Capitolo 4 La scoria del forno elettrico ad arco

185 Pages·2012·13.75 MB·Italian

POLITECNICO DI MILANO

Facoltà di Ingegneria Industriale e dell’Informazione

Corso di Laurea in
Ingegneria Meccanica

Efficientamento del forno elettrico ad arco

Relatore: Prof. Gianfranco TOSI

Co-relatore: Ing. Maurizio FUSATO

Tesi di Laurea di:

Alberto NICOLETTI Matr. 750255

Anno Accademico 2014 – 2015
Ringraziamenti

Ringrazio i professori del Politecnico di Milano e i dipendenti delle aziende
Feralpi Siderurgica S.p.A., Unicalce S.p.A. ed Euromec s.r.l. che hanno
contribuito alla realizzazione della mia tesi con disponibilità e professionalità.
A mia madre
Indice Generale

Introduzione

1 Il forno elettrico ad arco ......................................................................... 1
1.1 Caratteristiche generali del forno elettrico ad arco ....................... 2
1.1.1 Elementi raffreddati ad acqua ......................................... 3
1.1.1.1 Pannelli del tino raffreddati ad acqua ................. 4
1.1.1.2 Volta del forno raffreddata ad acqua .................. 5
1.1.1.3 Bruciatori combinati con lance a ossigeno: KT
Injection System® di Tenova ............................... 6
1.1.1.4 Danneggiamento dei pannelli e degli RCB ........ 7
1.1.2 Suola del forno ................................................................ 8
1.1.2.1 Rivestimento refrattario del forno .................... 10
1.1.3 Installazione del forno .................................................. 13
1.2 Caricamento del forno ................................................................ 14
1.3 Dati di targa EAF, tecnologie ausiliarie, tempi e consumi ........ 17
1.4 Fornitura di energia elettrica e trasformatore del forno ............. 20
1.4.1 Legge di conservazione dell’energia ............................ 21
1.4.2 Regolazione digitale degli elettrodi: Tenova TDRH® .. 23
1.5 Caratteristiche peculiari del forno .............................................. 24
1.5.1 Goodfellow EFSOP® e le perdite d’acqua nel forno .... 24
1.5.2 Riempimento automatico dell’EBT .............................. 26

2 Il contesto impiantistico di riferimento .................................... .......... 27
2.1 Aumento di produttività conseguito con il nuovo forno e
potenzialità dell’impianto ferroleghe .......................................... 27
2.1.1 Impianto ferroleghe dell’acciaieria Feralpi Siderurgica 28
2.2 Consumo di calce viva in acciaieria nel triennio 2011-2013 ...... 30
2.3 Sistema di insufflazione calce .................................................... 31
2.3.1 Benefici derivanti dall’insufflazione della calce ........... 32

3 Il rottame ferroso e le analisi delle scorie ........................................... 35
3.1 Parco rottami .............................................................................. 35
3.1.1 Breve approfondimento sui rottami ferrosi ..................... 38
3.1.2 Processo di comminuzione per l’ottenimento del proler 40
3.2 Bilancio di massa per valutare la composizione del rottame
a partire dalle analisi della scoria nera ...................................... 42

VI
4 La scoria del forno elettrico ad arco .................................................. 45
4.1 Funzioni della scoria .................................................................. 45
4.2 Caratteristiche chimiche della scoria ......................................... 47
4.2.1 Costituenti delle scorie e depolimerizzazione dei
silicati ........................................................................... 48
4.2.2 Diversi tipi di silicati di calcio presenti nella scoria ..... 50
4.3 Decomposizione della calce calcica nella scoria ossidata ............. 51
4.4 Basicità della scoria: metodi per la sua valutazione .................. 56
4.4.1 Desolforazione e defosforazione dell’acciaio liquido .. 57
4.4.2 Determinazione degli elementi costitutivi della scoria 59
4.5 Diagramma ternario o triangolo di Barkhuis Roozeboom ......... 60
4.5.1 Utilizzo dei diagrammi ternari per determinare i
livelli di saturazione dell’ossido di magnesio
nella scoria .................................................................... 63
4.6 Metodo e impianto per il trattamento di scorie metallurgiche:
brevetto N° 0001401859 ............................................................ 65
4.7 Pratica della scoria schiumosa ................................................... 67
4.7.1 Vantaggi derivanti dallo schiumeggiamento della scoria 68
4.7.2 Come valutare l’efficacia dello schiumeggiamento ...... 69

