La presente invenzione concerne un dispositivo di tenuta dinamica per sistemi di alimentazione a preriscaldo in continuo del rottame al forno fusorio, come specificato nel prologo della rivendicazione 1.
Un forno fusorio con l'alimentazione in continuo del rottame è ad esempio noto dalla pratica e commercializzato dalla ditta americana Triple/s Dynamics Inc., con sede a Dallas (Texas).
Questo forno comprende un canale di trasporto vibrante, nel quale il rottame viene trasportato ed una tubazione di aspirazione dei fumi provenienti dal forno, disposta lungo il canale di trasporto nelle vicinanze della sua alimentazione, cosicché i fumi caldi provenienti dal forno possono lambire od attraversare il rottame passante dal canale e così preriscaldarlo. È bene osservare subito a questo proposito che il rottame lavorato in un simile forno, proveniente dalla demolizione di opere e manufatti preesistenti, quali ad esempio le automobili, ha una struttura ed una composizione tutt'altro che omogenea, e ciò tanto per quanto ne concerne la composizione - che può variare in funzione degli scarti lavorati tanto nel contenuto dei metalli che di altre sostanze più o meno inquinanti quali plastica ecc. - che per la sua granulometria.
Il rottame lavorato in un forno come quello oggetto della presente invenzione è dunque da equiparare ad un materiale estremamente poroso, composto molto più di aria che di metalli (ed infatti il suo peso specifico si aggira sul valore di 1 kg/dm<3>) il cui contenuto di sostanze inquinanti, ad esempio producenti potenzialmente diossine, furani ecc., varia notevolmente, sicché anche lo sviluppo dei fumi nel forno è soggetto a forti variazioni. Inoltre il materiale viene depositato sul canale vibrante normalmente non continuamente, bensì per cariche successive, sicché il letto di rottame risulta irregolare anche nel suo spessore, poiché alti livelli di materiale corrispondenti alle cariche fanno seguito a zone più sottili tra due cariche successive.
Questo aspetto riveste molta importanza, come vedremo, poiché è causa di notevole difficoltà di funzionamento del sistema noto, cui si intende porre rimedio con la presente invenzione.
La precisazione testé fatta a proposito della natura del rottame trasportato nel canale è pure importante poiché da essa si impara che il materiale è da considerare permeabile all'aria e lungi da essere una massa omogenea e compatta.
Un siffatto canale è dunque un tubo aperto dai due lati, ossia da una parte, quella dell'alimentazione, aperto verso l'atmosfera, mentre dall'altra esso è aperto verso il forno, nel quale sbocca liberamente lasciando cadere continuamente - ed è questa una delle caratteristiche fondamentali di questa alimentazione continua di rottame nel forno ad esempio ad arco elettrico - il rottame in un letto di acciaio liquefatto sul fondo del forno. Nel forno si formano dunque fumi in un modo continuo, e l'allontanamento di questi fumi attraverso i canali di alimentazione del rottame, in controcorrente, allo scopo di preriscaldare il rottame fresco, ha tra l'altro lo scopo di ridurre il consumo dell'energia necessaria per liquefare il rottame.
Si pone dunque, in una siffatta costruzione, il problema di creare un dispositivo di tenuta dinamica (noto con il nome inglese di "Dynamic Seal") atto a creare un effetto di tenuta che impedisca ai fumi - intendendo con tale definizione tutti i gas che possono svilupparsi durante la fusione di rottami eterogenei contenenti, oltre a materiale ferroso, ogni altro tipo di metalli leggeri e pesanti oltre che materie plastiche, gomme, ecc., fumi che possono dunque anche presentare un alto grado di tossicità - di fuoriuscire liberamente nell'atmosfera attraverso l'apertura di entrata del canale. Il dispositivo di tenuta dinamica, costituito da una cappa aspirante sboccante nel canale di trasporto, è disposto tra l'estremità d'entrata del canale e l'imbocco, nel canale, della tubazione di aspirazione dei fumi ed è dotato di mezzi di aspirazione dell'aria.
