creata con un criterio che permettesse di ottenere una discretizzazione più
spinta, senza però allungare di molto i tempi di calcolo.
Figura 4.3.3.1. La discretizzazione dei domini facente parte il modello
“Laminar Flow”.
76
Simulazione Fusoria Di Una Carica Di Rottame
Una volta che il software è stato impostato diamo il via alla simulazione. Si è
impostato il tempo un tempo di calcolo pari a 840 secondi, corrispondenti a 14
minuti che è circa il tempo che intercorre tra la fusione di una cesta e la
successiva.
In funzione del forno e della quantità di carica si possono variare tutti i
parametri impostati e ottenere diverse soluzioni impiantistiche.
Sono state effettuate 3 simulazioni cambiando la velocità impostata nella parte
di modello “Laminar Flow” per ricavare i tre diversi campi di velocità e di
temperatura:
·
Simulazione1: Vout = 20 [m/s]: preso come stato dell’arte attuale.
·
Simulazione2: Vout = 10 [m/s]
·
Simulazione3: Vout = 30 [m/s]
Ho deciso di prendere un punto a velocità più elevata e uno più bassa in modo
da poter cogliere se ve ne sono delle differenze significative nel campo di
temperatura.
77
Capitolo 5
Discussione E Conclusioni
5.1 Analisi Dell’efficienza Energetica Dei Due Forni
In un processo di fusione gestito senza sfruttare l’energia prodotta
dall’ossidazione del materiale metallico si perde una quantità variabile tra il 3,9
ed il 4,5 % del caricato [2]. Inoltre si ha ragione di pensare che lo 0,7 – 0,9 %
del materiale caricato non sia assimilabile a carica metallica ma ad inerte
presente sul rottame, che viene rimosso per azione del violento riscaldamento
prodotto dall’arco elettrico.
Tabella 5.1.1. Calo percentuale negli anni in esame dell’Acciaieria 1 di Arvedi.
Anno
%Calo
%Calo - 0,7%
2003
11,9
11,2
2004
11,9
11,2
2005
10,6
9,9
2006
8,4
7,7
2007
8,4
7,7
Tabella 5.1.2. Calo percentuale nelle colate in esame di ABS.
Numero
colata
%Calo
%Calo 0,7%
411537
411716
411752
411768
411814
411815
10,04
9,34
8,64
7,94
11,91
11,21
9,02
8,32
11,82
11,12
9,64
8,94
Le quantità di calo in tabella 5.1.1. e 5.1.2. ed eccedenti il valore fisiologico del
3,9 – 4,5 % sono dovute al processo di ossidazione del rottame caricato e sono
legate a due fenomeni principalmente:
·
Ossidazione durante la decarburazione della carica allo stato liquido;
77
Capitolo 5
·
Reazioni tra metallo e aria indotta nel forno dai processi di aspirazione.
Si ha ragione di credere che il 75 – 80 % del carbone introdotto anziché
sciogliersi nell’acciaio fuso tenda ad ossidarsi causa l’elevata temperatura e la
grande quantità di ossigeno introdotta. Questo concorre ad una maggior
ossidazione del bagno metallico durante la decarburazione.
Per limitare l’ossidazione dei materiali metallici si potrebbe ricorrere a:
1. Stimare periodicamente nel laboratorio dell’acciaieria la quantità di
inerte presente sulle diverse categorie di rottame. In generale i rottami da
tenere sotto controllo sono quelli di pezzatura fine, poiché presentano un
maggior rapporto superficie su volume e quindi una maggiore possibilità
di deposito di materiale inerte;
2. Diminuire la portata di ossigeno nel’ultima parte di decarburazione.
Appare una soluzione difficilmente percorribile perché causerebbe una
riduzione della produttività dell’acciaieria, in quanto la maggior parte
dell’acciaio prodotto è a basso carbonio;
3. Lavorare con l’arco inserito durante il processo di decarburazione in
modo che la temperatura del bagno sia mediamente più alta, così
maggiore sarà la tendenza ad ossidarsi del carbonio in luogo al ferro.