5 Compendio sulla calce viva ................................................................. 75
5.1 Cenni storici e qualche curiosità ................................................ 75
5.2 Unicalce S.p.A. e i settori di utilizzo della calce ........................ 77
5.3 Introduzione alla calce viva ........................................................ 78
5.3.1 Rocce calcaree e costituenti mineralogici ..................... 80
5.3.1.1 Calcite ............................................................... 81
5.3.1.2 Dolomia ............................................................ 81
5.3.1.3 Dolomite ........................................................... 82
5.3.2 Cenni sull’attività estrattiva: la cava di Sedrina (BG) .. 82
5.4 Cottura dei calcari nei forni a tino verticali ............................... 84
5.4.1 Grado di cottura della calce .......................................... 88
5.5 Determinazione della reattività della calce aerea per uso
chimico mediante spegnimento in acqua secondo la
normativa UNI 10321 del 1994 ................................................. 91
5.5.1 Curva di spegnimento: i punti caratteristici .................. 91
5.5.2 Procedimenti operativi per lo svolgimento della prova
di reattività in acqua ...................................................... 92
5.5.3 Effetto di diverse grandezze d’influsso sul
comportamento di spegnimento della calce viva .......... 94

VII
6 Applicazioni nel processo produttivo finalizzate all’efficientamento
del forno elettrico ad arco ................................................................... 95
6.1 Calce viva ad uso siderurgico con diverso grado di cottura
e pezzatura .................................................................................. 95
6.1.1 Calcinazione dei calcari e generazione di polveri ......... 96
6.2 Calce viva 18 mesh di produzione Unicalce S.p.A. ................... 97
6.3 Descrizione generale e caratteristiche tecniche del
sistema di insufflaggio ................................................................ 99
6.4 Trasporto pneumatico e caratteristiche principali dell’aria ...... 102
6.4.1 Differenti metodi di trasporto pneumatico .................. 104
6.4.1.1 Fase densa ................................................... 104
6.4.1.2 Fase diluita .................................................. 105
6.4.1.3 Fase densa pulsata ...................................... 105
6.4.1.4 Fase fluidificata .......................................... 109
6.5 Trasporto pneumatico della calce mulinata: teoria di processo
e cenni di progettazione ........................................................... 106
6.6 Proprietà delle polveri .............................................................. 108
6.6.1 Area superficiale specifica ricavata in base alla teoria
di Brunauer, Emmett, e Teller (BET) ......................... 109
6.6.2 Scorrevolezza di una polvere ...................................... 113
6.6.3 Forma delle particelle di polvere ................................ 116
6.7 Benefici e risultati ottenibili con l’insufflazione della calce .... 117
6.8 Chiusura della porta di scorifica del forno ............................... 119
6.8.1 Limitazione delle tirate di aria falsa all’interno del
tino tramite chiusura aerodinamica della porta
di scorifica ................................................................... 122
6.8.2 Emissioni gassose del forno ad arco ........................... 124

7 Il protocollo di Kyoto e la salvaguardia dell’ambiente .................... 127
7.1 Protocollo di Kyoto: cosa non ha funzionato ........................... 127
7.1.1 Anidride carbonica ed effetto serra ............................ 129
7.2 Sistema per lo scambio di quote di emissioni dei gas a effetto
serra (ETS) e Sistema comunitario di ecogestione e audit
(EMAS) ..................................................................................... 130
7.3 Calcolo delle emissioni di CO nella produzione di calce viva 131
2
7.4 Emissione di CO relativa al trasporto su strada ...................... 135
2
7.4.1 Confronto delle quantità di sostanze inquinanti
emesse per autoarticolati appartenenti a diverse
categorie di emissione inquinante .............................. 137
7.5 Aspetti critici nel riciclo dell’acciaio ....................................... 140

8 Conclusioni e sviluppi futuri ........................................................... 143
VIII
Bibliografia ..................................................................................................... 148

