FORNI e CONVERTITORI (versione Gennaio 2003) Appunti ad esclusivo uso personale degli studenti del corso di Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni tenuto dall ing. Alberto Colombo presso ITIS VARESE specializzazione meccanici. E vietato l impiego diverso da quanto consentito dalla legge italiana sul copyright (n. 633/41 e succ. mod.) anche la presente pagina deve essere riprodotta nelle copie Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 1 di 9
FORNI Forni elettrici ad arco Nei forni elettrici il riscaldamento avviene per mezzo dell'arco voltaico che scocca fra elettrodi di grafite, o fra elettrodi e bagno metallico. L'arco elettrico permette il raggiungimento di temperature assai elevate, fino a circa 2800 C. In alcuni forni (ad esempio il tipo Héroult) la suola non è conduttrice e la corrente elettrica passa da un elettrodo al bagno, lo attraversa e ritorna ad un altro elettrodo. In questi tipi di forno a riscaldamento diretto, gli elettrodi sono disposti verticalmente al disopra del bagno e passano attraverso la volta del forno; essi possono essere in numero diverso a seconda del tipo di corrente (monofase, trifase). Per forni di notevole grandezza ogni fase può essere collegata a più elettrodi connessi in parallelo. II forno è costituito da una parte cilindrica (laboratorio), che sì raccorda ad un fondo bombato, il tutto realizzato in muratura refrattaria e rivestito da una corazza d acciaio che ha funzione portante. La volta del forno in materiali refrattari è mobile per consentire l'introduzione della carica dall'alto. La suola del laboratorio è rivestita di dolomite in polvere pressata. II forno poggia su culle o cilindri di basculamento che ne consentono l'inclinazione in avanti e indietro per mezzo di un pistone idraulico (per eliminare la scoria e per effettuare la colata). II foro di colata si prolunga all'esterno con un becco che permette di colare l'acciaio nella siviera. Lateralmente vi sono una o due aperture per il controllo della colata e per le eventuali aggiunte e correzioni del bagno di metallo. Gli elettrodi di grafite, sorretti da bracci collegati ad una struttura indipendente dal forno, penetrano nel laboratorio attraverso le aperture praticate nella volta. La distanza degli elettrodi dal bagno è regolabile in altezza, al fine di poter variare l'ampiezza dell'arco e di compensare il consumo degli elettrodi. In altri forni (ad esempio il tipo Girod) la suola è conduttrice: l'arco scocca dall'elettrodo o dagli elettrodi soprastanti, passa attraverso il bagno e poi attraverso la suola collegata al polo negativo. Questo tipo di forno è meno usato, per gli elevati costi di manutenzione: il calore rilevante che si trasmette alla suola provoca un notevole deterioramento e richiede un raffreddamento energico. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 2 di 9
I forni elettrici sono impiegati per la produzione di ghisa madre, per la fusione e l affinazione delle leghe metalliche, per la produzione di ferroleghe. Ovviamente le dimensioni saranno proporzionate al tipo d impiego ed alle relative potenzialità. Permettono di produrre ghise e acciai di diverse qualità. Possono essere utilizzati anche con funzione di mescolatori e polmoni per le leghe fuse prodotte. Le cariche vengono generalmente introdotte allo stato solido. Nel caso della produzione di ghisa madre le reazioni coinvolte sono prevalentemente di riduzione diretta. Il calore viene fornito dall energia elettrica. L agente riducente è il carbonio fornito da relativamente piccole quantità di carbone coke (per ottenere ghisa esente da zolfo si può ricorrere a carbone di legna). Il consumo di carbone è in ogni caso ridotto. La carica può essere costituita da quantità molto variabili di minerale o di rottame industriale (di composizione nota). Un forno elettrico per la produzione di ghisa madre risulta una conveniente alternativa per il consumo di rottami. La ghisa madre prodotta, indicativamente, può andare dalle 70 alle 100 tonnellate/giorno (altoforno: 2000 4500 tonnellate/giorno). Per il calcolo dei costi di gestione, si tenga presente la seguente equazione empirica: 1 kg coke = 8 kwh. [quando il costo del kwh scende sotto 1/8 del costo del coke risulta conveniente il forno elettrico] II riscaldamento elettrico comporta i seguenti vantaggi: - possibilità di raggiungere temperature molto elevate, - possibilità di regolare la tempe ratura, - processo generalmente pulito (i gas prodotti richiedono comunque un trattamento ed hanno un elevato potere calorifico), - assenza di azione chimica da parte dell'agente riscaldante, - possibilità lavorare al di fuori del contatto dell'aria anche in atmosfere artificiali, o nel vuoto. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 3 di 9