Questo accorgimento non diminuisce la produttività ma aumenta il
consumo di energia elettrica;
4. Verificare il tempo di spegnimento dei bruciatori perché appena la
fiamma dei bruciatori non è più coperta dal rottame l’arco elettrico
irraggia calore sulla fiamma, così una parte del calore dell’arco finisce
nei fumi. Questo comporta un abbassamento nell’efficienza del
riscaldamento e una maggiore ossidazione;
5. Se fosse possibile gestire la distribuzione del rottame nelle ceste
bisognerebbe cercare di inserire i rottami più leggeri al centro sotto
l’arco, quello più pesante nelle regioni periferiche perché i materiali più
fini tendono ad ossidarsi maggiormente;
78
Discussione E Conclusioni
6. Verificare la regolazione dell’aria aspirata, tenendo al minimo le portate
negli stadi iniziali ed incrementando progressivamente.
7. Incrementare il numero di iniettori di ossigeno perimetrali per migliorare
l’omogeneità del soffiaggio, aumentare l’efficienza di rimozione del
carbonio e diminuire l’ossidazione della carica metallica.
I provvedimenti al punto 2. (riduzione la portata di ossigeno) e al punto 3.
(lavorare con l’arco inserito) comportano un incremento del consumo di energia
elettrica. L’intervento al punto 7. (incrementare il numero degli iniettori)
comporta invece un investimento a livello impiantistico e non può essere risolto
solo per mezzo di accorgimenti relativi alla regolazione.
Si faccia conto che una riduzione del calo dell’1 % comporta un aumento
dell’energia elettrica specifica pari a circa 15 KWh/t. Considerando che
l’acciaieria deve mantenere produttività elevate e produrre acciai a basso
carbonio, se a seguito di verifica si riscontrasse che qualcuno dei punti 1.
(controllo dell’inerte), 4. (regolazione dei bruciatori) 6. (regolazione impianto
fumi) e 7.(incrementare il numero degli iniettori) non fosse regolato in maniera
ottimale si può prudenzialmente stimare di recuperare tra 0,8 % e 1,5 %,
altrimenti si deve concludere che la configurazione del forno e le esigenze di
produttività non consentono di comprimere ulteriormente i cali.
Per quanto concerne i bilanci energetici, entrambi i forni risultano essere ben
gestiti in quanto l’efficienza si attesta sempre sopra il 65 % che è ritenuto il
valore corrispondente ad un’ottimale gestione del forno. Questo dato è
confortante se si considera che in questo caso l’energia specifica da introdurre
teoricamente è stata posta a 405 KWh/t, mentre le società cercano di abbellire le
prestazioni dei loro forni imponendo 455 KWh/t.
Per quanto concerne i cali ottenuti:
·
Acciaieria 1 Arvedi: la scelta di abbandonare l’utilizzo della lancia di
ossigeno nel 2005 risulta corretto nella gestione del forno dell’Acciaieria
1 di Arvedi perché corrisposto ad una diminuzione del calo metallurgico.
Passiamo da un calo dell’ 11,2 % nei primi anni a 7,7 %;
79
Capitolo 5
·
Acciaieria Bertoli Safau: si assesta intorno ad una media del 10 %.
Questo è dovuto anche alla maggior quantità di energia chimica
utilizzata proveniente dall’ossidazione del materiale di carica. La forbice
si assesta dal 8,6 % per la colata 411716 ad un massimo del 11,9 % per
la colata 411752. Questo è dovuto anche dalla quantità di moli di
ossigeno introdotte dalla lancia e in eccesso dai bruciatori. Si nota infatti
che nelle colate ad alto calo si è utilizzata una quantità maggiore di Nm3
di ossigeno, in media circa 800 Nm3 contro 450 Nm3.