Lo scopo di tale dispositivo è di evitare che dei fumi inquinanti possano fuoriuscire dal canale di trasporto del rottame, invece che venir convogliati, tramite la tubazione di aspirazione dei fumi, ad un'apparecchiatura di trattamento e filtraggio nella quale, eventualmente previo riscaldamento a temperature comprese tra 950 e 1250 DEG per un tempo opportuno (+/- 2 sec) se la loro temperatura è inferiore a tali limiti, le diossine vengono crechizzate e rese innocue. Si tenga presente che, in linea di massima, questi impianti vengono assimilati ad impianti di termodistruzione dei rifiuti, sicché per essi valgono le severe leggi vigenti in materia di rifiuti.
Un simile sistema di tenuta dinamica deve dunque rispondere ad alcuni requisiti fondamentali, che sono:
a) avantutto garantire che mai i fumi del forno possano fuoriuscire dal canale dal suo lato d'entrata e liberarsi nell'atmosfera. Detto altrimenti: l'effetto di tenuta stagna del dispositivo verso i fumi deve essere garantito in tutte le condizioni di lavoro del canale e del forno, anche le più difficili, quando cioè dovesse esserci ad esempio uno straordinario sviluppo di fumi nel forno e quando il livello di rottame nel canale dovessero momentaneamente risultare scarso e quindi il canale relativamente libero per il passaggio dei fumi,
b) l'effetto di tenuta dinamica del dispositivo deve funzionare con il minimo di aria fresca apportato dall'esterno alla tubazione di fumi, poiché con maggiore è il volume del gas da trattare (fumi del forno ed aria dall'esterno)
e tanto più elevato è il consumo energetico necessario per trattare i gas stessi, tanto in relazione al loro riscaldamento che al loro filtraggio.
Lo Stato della Tecnica succitato presenta ora un dispositivo di tenuta dinamica avente le seguenti caratteristiche costruttive:
- la cappa aspirante di tenuta dinamica aspira i fumi mediante un ventilatore assiale incorporato nella tubazione con motore a corrente alternata pilotato sulla frequenza e calettato sull'albero della girante. Variando la velocità di rotazione del ventilatore se ne varia la potenza di aspirazione, che così viene adeguata alla necessità momentanea del sistema. Il motore viene comandato tramite un convertitore statico di frequenza che viene pilotato mediante due sensori misuranti la pressione rispettivamente all'interno della tubazione di aspirazione dei fumi e nella cappa stessa.
Dal confronto delle due pressioni il sistema di controllo dovrebbe effettuare la regolazione del numero di giri fino al raggiungimento del numero di giri desiderato atto a garantire le condizioni di lavoro ottimali succitate e quindi a mantenere tali condizioni,
- a monte ed a valle della cappa di aspirazione sono disposti dei mezzi di chiusura, costituiti da serrande a bandelle mobili che si appoggiano sulla superficie libera del flusso del rottame passante, adeguandosi alla sua altezza variabile e chiudendo in tal modo - almeno approssimativamente - la sezione libera del canale situato sopra il rottame, così da impedire un troppo facile accesso dei fumi alla cappa aspirante da un lato e dell'aria esterna alla cappa aspirante dall'altro,
- una paratia di chiusura completa del canale disposto tra la tubazione dei fumi e la cappa di aspirazione,
atta a chiudere completamente il canale quando non c'è più alimentazione di rottame.
Questo dispositivo noto di tenuta dinamica presenta alcuni svantaggi importanti, che sono
a) il suo tempo di reazione è troppo lungo, cioè presenta una inerzia eccessiva. Abbiamo già detto più sopra che il letto di rottame alimentato varia molto per quanto concerne la pezzatura, la densità apparente, l'altezza del mucchio nel canale e la velocità di convogliamento. Succede dunque che il sistema, presentandosi in un determinato istante una situazione particolare, dovrebbe agire in un modo ben preciso.
