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-diminuzione del consumo di coke, perché sto immettendo un materiale che è già

preridotto, che quindi non ha bisogno di avere reazioni di riduzione, ha bisogno solo di

carburarsi disciogliendosi nel carbone.

10% di DRI, mi permette di ridurre del 7% di coke e in più ho una maggiore rendita,

perché aumenta del 8% la produzione di Fe; inoltre ho che riduco aggravio di

produzione su cokeria e infine mi assicura una diminuzione di gas CO2 emessa

nell’ambiente (riduzione del 14%).

Spillaggio = attraverso un foro applicato su fondo dell’’AFO, che sono fori chiusi con

materiale refrattario con sistemi automatici e quando bisogna colare, si trapana il buco

e si fa fuoriuscire il fuso.

Vento caldo = ho anello refrattariato all’interno con rivestimento di Cu per raffreddarli

ad acqua esternamente. Vento qui passa a T di 1100-1300°C che viene riscaldato

attraverso degli scambiatori, refrattariati, che sono colonne in cui gas di altoforno

vengono fatti passare in controvento per scaldare refrattario e per scaldare tubo che

porta aria alle tubiere. Vento calo favorisce reazione diretta e accensione del coke. L'ossigeno dell'aria determina in un primo tempo la combustione dei coke a CO La violenta

2

Top gas = gas alla bocca ha la seguente composizione 20%CO, 20%CO2,. 6% H2, reazione di combustione porta alla massima temperatura riscontrabile nell'altoforno (dell'ordine

54% N2 ed è essenziale per capire se la combustione è stata buona o meno. dei 2000°C) a causa dei forte eccesso di ossigeno associata alla pratica scomparsa

dell'ossigeno già verso una profondità dì penetrazione dì 70-80 cm. Ma immediatamente la CO 2

reagisce con altro coke, attenuando l'innalzamento della temperatura e portando alla sua

scomparsa entro una profondità dì penetrazione del getto di poco più di un metro.

Seguendo una particella di aria immessa nell’altoforno per mezzo delle tubiere,

seguiva le sue trasformazioni dal momento in cui la particella era all’entrata

dell’altoforno (ugelli), fino a quando usciva attraverso la bocca.

All’inizio quando l’aria è immessa nel AFO ho che l’atm agli ugelli cambia

velocemente, rispetto al punto di iniezione di O .

2

Perdita di pressione del gas iniettato dalle tubiere perché non appena entra

nell’altoforno incontra subito barriera di coke e carica semifusa che diminuiscono la

pressione di risalita del gas. una vota superata la zona coesiva, si può considerare

che la pressione sia costante fino a quando arriva a bocca di scarico dove si crea

spontaneamente differenza di pressione tra bocca e esterno che aspiri il gas.

Potenziale di ossigeno nei gas di AFO La linea tratteggiata "a" "b" "c" rappresenta la "storia" di una piccola porzione di aria a partire dal suo

ingresso nell'altoforno fino all'uscita. punto rappresentativo iniziale del "vento caldo", all'orifizio di un ugello,

è nella posizione "a" (temperatura di circa 700°C, pressione parziale di ossigeno p =1/5 atm). Con la

02

combustione del coke la temperatura sale rapidamente ed lì potenziale di ossigeno diminuisce fino a che

punto rappresentativo, dopo un ampio percorso, giunge in prossimità della linea dell'equilibrio: 2C+O ,→2C0

2

(circa 2000°C) la piccola porzione dì atmosfera considerata viene alternativamente contatto con pezzi di

carbone (ed ogni volta che ciò avviene il punto rappresentativo si abbasserà perché si avrà una diminuzione

del potenziale di ossigeno) e con pezzi di minerale (che al loro contatto provocheranno un aumento del

potenziale di ossigeno), mentre la temperatura va progressivamente diminuendo man mano che il gas risale

verso la bocca dell'altoforno. E da notare la successione degli ossidi di ferro provenienti dalla riduzione del

minerale di partenza supposti presenti alle diverse temperature (ai diversi livelli dell'altoforno), In "b", si

suppone che le reazioni siano diventate talmente lente da non potere più modificare l'atmosfera gassosa e

viene indicato da "b" a "c" l'ultimo percorso del punto rappresentativo.