Il rapporto tra energia elettrica e chimica sviluppata dalla combustione è pari a
2,4 – 2,5 per l’Acciaieria 1 di Arvedi e non appare comprimibile se si desidera
mantenere la produttività necessaria per alimentare colate e laminatoi. Inoltre
un’eventuale compressione del rapporto rischierebbe di peggiorare i cali del
rottame , poiché l’energia che non verrebbe sviluppata dall’arco dovrebbe essere
ottenuta dall’ossidazione degli elementi contenuti nella carica. Mentre per
l’Acciaieria Bertoli Safau si assesta intorno a 3,0 – 4,4, in concordanza con i
maggiori cali riscontrati.
·
Si rende necessario e utile un controllo periodico circa la quantità di
inerte presente sul rottame, specialmente quello di pezzatura più fine;
·
L’unica fonte plausibile di ossigeno supplementare che si può cercare di
comprimere per ridurre l’ossidazione del bagno e l’eventuale aumento
del calo metallurgico deriva dai gas aspirati dell’impianto di ventilazione
che deve certamente rimanere in esercizio, ma di cui si può verificarne la
modulazione. Infatti risulta evidente che gran parte del carbonio
introdotto in carica viene ossidato da ossigeno differente da quello
iniettato, come si evince dalla tabella 3.2.9. e 3.3.10., nelle quali i cali
soni inferiori a quello che ci si aspetterebbe.
A proposito di modulazione dell’impianto dalle tre simulazioni svolte al
calcolatore, rispettivamente con una velocità dell’impianto di aspirazione
pari a 10, 20, 30 m/s, si può prudenzialmente affermare che un
incremento della velocità d’aspirazione, che appare uniforme nel “vano”
forno inciderà porterà ad una diminuzione generalizzata dei coefficienti
di regressione calcolati per le varie tipologie di rottame.
80
Discussione E Conclusioni
Di conseguenza una diminuzione dei coefficienti di merito si riflette in
modo negativo sul parametro di merito del mix di carica, con un
conseguente aumento del calo metallurgico al forno come viene
confermato anche dall’equazione di regressione calcolata nel capitolo 3.
Riporto di seguito in Figura 5.1.1 e 5.1.2 il campo di velocità della
simulazione con velocità di aspirazione pari a 20 m/s.
Figura 5.1.1. Campo di velocità con v=20m/s.
81
Capitolo 5
Figura 5.1.2. Verifica della velocità al quarto foro.
5.2 Relazione Tra Mix Di Carica E Calo Metallurgico
Come si evince dal coefficiente di merito la ghisa tende a produrre cali
metallurgici maggiori a causa della maggiore quantità di carbonio in essa
contenuta, ma il suo utilizzo risulta indispensabile per garantire la rapida
formazione del bagno liquido in grado di accogliere il rottame caratterizzato da
una superiore temperatura di fusione.
Infatti, bisogna considerare che se da una parte il coefficiente di merito della
ghisa è solo leggermente negativo per quanto concerne il calo, d’altra parte
l’utilizzo di ghisa consente a migliorare in modo significativo la produttività del
forno. Tale aspetto risulta particolarmente importante nell’utilizzo del Consteel
dell’Acciaieria 2 di Arvedi, che deve lavorare il più possibile in condizioni di
bagno piatto.
82
Discussione E Conclusioni
Negli altri casi il coefficiente di merito è legato al rapporto superficie su volume
del tipo di rottame:
·
Il rottame più “pesante”, DEMIND e RP, produce cali inferiori perché
presenta un inferiore rapporto superficie su volume e quindi appare
meno soggetto ai fenomeni ossidativi o a presenza di materiale inerte;
·
HBI comporta un deciso calo ed è anche un incremento dell’energia
richiesta a causa della maggiore quantità di materiale inerte (ossidi
silico-alluminosi) contenuto in questa tipologia di materiale di carica;
·
Il PROLER presenta al contrario un ottimo coefficiente di merito,
stimato in un +1, nonostante una consistenza piuttosto fine, poiché esso
viene caricato con una frazione di materiale organico (polimeri) che
protegge la frazione metallica dai processi ossidativi.