Ciò viene detettato dai sensori presenti: prima però che il sistema possa reagire, ossia prima che il motore del ventilatore della cappa aspirante abbia avuto il tempo di adeguare la sua velocità di rotazione, la situazione nel canale di trasporto si è già radicalmente cambiata, poiché il materiale è stato fatto avanzare di un certo tratto sicché è venuto a trovarsi in una nuova posizione che richiederebbe magari una reazione tutt'affatto opposta della potenza aspirante del ventilatore.
A questo punto la reazione del ventilatore può risultare esattamente opposta a quella necessaria in questo secondo istante, sicché l'effetto della regolazione risulta completamente falsato.
Nel corso della discussione dello Stato della Tecnica che seguirà, faremo un esempio pratico per illustrare meglio questo svantaggio dello Stato della Tecnica:
per il momento basterà ritenere che il sistema di regolazione della potenza aspirata dal ventilatore mediante regolazione del numero di giri del suo motore calettato sull'albero e tramite un convertitore di frequenza è troppo inerte rispetto alla velocità di spostamento del rottame nel canale e dunque alla variazione delle condizioni di aspirazione che il sistema dovrebbe seguire per poter lavorare in modo efficiente.
b) il comando del ventilatore mediante un motore pilotato sulla frequenza è una soluzione costosa, poiché esige l'impiego di un convertitore di frequenza.
Scopo della presente invenzione è dunque l'eliminazione degli svantaggi principali del dispositivo dello Stato della Tecnica ed in particolare quello di assicurare una regolazione della potenza di aspirazione del ventilatore del dispositivo di tenuta dotato di un tempo di reazione minimo, così da potergli permettere di reagire con grande immediatezza alle condizioni variabili esistenti nel canale di trasporto del rottame trasportato. Inoltre il sistema deve essere di funzionamento sicuro ed efficiente, esigere scarsa manutenzione ed essere poco costoso.
Tutti questi scopi vengono raggiunti in un dispositivo di tenuta dinamica avente le caratteristiche della parte caratterizzante della rivendicazione 1.
Grazie al fatto che i mezzi di regolazione della potenza di aspirazione della cappa di tenuta dinamica comprendono un ventilatore ruotante con velocità di rotazione costante, quindi azionato da un motore asincrono convenzionale privo di convertitore di frequenza, ed una valvola di strozzatura che regola la sezione di passaggio dell'aria aspirata dalla cappa di aspirazione, in modo da mantenere la differenza di pressione DELTA p tra la pressione statica agente nella tubazione di aspirazione dei fumi e la pressione statica agente nella cappa di tenuta dinamica inferiore ad un valore massimo predeterminato, si realizza un sistema estremamente rapido nel reagire alle mutevole condizioni di trasporto del rottame regnante nel canale, poiché una valvola di strozzatura può venir azionata con tempo di reazione brevissimo,
non conoscendo essa problemi di accelerazione e decelerazione di massa in movimento, ciò che a sua volta permette di ridurre il DELTA p di lavoro senza correre il rischio - come nella costruzione dello Stato della Tecnica - di disporre di un'aspirazione insufficiente per far fronte a situazioni di emergenza. Queste sono infatti soprattutto le situazioni nelle quali l'aspirazione nella cappa è momentaneamente troppo debole per evitare la fuoriuscita di fumi dal canale verso l'ambiente, sicché, per ragioni di sicurezza, si è sempre costretti a lavorare con una riserva di aspirazione, cioè con un DELTA p superiore a quello ottimale. Ma ciò provoca una perdita costosa di energia.
Altri vantaggi dell'invenzione verranno descritti più nei dettagli con l'aiuto di una serie di varianti di realizzazione della stessa, illustrati mediante le figure che seguono.