Si vede infatti che in circa 1 metro, il O si esaurisce, mentre il CO finisce in mezzo

2 2

metro; questo si esaurisce più velocemente perché li è stabile la CO e quindi una volta

formato CO , esso reagirà istantaneamente con coke, per formare appunto CO.

2

Se T massima può essere agli ugelli circa 2000°C per combustione di C+O =CO , la

2 2

massima T dopo gli ugelli è minore (circa 1600°C) proprio a fonte del fatto che avviene

istantaneamente la reazione CO +C=CO.

2

Da questa considerazione si ha:

a) punto di partenza, indica aria appena immessa nell’AFO, che quindi ha una

pressione parziale pari a p =0,21atm e quindi mettendo sul diagramma di

02 Un perfezionamento rispetto al precedente schema è costituito dalla definizione di tre linee punteggiate, delle quali

ellingham ho che traccio linea(che parte da punto O origine e inclinazione data da quella centrale corrisponde alla composizione media dei gas d'altoforno, le altre due rispettivamente ai limiti

scala esterna). superiori ed inferiori tra cui oscilla il rapporto pC0ipCO2. le curve sperimentali punteggiate, per temperature inferiori

ai 1000 °C scendono al di sotto della linea dell'equilibrio 2C+02=2C0 (per p =0,5 atm), in relazione al fatto che

non appena il ossigeno entra a contatto con il carbone, ho combustione a formare C0

verso la bocca dell'altoforno la reazione prevalente è l'ossidazione del CO a CO2 e questa reazione è proprio

CO2 e poi ho che intanto il potenziale di ossigeno diminuisce perché diminuisce la quella seguita dal potenziale di ossigeno del gas di altoforno. Le linee sperimentali non dipendono solo dagli ossidi

quantità di O2 disponibile che viene consumato. Intanto però T sta salendo per di ferro, ma risentono anche della presenza degli altri ossidi e carbonati: si giustifica l'innalzamento del potenziale

di ossigeno per temperature superiori ai 1400 'C, perché oltre tale temperatura sicuramente sono ridotti tutti gli

combustione e quindi la curva si sposta verso dx. ossidi di ferro; tale innalzamento può dunque essere dovuto solo alla presenza di altri ossidi contenuti nella carica,

quando arrivo a questo punto, cerchiato a minimo, ho raggiungo il minimo di O2 quali MnO, Si02 , ecc.

perché che raggiungo quasi la linea di stabilita della 2C +O2 = CO. Terzo approccio, più aderente alla realtà, come Richardson va a studiare una

molecola di ossigeno, non tutta aria, ma cmq alla sua vera pressione parziale

- Una volta formata la CO, essa entra in contatto con i minerali di ferro e attuando la nell’afo. Ha sempre punti a e b con oscillazioni, ma ho che quando arrivo al punto

riduzione, attuo a loro volta la CO2 che entra nuovamente in contatto con il carbon f, ho che si divide in diversi punti singoli la linea. Questo perché va a tenere conto

coke e ho nuovamente la formazione di CO. Per questo motivo il potenziale di

ossigeno oscilla tra la linea di stabilità della CO e quella di stabilità di FeO. Perché del fatto che all’interno della carica ho diversi ossidi di ferro, che quindi hanno una

quando vado a formare la CO il mio potenziale scende, perché sfrutto ossigeno, diversa permeabilità e reattività alla riduzione. Cioè si cerca di tenere conto

mentre quando vado a ridurre, sto liberando ossigeno dal minerale e quindi dell’effetto conchiglia - a strati dell’ossido di ferro durante la riduzione, perché non

aumentando la quantità di O2. Tengo conto che durante l’oscillazione cmq ho una tutto ossidi si trasforma istantaneamente nell’ossido successivo.

progressiva salita del potenziale di ossigeno e va a intersecare le linee di stabilità

di vari ossidi di metallo.

b) Questo fino al punto b in cui ho che a T troppo bassa e potere riducente

dell’atmosfera è nullo, e non innesco più riduzione e quindi il restante gas viene

espulso dalla bocca, che è rappresentata dal punto c.