Forni ad induzione I forni elettrici ad induzione funzionano secondo il seguente principio generale: il calore viene fornito per effetto Joule da un conduttore percorso da corrente elettrica (l energia elettrica fornita si trasforma in calore) Q = RI 2 = V 2 /R [J/s] Sono prevalentemente utilizzati come forni fusori e per la produzione di acciaio. Si possono avere forni elettrici ad induzione a bassa e ad alta frequenza. Questi forni (alimentati alla frequenza di rete) sono chiamati anche forni ad anello o a canale (per la forma caratteristica "a canale" in cui è contenuta la carica metallica). Essi funzionano secondo il principio del trasformatore industriale a corrente alternata il cui circuito secondario è costituito dalla carica da fondere. l'avvolgimento primario è costituito da molte spire percorse da corrente a una tensione di 3 = 5 kv e frequenza di linea (50 Hz) avvolte su di un nucleo di ferro; il secondario è costituito dalla carica metallica da fondere e trattare disposto ad anello. Questo secondario è equipaggiato con una sola spira in corto circuito percorsa da corrente indotta a elevatissima intensità e bassa tensione in grado di portare (per effetto Joule) tutta la carica metallica contenuta nel crogiuolo ad anello alla temperatura di fusione. (La corrente indotta circola, in cortocircuito, nella massa liquida generando calore per effetto Joule) Questo tipo di forno elettrico ha applicazioni limitate nel campo siderurgico dato che esistono non facili problemi di isolamento termico e di raffreddamento del nucleo di ferro. I forni elettrici ad alta frequenza (o forni a induzione senza nucleo) sono costituiti da un crogiuolo (sono chiamati anche forni ad induzione a crogiolo) di materiale refrattario basico o acido. L avvolgimento elettrico disposto attorno al crogiolo è costituito da un grosso filo tubolare di rame percorso internamente da acqua di raffreddamento. In altri casi l avvolgimento elettrico è in cavo di rame isolato con lana di vetro raffreddato ad aria; un intercapedine per il raffreddamento ad acqua viene disposta attorno al crogiolo. La bobina è collegata a una sorgente di corrente alternata a frequenza variabile da 1 a 10 khz. (vi sono anche forni a bassa frequenza alimentati con corrente di rete a 50 Hz vengono utilizzati come forni fusori di acciai, ghise, leghe del rame, leghe dell alluminio). La bobina di rame produce un forte campo elettromagnetico variabile che induce, nella carica metallica contenuta nel crogiuolo, delle correnti di alta intensità che, in breve tempo, portano a fusione, per effetto joule, la carica stessa. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 4 di 9
Un punto delicato dei forni ad induzione è il crogiuolo perché, per motivi tecnici, il suo spessore deve variare da 50 a 100 mm. Il refrattario più utilizzato è quello acido ottenuto partendo da polvere di silice. Il refrattario basico viene meno utilizzato per l elevata conducibilità termica e la facilità di fessurazioni. In un forno ad induzione si realizza un apprezzabile uniformità termica (il calore viene generato per induzione in tutta la massa). Inoltre le forze elettromagnetiche che si generano facilitano l azione di rimescolamento della massa fusa. Produzione di ghisa da fonderia ed acciaio GHISA GREGGIA d'altoforno AFFINAZIONE RIFUSIONE rottami di ghisa e acciaio fondenti e correttivi Disossidazione GHISA Degassificazione Ricarburazione Aggiunta di correttivi e ferroleghe ACCIAIO Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 5 di 9
AFFINAZIONE CONVERTITORE Bessemer Thomas L.D. FORNO Martin Siemens Elettrico Il processo L.D. ha avuto una rapida affermazione a scapito dei Martin-Siemens, Thomas e Bessemer, mentre il forno elettrico ha avuto sviluppo e rilancio soprattutto con i forni di grande potenzialità. Lo sviluppo seppur lento del forno elettrico è giustificato dai seguenti motivi: facilità di funzionamento (sia con carica solida sia con carica liquida); rendimento termico elevato; versatilità nella produzione di una vasta gamma di acciai; procedimento valido sia per le piccole sia per le grandi acciaierie; rapidità del processo. La trattazione storica dell argomento permette di focalizzare gli aspetti didattici dell affinazione della ghisa madre per la produzione dell acciaio. I più moderni processi inoltre sono derivati dall L.D. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 6 di 9
Bessemer volume 10-25 m³ capacità 15 30 t Fe + ½ O 2 = FeO 2FeO + Si = 2Fe + SiO 2 FeO + Mn = Fe + MnO.. FeO + C = Fe + CO Possono essere affinate ghise ad alto tenore di silicio e a bassissimo tenore di fosforo 2P + 5/2 O 2 = P 2 O 5 P 2 O 5 + 5 Fe = 2P + 5 FeO Il fosforo ritorna nella ghisa: per evitare ciò l anidride fosforica dovrebbe essere fissata nella scoria con l ossido di calcio (CaO) secondo la reazione P 2 O 5 + 3 CaO = (CaO) 3 P 2 O 5 ciò non è possibile poiché la calce CaO reagirebbe con le pareti del convertitore rivestite con REFRATTARIO ACIDO. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 7 di 9
