Il controllo della combustione in un forno rotativo di fusione e mantenimento per la ghisa

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1 fusione Enrico Flamigni *, Renato Imeri ** * SCM Group S.p.A., Fonderie SCM Villa Verucchio (RN) ** Sol S.p.A., Monza Il controllo della combustione in un forno rotativo di fusione e mantenimento per la ghisa Alcuni aspetti finora poco conosciuti in fase di sviluppo e miglioramento Il forno rotativo a ossicombustione di metano per la ghisa si è affacciato sul mercato da circa una decina di anni e si è diffuso molto rapidamente per merito soprattutto dei suoi limitati costi di impianto e operativi. La facilità di gestione che deriva dalla sua semplicità impiantistica e il suo basso impatto ambientale ne anno decretato il definitivo successo. La possibilità di funzionare non solo come forno di fusione ma anche parzialmente come 40

2 forno di mantenimento ha aggiunto ancor più interesse verso tale tipo di forno. Alcuni aspetti di questo forno sono ancora poco conosciuti e sono sicuramente ancora in fase di sviluppo e miglioramento. Il forno rotativo utilizza energia chimica per realizzare il processo di fusione della ghisa e in particolare l energia fornita dalla combustione del metano. Il processo con ossigeno, dove l ossigeno è utilizzato come comburente in sostituzione dell aria, garantisce il raggiungimento di temperature di fiamma massime possibili e la massima efficienza di combustione. La maniera di condurre la combustione è fondamentale per garantire i migliori risultati in termini di efficienza e di qualità metallurgica, in sintesi è un parametro determinante dell economia globale del processo di fusione. In questa ottica si è sviluppato un metodo di controllo della combustione e dei parametri di riferimento per la sua valutazione. Il metodo di analisi Il metodo di analisi dei fumi si basa su delle celle che permettono l analisi in continuo di alcuni composti della combustione che sono l NOx, il CO, e l ossigeno libero. La sonda di prelievo è introdotta all interno della bocca di carica del forno rotativo, è la bocca opposta a quella che ospita il bruciatore. La strumentazione utilizzata è dotata di camicia di raffreddamento ad acqua Fig. 1 Foto della sonda posizionata nella bocca posteriore del forno. per evitare il suo danneggiamento, viste le alte temperature presenti all interno del forno. Lo strumento è in genere posizionato nelle vicinanze del forno e si procede all analisi in continuo e alla registrazione periodica dei parametri. Si procede seguendo tutte le fasi di una fusione, considerando anche la tipologia della carica e le relative aggiunte di additivi e correttivi. Alcuni risultati Nei giorni 2-3 e 27 luglio 2008 sono state svolte le sessioni di analisi dei fumi di combustione monitorando tre cicli di fusione di ghisa grigia, nonché si è verificato lo stato dei due impianti Solmet G-PRO asserviti ai due forni rotativi installati presso lo stabilimento Fonderie SCM di Villa Verucchio (RN). Ghisa grigia Le analisi inerenti alla fusione di ghisa sono state effettuate con la carica metallica riportata in tab. 1. La ricetta delle fiamme utilizzate nella fusione della ghisa grigia è poi riportata in tab. 2. Come si può notare, la ricetta di fusione presenta un incremento del rapporto di combustione durante il ciclo fusorio per diminuire il tenore di CO al camino e ridurre il consumo specifico di CH4 grazie al recupero del contenuto energetico del CO, che si sviluppa naturalmente durante la fusione per due meccanismi paralleli: a una temperatura superiore a circa 900 C, l anidride carbonica presente viene ridotta dal carbonio, secondo una reazione definita equilibrio di Boudouard: C + CO 2 > 2 CO il coke di petrolio calcinato, utilizzato come elemento sacrificale, inizia a reagire ad una temperatura di circa C con un significativo rilascio di CO. Tab. 1 Composizione della carica metallica Materiale Peso in kg Boccame ghisa grigia 6000 Rottame monoblocchi Colaticci/Bricchetti 2000 FeMn 20 Sabbia 288 CaSi 126 Coke + 0,2 Antracite 270 FeS (Pirite) 4 41

3 ambiente Fig. 2 Andamento dei valori del CO, CO 2 e O 2 nella fusione (2 luglio). Nelle figg. 2-6 sono riportati gli andamenti dei valori di O 2, CO 2 e CO registrati durante le tre fusioni monitorate. Dall analisi del grafico della fusione del 2 luglio (fi g.2 ), emergono delle osservazioni significative: il processo fusorio opera in un atmosfera riducente come emerge sia dal valore basso dell O 2 sia dal valore del CO elevato (circa 15%); il valore della CO 2 risulta più elevato di quello della CO per le prima fase di lavoro e per parte della seconda, per poi diminuire ed attestarsi ad un valore basso al disotto del 5% come è logico viste le temperature di processo che favoriscono l equilibrio di Boudouard; è presentata anche l ultima fase di surriscaldo (ultimi 15 minuti della linea temporale). I valori di O 2 sono praticamente nulli, mentre risultano estremamente elevati i valori di CO 2. I valori di CO si attestano intorno al 30% indicando che, anche nella fase di surriscaldo, si è ricreata una condizione di atmosfera riducente, necessaria per ridurre i problemi di ossidazione durante i lunghi tempi della fase di colata. I dati raccolti durante la seconda fusione del 3 luglio 2008 (fi g.3 ) risultano estremamente variabili per tutti e tre i parametri monitorati, ma è possibile prendere in considerazione le linee di regressione derivate per comprendere meglio l andamento dei principali parametri di processo che confermano le considerazioni precedenti: il basso valore dell O 2 (valore medio di circa 3%), sia quello più elevato del CO (circa 30%) confermano che per la maggior parte del tempo di processo la fusione avviene in Tab. 2 Ricetta delle fiamme utilizzate per la fusione di ghisa grigia RICETTA O2 CH4 Rapporto O2/CH4 Rotazione Tempo Start ,0 Stop 5 sec ,0 Impulsiva 1 11 min ,0 Impulsiva 2 42 min ,2 Impulsiva 3 42 min ,4 Continua 30 min ,6 Continua 10 min ,8 Continua 5 min 42