Richardson, cerca di migliorare questo, rendendolo più aderente alle condizioni della

realtà in cui ho la presenza di altri elementi che vengono ridotti oltre ai minerali di

ferro, cioè per esempio Mn, Si… questo fa si che il comportamento del potenziale di

ossigeno cambi, un poco, in particolar modo nella zona di oscillazione, ho sempre

oscillazione, ma non ho più la tendenza progressiva alla risalita del potenziale. Infatti,

data la presenza della riduzione di altri ossidi ho che il potenziale di ossigeno durante

l’oscillazione va sotto la linea di stabilità della CO, perché ne consumo molto di più.

Inoltre, ho che non tocca mai alla fine le linee di stabilità degli ossidi di ferro perché sta

solo considerando solo atm di ossigeno non tutta aria. A differenza della marcia che ho applicato nel mio AFO cioè se marcia fredda

Quando CO rincontra ossido di ferro, durante la riduzione, ho allora che dipende

anche da strati ho, il che comporta un diverso potenziale di ossigeno. In base allo o calda, ho differenza di tenore di silicio e zolfo che posso trovare nel bagno.

strato che ho osso trovarmi in uno dei miei 5 punti. Esso aumenterà all’aumentare Infatti, il contenuto di fosforo e di silicio quando lo verso dal forno, influenzano

della profondità degli strati, perché il potenziale minore è quello dello strato poi lo sviluppo e cronologia delle successive operazioni.

esterno che è ho ematite più facilmente riducibile; cioè mostra come varia Le varie operazioni possono essere svolte in più periodi e con diverse

potenziale ossigeno quando CO permea nell’ossido di ferro e riduce strati diversi metodologie e ciò a seconda del disegno dell’intero impianto di produzione.

di ossidi di ferro, e quindi presenta diversi potenziali di ossigeno. Alcuni aspetti, come decarburazione e defosforazione, avvengono fuori forno

Questo mi permette di capire se il sistema sta lavorando bene o meno, se sta elettrico ad arco, ma anche al convertitore, ma tipicamente nella siderurgia

riducendo bene, in base al potenziale di ossigeno che rilevo e soprattutto in base moderna ho che desolforazione e la disossidazione avvengono in siviera o

al rapporto pco/pco 2. durante lo spillaggio, cioè tra la fuoriuscita dall’altoforno e la colata in siviera,

Ultimo approccio ho che il potenziale di ossigeno non va via dritto, stando sopra la mediante atmosfera e agenti disossidanti.

linea di isobara di boudouard, perché tiene conto della post combustione della CO Per quanto riguarda il degasaggio di solito è fatto in siviera in cui sono presenti

a CO ovvero la combustione del carbone piroforico perché accade che 2CO = 2C particolari sistemi di aspirazione e di formazione di vuoto.

2

+O in (può essere vista nel complesso anche così: la CO si dissocia in CO

2 2 La desolforazione della ghisa, spesso è fatta prima di arrivare al convertitore,

perché qui la CO non è stabile in quanto sono a bassa temperatura) ma sarebbe in base a come è stato disegnato tutto l’impianto. Tutto questo prima

più giusto dire che si crea coke piroforico da CO dissociazione e che mi comporta all’antichità veniva fatto al convertitore, ma causava molti problemi.

una diminuzione di temperatura e mi fa diminuire il potenziale a fine processo e Conversione = tecnica di eliminazione di forti quantità di uno o più elementi

rimane sotto isobara di boudouard fino a fine processo. (dannosi o che non devono avere elevati tenori) per ottenere un prodotto

Il potenziale di ossigeno non diopende più solamente dal fatto che l’atomo di riferimento sia complessivamente trasformato.

vicino ai pezzi di coke oppure di minerale, ma anche dall’esistenza in questi ultimi di zone

concentriche con differente livello di riduzione entro le quali diffonde l’atmosfera gassosa. Affinazione = tecnica con la quale si eliminano piccole impurezze o piccole

quantità di elementi estranei (tolgo per ottenere tenori controllati e formare

molte gamme di acciaio di proprietà meccaniche particolari).