Allegati
A.1 Disegno d’assieme del forno ................................................................. 161
A.2 Disegno dell’involucro inferiore del forno ............................................ 162
A.3 Disegno della disposizione di bruciatori e lance sul forno .................... 163
A.4 Refrattari impiegati per il forno elettrico ad arco .................................. 164
A.5 Scheda tecnica mattone di magnesite cotta, Tecnosider refrattari s.r.l. 165
A.6 Scheda tecnica mattoni per taglio scoria forno e siviere, RHI ............... 166
A.7 Scheda tecnica massa magnesiaca per suola EAF, Tecnosider s.r.l. ..... 167
A.8 Disegno della cesta di carica rottame della capienza di 90 m3 ............... 168
A.9 Riepilogo di produzione per gli anni dal 2008 al 2014 ......................... 169
A.10 Schema dell’impianto ferroleghe .......................................................... 205
A.11 Analisi scoria ......................................................................................... 206
A.12 Scheda prodotto: vergella nervata (cod. 36C3) e tondo in barre per
calcestruzzo armato laminato a caldo con processo Tempcore (B450C,
BST500/S, GR 460 B) ........................................................................... 215
A.13 Esempio di analisi rottami: la tornitura ................................................. 220
A.14 Rapporti di prova rilasciati da AQM s.r.l. sul rottame ferroso .............. 221
A.15 Scheda tecnica antracite 0,5-1,7 mm – CARBOFER TECNOLOGIE
S.p.A. .................................................................................................... 224
A.16 Scheda di sicurezza carbone di carica – SIAP ....................................... 225
A.17 Rapporto di prova N° 140647 coke metallurgico – CARGO
INSPECTIONS s.r.l. .............................................................................. 226
A.18 Scheda tecnica e di sicurezza disossidante in nocelle – MINERAL &
METALS ITALIA S.p.A. ....................................................................... 228
A.19 Analisi chimica campione di calce viva dolomitica GRIGOLIN .......... 230
A.20 Analisi chimica calce viva 18/40 mm GRIGOLIN ................................ 232
A.21 Analisi chimico-fisica calce viva 8-20 mm rilasciata da Fassa Bortolo 233
A.22 Dichiarazione di prestazione calce viva – Fassa Bortolo S.p.A. ........... 234
A.23 Analisi chimica campione di calce viva calcica .................................... 235
A.24 Analisi chimica campione di calce viva calcica 18 mesh UNICALCE 236
A.25 Scheda tecnica calce viva in zolle 25/40 UNICALCE .......................... 238
A.26 Scheda tecnica dolomite calcinata in zolle 20/45 UNICALCE ............ 239
A.27 Scheda tecnica calce viva mulinata 18 mesh UNICALCE ................... 240
A.28 Polveri da impianto a maniche - Rapporto di prova n° 2074815-001 del
09/08/07 e n° 009798 /13 del 13/05/2013 ............................................. 241
A.29 Bilancio di massa: valutazione indiretta del rottame basata
sull’analisi scoria ................................................................................... 248
A.30 Campi di applicazione della calce ......................................................... 259
A.31 Curve di reattività .................................................................................. 260
A.32 Scheda tecnica pannelli isolanti in lana di roccia .................................. 277
IX
A.33 Studio inserimento cunicoli per impianto calce .................................... 278
A.34 Capitolato impianto stoccaggio e insufflazione calce ........................... 279
A.35 Riepilogo produzione: colate da 7292 a 7306 del 24/10/14 .................. 289
A.36 Prime analisi al fuori forno: colate da 7292 a 7306 del 24/10/14 .......... 294
A.37 Bilancio di massa .................................................................................. 305

X
Elenco delle Figure

1.1 Full Platform Tagliaferri (FTP) di TENOVA installato presso la Feralpi
Siderurgica S.p.A. di Lonato del Garda (BS) nel 2011 ............................ 1
1.2 Esempio di forno elettrico ad arco con foro eccentrico di spillaggio ....... 2
1.3 Sezione longitudinale di un forno elettrico ad arco con foro eccentrico
di spillaggio .............................................................................................. 2
1.4 Assiemaggio del forno completo di piattaforma portante, castello
girevole dei bracci reggi volta, tino, suola e volta raffreddata presso
officina CO.ME.CA S.p.A. ..................................................................... 4
1.5 L’interno di un forno elettrico ad arco: i pannelli raffreddati ad acqua del
tino, della volta e del gomito del quarto foro ........................................... 5
1.6 Volta del forno composta da tre settori metallici raffreddati ad acqua e
delta in refrattario. Uno strato di malta refrattaria protegge esternamente
la volta ..................................................................................................... 6
1.7 La disposizione delle lance nel forno. Gli RCB possono lavorare come
bruciatori con metano e ossigeno (KT1, KT2 e KT3) oppure come
lance supersoniche con getto d’ossigeno coerente (KT4) ....................... 7
1.8 Disegno del fondo del forno con la disposizione dei setti porosi e del
foro di colata (EBT) rispetto al cerchio elettrodi ..................................... 8
1.9 Simulazione fluidodinamica utilizzata per sviluppare geometrie
migliorative del foro di spillaggio ........................................................... 9
1.10 La realizzazione dello strato di usura del manto refrattario del forno: in
primo piano si vedono i mattoni in magnesite fusa destinati alla soglia
della porta di scorifica (lunghezza 70 cm). Le sottomurazioni del forno,
disposte lungo la circonferenza della suola, sono spesse 35 cm: la
differente qualità dei refrattari è riconoscibile dai numeri scritti sulla
testa dei mattoni con differenti colori (blu, giallo, etc.) ........................ 12
1.11 Esempi di installazione del forno: a) a mezzanino; b) in fossa ............. 13
1.12 Vista d’assieme del forno. La freccia rossa indica il piano di lavoro
dell’acciaieria ........................................................................................ 14
1.13 Il caricamento del forno con cesta a conchiglia .................................... 15
1.14 Confezionamento della prima cesta di carica. Dal fondo verso
l’alto: cesoiato fine, calce calcica e dolomitica in zolle con antracite in
nocelle, tornitura, rottame cesoiato e proler .......................................... 16
1.15 L’interno di un EAF visto dalla porta di scorifica. La fusione del rottame
è conseguita con grandi quantità di corrente elettrica, ossigeno e
metano .................................................................................................... 21
XI