Thomas REFRATTARIO BASICO volume 40-150 m³ capacità 20 60 t 2FeO + Si = 2Fe + SiO2 FeO + Mn = Fe + MnO 2P + 5FeO = 5Fe + P2O5. FeO + C = Fe + CO Processo ad ossigeno L.D. volume 80-315 m³ capacità 100 350 t I primi impianti di produzione dell acciaio con convertitori ad ossigeno soffiato dall alto furono installati in due città austriache (Linz nel 1952 e Donawitz nel 1953). La carica, l eliminazione della scoria, e l introduzione della lancia per il soffiaggio dell ossigeno si effettuano dalla bocca del convertitore. La colata dell acciaio avviene da un apertura sulla parete laterale. La struttura portante esterna è in lamiera d acciaio, mentre internamente il convertitore è rivestito di refrattario basico. Carica: - ghisa liquida - rottami - minerale - calce o calcare (per formare la scoria) - spatofluore (CaF 2 per accelerare la dissoluzione della calce ed ottenere una scoria molto fluida) Dopo la carica il convertitore viene raddrizzato e viene introdotta la lancia per il soffiaggio dell'ossigeno. Quando la lancia raggiunge una distanza di circa 1200 mm dal pelo libero della ghisa liquida, inizia il soffiaggio; il getto di ossigeno alla pressione di 0,8-1,5 M Pa (8 15 bar ) impatta con elevata energia contro la superficie liquida e genera una specie di cratere. La lancia viene allora abbassata fino ad una distanza di 700 mm; la elevata intensità di soffia ggio provoca una forte penetrazione di ossigeno nel bagno metallico con vigoroso rimescolamento del metallo, che favorisce l'ossidazione del ferro. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 8 di 9
L ossigeno soffiato ha una notevole purezza (almeno al 99,5%) per evitare che l azoto presente passi in soluzione. Nella zona di contatto fra metallo ed ossigeno si raggiungono temperature di 2500 2800 C; il notevole salto termico fra tale zona ed il bagno metallico provoca anch'esso un rimescolamento della massa fusa per convezione. Le reazioni di affinazione hanno inizio con la formazione di una certa quantità di ossido di ferro. Sulla bocca del convertitore viene posta una condotta per la captazione dei fumi prodotti (il gas di convertitore depurato dalle polveri, viene utilizzato in parte per il preriscaldo del rottame e del minerale della carica ed in parte nella centrale termoelettrica`dell'acciaieria; le polveri di recupero vengono inviate all'agglomerazione). Le reazioni proseguono: l ossido di ferro reagisce rapidamente con la calce per formare una scoria ad elevato indice di basicità. Già dopo pochi minuti si è formata quindi una notevole quantità di scoria e pertanto le successive reazioni di affinazione non procedono per ossidazione diretta da parte dell'ossigeno soffiato, ma attraverso l'ossigeno disciolto nella scoria. La rapida formazione di una scoria ad alto indice di basicità consente di avere la defosforazione fin dai primi stadi del processo (l acciaio ottenuto è a basso tenore di fosforo) e pertanto essa procede parallelamente con la decarburazione. Gli elementi con maggiore affinità per l'ossigeno, quali il silicio, il fosforo e il manganese vengono eliminati passando nella scoria, seppur con differenti gradi di efficacia delle reazioni. Lo zolfo introdotto nella carica non può essere completamente eliminato. Solo in parte reagisce con il manganese ed il calcio, (data l alta concentrazione di CaO e di MnO nella scoria). La definitiva desolforazione viene effettuata in siviera per reazione con ferroleghe o altre aggiunte. Invece anche la maggior parte del carbonio viene eliminato con la reazione: C + FeO = CO + Fe. Verso la fine dell'operazione di conversione viene effettuato il prelievo di un campione di acciaio liquido per una rapida analisi. In base ad essa viene calcolata la quantità di fer roleghe da aggiungere per la disossidazione e l'ottenimento della composizione finale dell'acciaio corrispondente alla specifica. Tali aggiunte vengono in genere effettuate, dopo la colata, direttamente in siviera. Il soffiaggio viene interrotto quando si raggiunge il livello desiderato di carbonio e la lancia viene estratta. Il convertitore viene inclinato e dalla bocca viene evacuata la scoria; dopo questa operazione il convertitore è dapprima raddrizzato e successivamente inclinato dalla parte opposta, e dall'apposita apertura viene spillato l'acciaio che viene versato nella siviera. Il complesso delle operazioni richiede da 30 a 60 minuti. Tecnologia Meccanica ed Esercitazioni Forni - Convertitori Pagina 9 di 9