In ogni operazione siderurgica i possono dstinguere due diversi periodi della

marcia del processo:

- Periodo ossidante: in cui di solito si effettua la conversione e in cui ad opera

dell’ossigeno si va a convertire il bagno, perché O lo ossida. Si eliminano

2

così le impurezze e impurezze esogene (impurezze non metalliche) che

sono arrivate da fuori il bagno, che, una volta ossidate, flottano sopra il

bagno. Posso quindi eliminare tutti gli elementi indesiderati, tranne Fe, si

eliminano gas perché il bagno è turbolento e quindi il gas intrappolato

espulso da refrattari, ossidi, presenza di umidità ecc… che in bagno non

riusciva prima ad uscire. Ora produzione di fase gassosa durante la

conversione, stimola formazione di bolle, agitazione e aumenta la facilità

con cui espellere tali fasi.

Questo periodo può essere fatto a convertitore o a EAF con modalità e

tempi diversi.

- Periodo riducente: in cui non voglio più ossidare altrimenti avrei perdita di

ferro, perché si ossiderebbe pure lui. Miro a ridurre gli ossidi

precedentemente ossidati, per magari ripristinare nel bagno tenori di

Conversione e affinazione elementi pregiati ad esempio il Mn, o anche FeO presente in scoria. Posso

anche aggiungere elementi molto affini a O per togliere il ossigeno in Conversione= reattore chimico, in cui si ha la conversione di un metallo in un

2

eccesso rimasto dalla precedente fase di ossidazione e quindi liberare altri altro metallo, senza apporto di calore dall’esterno. La conversione viene svolta

elementi prima ossidi nella scoria o come composti intermetallici nel bagno. senza bisogno di apporto di calore dall’esterno, devo sviluppare il calore per

Disossidazione non più molto facile perché bagno non tumultuoso e la mantenere il bagno liquido mentre si trasforma da ghisa ad acciaio, solo

flottazione è molto più lenta e la sua velocità di flottazione è dettata dalla sfruttando elementi termogeni, senza aggiungere apporto di energia sotto

legge di Navies-Stockes; questa fase di solito fatta fuori forno. forma di calore dall’esterno. Per far ciò devo avere un bagno che sia a

T>1500°C perché ho che mentre la ghisa è liquida a T= 1150°C, invece

eutettico dell’acciaio si ha a T molto maggiori (vedi diagramma ferro-carbonio).

Per quanto riguarda gli elementi dannosi, cioè quegli elementi che possono Gli elementi che si possono ossidare facilmente sono quelli che nel

essere ossidati, ci sono alcuni elementi che non possono essere ossidati diagramma di Ellingham stanno sotto la linea di stabilità del ferro.

attraverso il O perché stando sopra la linea di Fe nel diagramma di

2

Ellingham, se dovessi ossidare quegli elementi prima dovrei incorrere in Gli elementi che sono invece sopra non posso ossidarli.

totale ossidazione del Fe (sono ad esempio Cu). Caso particolare è il fosforo: esso a T basse sta sotto il Fe quindi può essere

Slide + t 31-34 min ossidato, ma a T alte passa sopra e quindi non può più essere ossidato con

O . Da qui deriva la necessità di defosforare il bagno prima della conversione

2

perché esso è un elemento termogeno, che già di suo alza la temperatura. Se

N e H per essere eliminati posso o degassare in cavità di degasaggio o venisse fatto in presenza di ossidazione di altri elementi termogeni la T

aggiungere al bagno il Ti, che legandosi ad esso mi dà affinazione del raggiungerebbe livelli troppo elevati e quindi non potrei più ossidare attraverso

bagno, portando via elementi molto dannosi per acciaio, ma questa ossigeno. [prima defosforo poi decarburo poiché con defosforazione ho

operazione deve essere fatta ho lo svantaggio che i composti di titanio aumento di T e anche decarburazione ma defosforazione possibile solo a T

sono composti fragili e laceranti e che si vanno a depositano a bordo grano. basse, altrimenti non riesco più.]

