Appunti di Siderurgia L, Altoforno e il Potenziale chimico di ossigeno nel gas d altoforno

Altoforno: zone, reazioni e consumo di coke

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 CO 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 CO).

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

Struttura di un moderno altoforno

Un moderno altoforno presenta:

Bocca

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 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

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

VENTRE = tratto orizzontale di cambio di conicità e ha massimo diametro dell’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

SACCA = rastematura con diametro decrescente, riduco sezione perché materiale fonde, non si espande più e questa è la zona in cui spendo più calore per tenere alta la temperatura, quindi riduco sezione per non disperdere il calore all’interno dell’AFO, prodotto.

Crogiuolo

CROGIUOLO = costituito suola da una parte superiore dove ho anelli/fori che introducono tubiere per aria e una inferiore in cui viene spillata ghisa e scoria con ugelli.

Sfruttando questa divisione per facilità è possibile dividere in zone le reazioni che 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 energia termica per poter ridurre e fondere il materiale)

Zone dell’altoforno e reazioni

Zona I

ZONA I = avviene essiccamento e preriscaldamento della carica; viene estratta (BOCCA) l’umidità e l’acqua all’interno della carica per evitare la generazione esplosioni dovuti al cracking dell’acqua per shock termico.

Zona II

ZONA II = zona di riduzione indiretta (2CO = CO + C) perché operata da (TINO superiore) monossido di carbonio CO a T basse. Questa zona è quella che si tende a favorire perché è una reazione esotermica la riduzione indiretta perché mi permette di risparmiare il consumo di coke.

Per aumentare questo effetto viene introdotto nell’altoforno il calcare perché esso con calcinazione assorbe parte della temperatura, mantenendola a T basse (quindi funzione di stabilizzazione T per mantenere la zona di riduzione indiretta) e inoltre genera CO2.

Zona III

ZONA III = miro a restringere questa zona perché ho T alta in cui (TINO inferiore + VENTRE) è stabile la CO e ho riduzione diretta che è operata da C fittiziamente ed è zona svantaggiosa economicamente perché richiede un consumo elevatissimo di coke per mantenere alta la T anche perché essa anche è una reazione endotermica.

Zona IV

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 O subito appena esce aria poi 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 CO + C = CO allora essa tiene sotto controllo la temperatura).

Zona V

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.

Riduzione diretta e indiretta

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 troppo alta dando vita a stabilità di CO e quindi di reazione diretta svantaggiosa, e quindi estendendo zona indiretta.

Però devo ricordare che nella reazione indiretta ho lo svantaggio di essere più vicino alla linea di equilibrio e quindi serve comunque lavorare con un eccesso di CO e quindi devo bruciare un po’ più di carbon coke rispetto al necessario.

Ho bisogno di sbilanciare l’atmosfera con CO in più del necessario se no rischio di raggiungere equilibrio e sistema si ferma (tanto riduco, tanto riossido anzi rischio di non riuscire più a produrre agente riducente e quindi di riossidare tutto perché CO agirebbe da agente ossidante).

Svantaggio è che calore generato da extra combustione per avere eccesso di CO, è parte di energia che sto buttando, che non uso per fare reazione di combustione.

• Riduzione diretta è vantaggiosa per la riduzione ma dispendiosa in termini energetici
• Serve extra CO per innalzare la temperatura (consumo di coke)
• CO non reagisce e viene scaricato alla bocca
• Riduzione indiretta termodinamicamente vantaggiosa
• Serve extra CO per spostare l’equilibrio (consumo di coke)
• Calore generato non necessario

Consumo di coke e condizioni ideali

Il coke è la fonte di calore e di gas riducente. Per coprire la domanda di calore per la riduzione diretta, una quantità extra di carbonio dovrà essere bruciata agli ugelli che produrranno una quantità extra di CO che passerà inutilizzata nel top gas.

D'altra parte, per produrre il gas riducente per la riduzione indiretta, una quantità extra di carbonio dovrà essere bruciata generando un extra calore. Pertanto un equilibrio ottimale tra il calore ed i requisiti di riduzione o, in altre parole, tra la riduzione diretta e indiretta dovrebbe essere mantenuto per garantire un minimo 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), 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 q a r ed = 0. In questo caso, il minimo consumo di carbonio corrisponde a q perché q < q. Punto q 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 q 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 = 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 Q2aq1 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").

Questo schema mi rappresenta linee di consumo di carbone per produrre le reazioni necessarie per far raggiungere le T tali per far avvenire la reazione. Idealmente se io riuscissi a fare un altoforno solo in riduzione indiretta il minimo consumo di calore sarebbe rappresentato dal punto q, in cui ho tasso di riduzione diretta pari a 0, per cui ho bisogno di avere T più basse per far avvenire reazione e cioè devo solo fornire CO necessario per reazione e no apportare calore per fare reazione.

Le linee indicate con r sono le linee di consumo del coke come agente riducente, cioè non posso scorporare effetto di produrre calore e produrre agente riducente. Di conseguenza in AFO ideale ho che il punto q, in cui ho minimo consumo di coke come agente riducente nel caso sempre tasso di riduzione diretta è 0.

Se volessi ancora scendere con il consumo di carbone potrei arrivare il punto in cui consumo minimo di coke è punto b, che però è punto al di sotto in cui non posso più far avvenire la reazione, cioè è assurdo termodinamico, non avviene.

Quindi capisco che la zona di funzionamento sta sopra la spezzata q -a-Q2, dove ho che a seconda del tasso di riduzione diretta, cioè di quanto sto allargando o diminuendo zona di riduzione diretta, devo muovermi con un certo consumo di carbone che quello nel punto a (minimo consumo di coke che posso avere nell'AFO in cui devo avere una minima percentuale di riduzione diretta).

Nei convertitori moderni al posto di carbon coke, metto anche combustibili immessi da tubiere insieme a aria, soprattutto quelli che hanno all'interno H che è agente riducente più forte di C, e si cerca di agevolare riduzione sfruttando una combinazione di miscela coke-combustibile.

In questo caso allora ho che posso diminuire utilizzo di coke e mi sposto da punto a al punto b, e riduzione il tasso di riduzione diretta ottimale.

Ulteriori caratteristiche delle zone

Zona 1

Zona 1 = Gas di scarico escono a T 150-200°C (controllarli è molto utile perché mi permettono di capire se ho diffuso bene il calore alla carica e quindi se ho buon funzionamento). Dipende la T da come faccio avvenire la fusione e dal tipo e modo dì intervallare gli starti.

Zona II

Zona II = si ha dissociazione del monossido di carbonio che sale da parte bassa del forno e sì C piroforico che si deposita sulla carica e fa sì che ottimizza la carburazione della carica stessa.

Perché qui in CO non è stabile si scinde e ho carbonio purvirulento che si attacca al materiale, innalzando la sua reattività e fondibilità e penetrazione di combustibile.

Anche con poche tracce di CO ho che l'unica che può ridursi è Fe O perché ho che si riduce perché sposta tutto equilibrio a destra, è subito favorita e sì riduce completamente, per questo appena la immetto dentro riesco a ridurla tutta a Fe O.

Le altra reazioni dato Manganese, calce e carbonio fa sì che manganese ritorni nel bagno, ma riporta in bagno un po’ di ossigeno. Questa è un'affinazione e desolforazione primaria dell'ossidazione del minerale