4 Fig. 3 Andamento dei valori e regressioni (3 luglio). atmosfera riducente; il valore della CO 2 risulta più elevato di quello del CO per le prima fase di lavoro, per poi diminuire ed attestarsi ad un valore medio del 15%; i valori medi di CO 2 e O 2 riscontrati risultano, comunque, più elevati rispetto a quelli registrati nella fusione del 2 luglio In questa seconda fusione si è deciso di analizzare separatamente il diagramma relativo alla fase di surriscaldo (fi g.4 ) della ghisa effettuato a fine ciclo di fusione per meglio comprendere l andamento dei parametri in questa fase delicata del processo visti i lunghi tempi di scarico della ghisa. Le misurazioni dei valori di O 2, CO e CO 2 durante la fase di surriscaldo evidenziano le seguenti osservazioni: il forno opera in ambiente riducente durante la prima fase del surriscaldo come dimostrato dall elevato valore del CO (circa 50%) e i più bassi valori di O 2 ; con il progredire del surriscaldo si ha l inversione delle condizioni di lavoro del forno: da riducente a ossidante, come testimoniato dall incremento del tenore di O 2 (oltre il 20%) e il decremento del valore di CO (sotto il 5%); Alla luce di queste considerazioni si potrebbe valutare la possibilità di ridurre i rapporti di combustione durante la fase di surriscaldo in modo da mantenere quasi sempre un atmosfera riducente capace di proteggere meglio la qualità della ghisa. I dati raccolti durante la seconda fusione del 23 luglio 2008 (fi g.5 ) risultano estremamente variabili per tutti e tre i parametri monitorati, ma è possibile prendere in considerazione le linee di regressione derivate per comprendere meglio l andamento dei principali parametri di processo che confermano le considerazioni precedenti. Gli andamenti delle linee di tendenza dimostrano come il forno operi ancora in atmosfera riducente: dopo una prima fase, la concentrazione di O 2 cala progressivamente per attestarsi attorno a un valore del 5%; il valore della percentuale volumetrica di CO si mantiene per tutto il processo abbondantemente al di sopra di quella della CO 2 dimostrando che il forno opera in atmosfera riducente. Nel grafico in fi g.6 è presentato l andamento dei parametri O 2, CO 2 e CO durante la fase di surriscaldo della ghisa nella fusione del 23 luglio. Anche in questo surriscaldo si nota come nel forno, al progredire della fase di surriscaldamento della ghisa, vengano perse le condizioni Fig. 4 Andamento dei valori di O 2, CO e CO 2 durante il mantenimento-surriscaldo. 43

5 ambiente di atmosfera riducente (alto CO e basso CO 2 ), suggerendo una attenta valutazione della possibilità di variare il rapporto di combustione al passare del tempo dalla fine del ciclo. L aumento del tenore di ossigeno all interno del forno favorisce i fenomeni di ossidazione del bagno metallico peggiorando la qualità metallurgica del metallo e contemporaneamente favorisce la formazione di ossidi metallici, in prevalenza ossido di ferro, che si comporta come basso fondente per la scoria e il refrattario con conseguenti problemi di separazione delle scorie e precoce usura del refrattario del forno. Il surriscaldo è utilizzato nella fase di mantenimento della ghisa all interno del forno per consentire la spillata diretta in siviera e la successiva colata, questa fase può durare fino a 90 minuti. Conclusioni L analisi della combustione è un momento fondamentale per la messa a punto del processo di fusione durante lo start up di questo tipo di forno, e rimane comunque un momento importante per la verifica delle condizioni di fusione. Il modo di condurre la fusione, in maniera più o meno ossidante, è legata anche da esigenze produttive, in Fig. 6 Andamento dei valori di O 2, CO e CO 2 durante il mantenimento-surriscaldo. Fig. 5 Andamento dei parametri nella seconda fusione del 23 luglio. genere comunque è da preferire una conduzione non eccessivamente ossidante per evitare problemi metallurgici e di precoce usura del refrattario. L ossigeno libero a tali temperature ossida velocemente tutti i materiali che incontra, soprattutto il ferro fuso e genera il suo ossido e quest ultimo agisce in seguito come basso fondente per la scoria e il refrattario. I problemi legati ad eccessivi consumi di refrattario e a qualità metallurgiche non costanti o particolarmente critiche, come ad. esempio un eccessivo sottoraffreddamento nella curva di solidificazione della ghisa di base, possono essere corretti anche con un migliore rapporto di combustione fra ossigeno e metano. Riuscire a gestire in maniera costante il processo di combustione elimina una importante variabile del processo con risultati che sono un comportamento della solidificazione della ghisa più costante e un minor consumo di materiale refrattario. 44