Anche per questo, oggi si usa meno SiO in quanto esso è un elemento

2,

P elemento che diminuisce la resilienza perché da vita a composti duri ma fortemente termogeno e anche perché esso crea una scoria molto polimerizza

fragili a bordo grano. tata che mi fa rischiare di incorrere in sloppatura; per questo oggi miro ad

avere più zolfo ma meno silicio. Inoltre non voglio molto silicio perché uso dei

S crea fragilità a caldo, perché composti che si miscelano a bordo grano refrattari basici e quindi potrebbero portare a usura molto veloce del refrattario.

sono eutettici bassofondenti e formano lacerazioni dell’acciaio. Inoltre se avessi molto silicio per renderla basica dovrei aggiungere enormi

quantità di calce per renderla più basica e quindi, ho volume più alto di scoria

che succhia calore al bagno per restare liquida e quindi bagno diventa solido e

H aumenta le porosità dell’acciaio, aumenta le tensioni interne e quindi dovrei aumentare il calore da apportare per mantenere la scoria e il bagno

aumenta fragilità creando dei “fiocchi” all’interno del pezzo. Questo anche liquidi, quindi eccessiva spesa per questa operazione. Se proprio non riesco a

perché la solubilità dell’H nel metallo cambia repentinamente con diminuire di avere basso tenore di silicio e non riesco a desiliconizzare fuori dal bagno,

T. allora posso usare la tecnica del doppio strip, in cui man mano che si forma la

scoria vado a rastrellarla e rimuoverla in modo tale da continuare a farla

N produce un precoce invecchiamento del metallo, diminuendo la sua riformare ma non accumulare acidità.

deformabilità e aumentando porosità per stessa ragione di idrogeno. Carbonio, cioè la sua ossidazione, con è così termogena, non sufficiente per

raggiungere la T per mantenere liquido il bagno.

In tutte le operazioni il bagno è sovrastato da scoria però, mentre nell’afo si

produe da interazione della ganga del metallo con ceneri di coke e da Slideeee t 44-46

interazioni con fondente caricato, nel convertitore e periodo di affinazione ho

che è generata dagli ossidi che flottano dal bagno e da aggiunte dei materiali

per dare giusta basicità a scoria, per proteggere i refrattari e per operazioni di Sia per desolforazione che per defosforazione la scoria deve essere basica,

affinazione. poi per la defosforazione uso un periodo di trattamento ossidante, mentre per

la desolforazione un trattamento fortemente riducente.

Velocità di flottazione, fattore di controllo per espulsione del gas e quindi della

schiumosità della scoria, è parametro che cambia in base a dove sto

Manganese è anch’esso un elemento fortemente termogeno, che tende a decarburando. Quindi essa determina il trasporto delle specie chimiche che mi

ossidars velocemente nei primi periodi di conversione, in cui il 45-75% del Mn interessano, all’interfaccia di una bolla, dove mi vengono adsorbite, facendo

caricato in altoforno va a finire nel bagno perché i suoi ossidi sono ossidi molto accrescere la bolla e una volta raggiunta la dimensione sufficiente per essere

riducibili. Nella ghisa si ha che i suoi valori sono tra il 0,35-2,5%. Quando, espulsa,fuoriesce dal bagno.

