Appunti di Siderurgia: l'altoforno e il Potenziale chimico di ossigeno nel gas d'altoforno

Per semplicità però si usa la divisione in zone orizzontali a striscia tralasciando questo l’altoforno particolare.

L’altoforno è un tipo di forno soffiato a tino in cui tipicamente la carica (minerale che è la materia prima che sfruttano la temperatura come variabile per agevolare la riduzione) è aggiunta insieme al carbone fondente necessario per la combustione e per le reazioni di riduzione.

Dalla stessa bocca di caricamento escono dei gas di scarico prodotti dalla combustione dell’aria, iniettata in pressione nel ventre con tubiere, e del combustibile si innesca la reazione di ossidazione del carbone stesso, che ossidato a CO o CO₂ a seconda della T che ci troviamo (so che è sempre CO a ridurre ma a seconda della T ho che gli equilibri di tra prodotto di combustione può essere CO e CO₂).

Nella parte bassa di AFO ho le temperature più elevate perché lì ho la combustione esotermica di C e O₂ a formare CO₂ in cui si innesca combustione, man mano che il gas prodotto risale lungo il AFO i gas combustione cedono calore alla carica, riscaldandola ed effettuando l’operazione di riduzione, cioè staccano l’ossigeno dagli ossidi, formando CO da CO₂ e poi scaricano i gas alla bocca.

Un moderno altoforno presenta

Bocca

Che è un breve tratto cilindrico da cui si opera l’introduzione della carica ed è rivestita da refrattario come tutto altoforno e sopra vi è uno strato di piastre di acciaio (che non fonde perché sono a T basse 200-400°C) che serve da

Dividiamo in zone nette e individuo reazioni in queste zone:

Protezione al refrattario quando immetto la carica solida che fa attrito con parete della bocca, sfregandola. Da essa viene scaricato il gas di scarico, che viene assorbito da un tubo che li porta a depurazione prima di essere scaricati in aria.

Tino conico

Rastrellatura di D piccolo a D grande. Questo per evitare usura del refrattario dell’AFO e per assecondare la dilatazione della carica all’aumentare della T che subisce durante la discesa. Anche per questo si fa uno studio progettato degli strati di carica dell’afo in modo tale da non rischiare di avere materiale che non è ridotto perché non ho abbastanza di energia termica per farlo.

Ventre

Tratto orizzontale di cambio di conicità e ha massimo diametro del AFO perché qui ho massima espansione della carica. Dopo questa zona la carica inizia la fusione quindi di volume e lo spazio occupato e quindi il diametro dell’altoforno torna a diminuire.

Sacca

Rastremazione con diametro decrescente, riduco sezione perché materiale

Zona I

Avviene essiccamento e preriscaldamento della carica; viene estratta (BOCCA) fonde, non si espande più e questa è la zona in cui spendo più calore per l’umidità e l’acqua all’interno della carica per evitare la generazione esplosioni tenere alta la temperatura, quindi riduco sezione per non disperdere il calore all’interno dell’AFO, dovuti al cracking dell’acqua per shock termico.

Prodotto.

Zona II

Zona di riduzione indiretta (2CO = CO₂ + C) perché operata da (TINO superiore) 2CROGIUOLO = costituito suola da una parte superiore dove ho anelli/fori che monossido di carbonio CO a T basse. Questa zona è quella che si tende a favorire introducono tubiere per aria e una inferiore in cui viene spillata ghisa e scoria perché è una reazione esotermica la riduzione indiretta perché mi permette di con ugelli.

Risparmiare il consumo di coke. Per aumentare questo effetto viene introdotto nell’altoforno il calcare perché esso con calcinazione assorbe parte della temperatura,

Sfruttando questa divisione per facilità è possibile dividere in zone le reazioni che mantenendola a T basse (quindi funzione di stabilizzazione T per mantenere la zona di avvengono all’interno dell’AFO per certi intervalli di T.

(Gradiente T tra parete e centro.. quindi ho che faccio carica diversa in granulometria tra pareti e interno per far sì che alla parete ho fini perché se non avrei abbastanza

Zona III

Miro a restringere questa zona perché ho T alta in cui (TINO inferiore + VENTRE) energia termica per poter ridurre e fondere il materiale) è stabile la CO e ho riduzione diretta che è operata da C fittiziamente ed è zona carbonio dovrà essere bruciata generando un extra calore. Pertanto un equilibrio ottimale tra il calore ed i requisiti svantaggiosa economicamente perché richiede un consumo elevatissimo di coke per di riduzione o, in altre parole, tra la riduzione diretta e indiretta dovrebbe essere mantenuto per garantire un minimo mantenere alta la T anche perché essa anche è una reazione endotermica.