Si riscontra per il Consteel di Arvedi la tendenza singolare dell’aumento del
consumo di energia elettrica con l’aumento del calo metallurgico riscontrato. A
prima vista un andamento anomalo poiché l’aumento del consumo di energia
elettrica specifica dovrebbe portare ad una diminuzione del calo causato da una
minor ossidazione della carica.
I cali sono chiaramente causati da fenomeni ossidativi del materiale caricato, ma
non produce una riduzione del consumo specifico di energia elettrica perché
questi fenomeni per il forno Consteel avvengono soprattutto nel tunnel di
preriscaldo del rottame.
Inoltre dall’analisi che lega il parametro di merito del rottame al calo riscontrato
nei vari mesi degli anni presi in esame si evince che una quantità troppo elevata
di materiale in pezzatura fine, che ha coefficiente di merito negativo, si
rispecchia in un parametro di merito del mix di carica basso e quindi ci
dobbiamo aspettare un calo metallurgico elevato.
Quindi a necessità di realizzare delle combinazioni di carica con rottame
“pesante” presenta però un rovescio della medaglia: il rottame di pezzatura
maggiore e con inferiore rapporto superficie su volume richiede l’introduzione
di maggiori quantità di energia elettrica, onde evitare cali di produttività, poiché
è necessario supplire all’inferiore scambio termico superficiale tra i gas caldi ed
83
Capitolo 5
il rottame nonché al minor effetto di scambio tra il bagno di metallo ed il
rottame che in esso viene immerso.
Si è riusciti a correlare il calo metallurgico degi mesi considerati con il
parametro di merito della carica, basato sui coefficienti di merito del rottame
componente il mix di carica al forno.
Tabella 5.2.1. Coefficienti di merito assegnati ad ogni tipologia di materiale di
carica.
DEMIND GHISA
0,8
-0,3
HBI
-2
LAMM
-0,3
LAPS
-0,7
PROLER
1
RP
0,5
P53
0,8
ܲ ܯൌ ݐ݅ݎ݁݉݅݀ݎݐ݁݉ܽݎܽൌ σ ݂݂݁ܥǤ ݈݁ܽ݅ݎ݁ݐܽܯ כ
PM: parametro di merito, calcolato per ogni mese in funzione del mix di carica.
Coeffi: coefficiente di merito per la tipologia i-esima di rottame.
Materialei: quantità di materiale della tipologia i-esima, fatta 100 la carica.
84
Discussione E Conclusioni
18
16
14
Calo %
12
10
8
6
y = -0,322x + 19,659
R² = 0,7351
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
PM parametro di merito del rottame
Figura 5.2.1. Correlazione tra il parametro di merito (mix di carica) e il calo
metallurgico del Consteel.
In queste condizioni e nell’ottica di evitare eccessivi cali metallurgici appare
difficoltoso abbassare il consumo specifico di energia elettrica al di sotto dei
400 KWh/t, e tale situazione è associata anche alla particolare modalità di
caricamento del Consteel che pone vincoli stringenti sul mix di rottame da
caricare nel forno, onde evitare eccessivi cali metallurgici causati
dall’ossidazione nell’impianto di preriscaldo, che potrebbe provocare anche
saldature tra il rottame fine nel tunnel di preriscaldo causando malfunzionamenti
del processo.
85
Capitolo 5
Concludiamo che il calo metallurgico riscontrabile durante un processo di
fusione al fine di produrre acciaio, è fortemente influenzato dal mix di rottame
che va a comporre la carica del forno. Nonché gioca un ruolo importante anche
la modulazione dell’impianto di aspirazione dei fumi di processo, che se non
modulata e controllata durante le fasi del processo può portare a cali eccessivi e
quindi ad una diminuzione dell’efficienza del processo.
86
Bibliografia
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an integrated control of scrap melting and slag characteristics. La
Metallurgia Italiana – n. 2/2010.
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[3]
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Consteel system. La metallurgia Italiana – n.1/2005.
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[8]
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thermal, chemical, and metallurgical process”
[11] Appunti di Ing. Industriale sulla trasmissione del calore. Anno accademico
2009-2010
87