invece, vado ad ossidare il bagno, riossido tutto Mn facilmente e che spesso

però volevo lasciarli in bagno perchè si legano allo zolfo, formando dei solfuri

aiutandomi nelle operazioni di desolforazione e formando dei composti nel Slideeeeeee

bagno che aiutano ad aumentare truciolabilità dell’acciaio e non danno

fastidio. Quindi dopo aver ossidato Mn tendo a disossidarla almeno in parte Devo avere equilibrio tra flusso di C e di O all’interfaccia della bolla di CO che

2

controllando i tenori di Feo e SiO in scoria. Come? Se guardo la reazione che

2 si sta formando. Il flusso dipende da un gradiente di concentrazione attraverso

può avvenire all’interfaccia metallo scoria tra Feo e Mn che è disciolto nel un coefficiente Beta, che ha anche fare con turbolenza e idraulica del bagno.

bagno ho una reazione che è la seguente: Miro quindi a creare una differenza di concentrazione/potenziale tra il bagno e

la bolla, che è subito possibile nel nostro sistema perché ho che il bagno è

Slideeeeeee saturo di carbonio, mentre la bolla no; allora ho un flusso che mi crea un

movimento di carbonio da bagno a bolla.

Faccio ripartizione scoria bagno, quindi se deve essere alto Mn devo tenere

basso FeO e inoltre deve essere basso il tenore di silicio. Slideee t: 1.00.00- per 5 minuti.

Deve inoltre essere per forza a T alta.

Andamento del manganese è che più ossido bagno, meno Mn rimane nel Dato che la concentrazione di carbonio per effetto del flusso deve diminuire, la

bagno e inoltre però cambiano le quantità di silice che rimane in bagno. supponiamo lineare del tempo, e non dipende solo da concentrazione iniziale,

Se voglio recuperare Mn ossidato a riportarlo nel bagno, avrò però che si ma dipende anche da volume e area del bagno per il coeff beta che indica la

ossiderò il silicio. turbolenza del bagno.

Slideee t: 1.00.00- per 5 minuti

Decarburazione Senti t 1.04-1.06 Per noi quindi è fondamentale il fattore di trasporto ….. per

Decarburo per ottenere re a partire da ghisa, l’acciaio. La quantità di avere buona decarburazione, ma questo fattore pesa in maniera diversa a

decarburazione dipende dal tipo di acciaio che voglio ottenere, cioè dalla % di seconda della concentrazione del bagno: se concentrazione del bagno è alta,

carbonio interno che desidero, il che comporta differenti proprietà meccaniche >0,1-1,6 più ossido, più tolgo carbonio …… ma andando avanti con

e quindi funzioni. decarburazione linee si spostano un po’ perché aumenta la temperatura.

Nel momento in cui il carbonio scendo sotto una certa soglia, essendo già

1) Principio alla base è insuflare O nel bagno. Principio alla base è riuscire a

2 avanti con decarburazione, non è più alla .. dell’ossigeno perché aumenta il

far passare dell’ossigeno nel bagno, in modo tale da estrarre carbonio del rischio di ossidare il ferro ecc e quindi diventa fondamentale il … di trasporto

bagno stesso in maniera diretta C + O = 2CO

2 del carbonio all’interno delle bolle, e questo viene molto bene quando riesco a

2) Principio che riducendo il FeO rimanente cioè svolgendo la seguente formare emulsione/agitazione del bagno e che mi comporta la distruzione del

reazione: FeO + C = Fe + CO bagno metallico in tante goccioline di FeO e C e così è agevolato il trasporto di

3) Principio di rimozione delle bolle dal bagno, cioè specie gassose possano carbonio all’interfaccia della bolla di CO che si genera per reazione di prima

liberare le bolle di aria o CO che ho formato, prima accrescendole, il che tra Ce O e che era rimasta intrappolata.

2

implica un periodo di disossidazione del bagno e questo fa inoltre si che la

velocità di flottazione sia molto maggiore e si liberino facilmente, sempre Slideee

secondo la v di flottazione di Navies-Stockes.


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frini

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DETTAGLI
Esame: Siderurgia
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie
SSD:
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher frini di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Siderurgia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano - Polimi o del prof Mombelli Davide.

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