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 CO a seconda della T che ci troviamo (so che è sempre CO a

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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 li

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ho la combustione esotermica di C e O a formare CO in cui si innesca combustione,

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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 CO e poi scaricano i gas alla bocca.

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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 = rastematura 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= CO + C) perché operata da

(TINO superiore) 2

CROGIUOLO = 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. riduzione indiretta) e inoltre genera CO2 .

(gradiente T tra parete e centro.. quindi ho che faccio carica diversa in granulometria

tra pareti e interno per far si 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

ZONA IV = in cui avviene la fusione del metallo e formazione della

(SACCA) tasso di riduzione diretta (r ), minore carbonio come fonte di calore è richiesto (Q) ma maggiore quantità di

d

scoria/loppa. Avviene la carburazione, il passaggio di elementi in scoria e elementi che carbonio è necessario come agente riducente. Il minor tasso di carbonio come agente di riduzione per una

passano invece nel bagno una volta ridotti (Mg, Si, S, P). Loppa formata da composti domanda di agente riducente R corrisponde al punto q ar ed =0. In questo caso, il minimo consumo di carbonio

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corrisponde a q perché q < q. Punto q corrisponde all”altoforno ideale" (Emmanue, Lurlis Gruner). Quando le

di allumina calce ecc… che formando composti alto fondenti non vengono ridotti. In 1 1 1

condizioni cambiano a causa di una migliore preparazione del minerale e diminuzione del volume delle scorie o a

questa zona non devo superare la T di 1300°C (questa max T a altezza delle tubiere causa dell'aumento della temperatura, la domanda di calore si sposta dalla linea Q a Q . Il minimo consumo di

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perché CO che si forma subito per reazione di C con O subito appena esce aria poi carbonio in questo caso rimane q ma ora non c'è più differenza tra i requisiti termici e di riduzione. Con un'ulteriore

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2 2 diminuzione della domanda di calore (Q ), "operazione altoforno ideale" per r = 0 (q ) non è termodinamicamente

viene immediatamente a reagire con C carbon coke a formare CO perché ho che a T 2 d 3

possibile perché il gas riducente generato non copre a pieno la domanda per la riduzione indiretta (q ). L'area

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alte la CO non è stabile. Esseno un po’ endotermica la reazione di CO + C = CO sopra la linea Q2aq1 permette la riduzione. In questo caso il consumo di carbonio minimo (Cmin) sarà raggiunto

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allora essa tiene sotto controllo la temperatura). 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

ZONA V = ho che la T raggiunge 1500-1600°C e il calore qui di irraggia

(CROGIUOLO) a R . Ora la zona reale di riduzione è sopra la linea Q2bq2 ed il tasso minimo di carbonio sarà raggiunto per una

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diminuzione del tasso ottimali di diretta riduzione (da "a" a "b").

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 CO . Devo quindi mirare a

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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