Consumo di coke.

Le linee Q rappresentano II consumo di carbone come fonte di calore e le linee R come agente riducente. Minore il tasso di riduzione diretta (r_d), minore carbonio come fonte di calore è richiesto (Q) ma maggiore quantità di carbonio è necessario come agente riducente. Il minor tasso di carbonio come agente di riduzione per una domanda di agente riducente R corrisponde al punto q₁ a r_d = 0. In questo caso, il minimo consumo di carbonio corrisponde a q₁ perché q₁ < q. Punto q₁ corrisponde all”altoforno ideale" (Emmanue, Lurlis Gruner). Quando le condizioni cambiano a causa di una migliore preparazione del minerale e diminuzione del volume delle scorie o a causa dell'aumento della temperatura, la domanda di calore si sposta dalla linea Q a Q₁. Il minimo consumo di carbonio in questo caso rimane q₁ ma ora non c'è più differenza tra i requisiti termici e di riduzione. Con un'ulteriore diminuzione della domanda di calore (Q₂), "operazione altoforno ideale" per r_d = 0 (q₃) non è termodinamicamente possibile perché il gas riducente generato non copre a pieno la domanda per la riduzione indiretta (q₁). L'area sopra la linea Q₂ aq₁ permette la riduzione. In questo caso il consumo di carbonio minimo (Cmin) sarà raggiunto per una certa estensione di riduzione diretta (punto a). Quando le condizioni in afo cambiano a causa di un'iniezione di agente riducente ausiliario (sostanze contenenti H), la domanda di agente riducente si sposta da R a R₁. Ora la zona reale di riduzione è sopra la linea Q₂bq₂ ed il tasso minimo di carbonio sarà raggiunto per una diminuzione del tasso ottimali di diretta riduzione (da "a" a "b").

Zona IV

In cui avviene la fusione del metallo e formazione della (SACCA) scoria/loppa. Avviene la carburazione, il passaggio di elementi in scoria e elementi che passano invece nel bagno una volta ridotti (Mg, Si, S, P). Loppa formata da composti di allumina calce ecc… che formando composti alto fondenti non vengono ridotti. In questa zona non devo superare la T di 1300°C (questa max T a altezza delle tubiere perché CO che si forma subito per reazione di C con O₂ subito appena esce aria poi carbonio in questo caso rimane q₁ ma ora non c'è più differenza tra i requisiti termici e di riduzione. Con un'ulteriore diminuzione della domanda di calore (Q₂), "operazione altoforno ideale" per r_d = 0 (q₃) non è termodinamicamente possibile perché il gas riducente generato non copre a pieno la domanda per la riduzione indiretta (q₁). L'area sopra la linea Q₂ aq₁ permette la riduzione. In questo caso il consumo di carbonio minimo (Cmin) sarà raggiunto per una certa estensione di riduzione diretta (punto a). Quando le condizioni in afo cambiano a causa di un'iniezione di agente riducente ausiliario (sostanze contenenti H), la domanda di agente riducente si sposta da R a R₁. Ora la zona reale di riduzione è sopra la linea Q₂bq₂ ed il tasso minimo di carbonio sarà raggiunto per una diminuzione del tasso ottimali di diretta riduzione (da "a" a "b").

Viene immediatamente a reagire con C carbon coke a formare CO perché ho che a T alte la CO non è stabile. Essendo un po’ endotermica la reazione di CO₂ + C = CO allora essa tiene sotto controllo la temperatura).

Zona V

Ho che la T raggiunge 1500-1600°C e il calore qui di irraggia (CROGIUOLO) sotto e ho che sia bagno che schiuma si sono allo stato liquido e sfruttando il fatto che la scoria è più leggera si dividono strati e pronto per spillaggio.

Nella reazione diretta ho che consumo coke eccessivo per questo non è economicamente vantaggioso, perché per attivare questo tipo di reazione io devo mantenere il sistema a T elevate, perché devo mantenere stabile la CO, se no se T si abbassa ho che diventa stabile la reazione indiretta cioè il CO₂. Devo quindi mirare a mantenere il sistema surriscaldato. Anche perché se vado a fare il bilancio delle tre reazioni, ottengo una reazione endotermica, quindi richiede fornire più coke per mantenere T alta e restituire calore assorbito.

Il CO, prodotto da reazione diretta, che non reagisce viene scaricato nella bocca viene disperso in ambiente. Anche per questo voglio ridurre reazione diretta.

Reazione indiretta se vado a vedere il bilancio delle varie reazioni che avvengono ho che è reazione esotermica e quindi riduzione mi richiede meno spreco da coke.

Introduco qui il calcare per assorbire calore, evitare che T diventi tr