Queste mostrano:
la fig. 1 una veduta generale di un impianto di fusione del rottami con alimentazione e preriscaldo in continuo secondo lo Stato della Tecnica, nel quale trova applicazione il dispositivo di tenuta dinamica noto dallo Stato della Tecnica e rappresentato nei dettagli nella fig. 2, nonché il dispositivo di tenuta dinamica inventiva rappresentato nei dettagli nelle fig. 3 e 4;
la fig. 2 un dettaglio più ingrandito, rispetto alla raffigurazione della fig. 1, del dispositivo noto di tenuta dinamica con la cappa di tenuta dinamica e la tubazione di aspirazione dei fumi, in una rappresentazione schematica in alzata vista longitudinalmente rispetto al canale di trasporto;
la Fig 3 il dispositivo inventivo di tenuta dinamica in una rappresentazione schematica analoga a quella della fig. 2;
la fig. 4 il dispositivo inventivo della fig. 3 visto in una rappresentazione schematica di sezione trasversale rispetto al lato longitudinale del canale.
La fig. 1 mostra un impianto di fusione di rottami, come quelli usati nella pratica e forniti dalla ditta Triple/s Dynamics Inc., di Dallas, USA, chiamato Consteel ed incorporante un dispositivo di tenuta dinamica (noto con la denominazione generale di "Dynamic Seal"), del quale la presente invenzione costituisce un perfezionamento. Per comprendere il funzionamento del presente trovato è necessario far riferimento al funzionamento di tutto l'impianto di fusione, anche se di esso il dispositivo di tenuta dinamica forma solo una componente.
Nella fig. 1 con 1 è indicato un forno di fusione, che può essere preferibilmente un forno ad arco, nel quale sbocca un canale di trasporto 2, la cui lunghezza è considerevole rispetto alla dimensione del forno 1. Nel canale di trasporto 2 il rottame che viene caricato all'estremità 3 del canale mediante un sistema di caricamento alternativo, cioè normalmente a cariche successive, viene convogliato mediante vibrazioni, ossia con il noto sistema del letto vibrante che provoca l'avanzamento regolare e continuo del materiale dall'estremità di alimentazione 3 del canale all'uscita 4 nel forno. Nella fig. 1 l'uscita 4 è rappresentata penetrante leggermente nell'interno del forno 1. Ciò serve a far sì che il nuovo rottame sopraggiungente cada sull'acciaio liquefatto che copre il fondo del forno 1.
La linea ondulata 5 mostra l'andamento normale del livello del rottame 7 nel canale 2, an damento che è "ondulatorio", fatto cioè di picchi e di depressioni, corrispondentemente all'alimentazione a cariche discontinue del rottame 7 sul canale. La parte superiore del canale 2, rappresentata a forma di tunnel, non ha alcun rapporto con la presente invenzione e se ne tralascia dunque la descrizione.
I fumi sviluppantesi nel forno 1, per il resto stagno e preferibilmente mantenuto - proprio per impedire ogni fuoriuscita di fumi caldi ed inquinanti nell'atmosfera - in leggera depressione, vengono ora aspirati attraverso il canale 2, secondo la freccia F, dalla aspirazione generata in una tubazione di aspirazione dei fumi 6 raccordata al canale 2 in un punto posto più nelle vicinanze dell'estremità d'entrata del canale 3 che di quella d'uscita 4. Il passaggio dei fumi nel canale 2, in controcorrente rispetto al rottame 7 che si muove nella direzione della freccia F, ne provoca il preriscaldo, sicché il rottame cade nel forno dopo aver assunto una temperatura minima.
La tubazione di aspirazione dei fumi 6 deve ora essere dotata di una potenza di aspirazione, che deve essere accompagnata da una equivalente capacità di riscaldamento e di filtraggio, sufficiente per garantire l'allontanamento efficace di tutti i fumi dal forno 1 e dal canale 2 in ogni situazione di lavoro. Siccome però il canale 2 non è chiuso in modo stagno all'aria dal suo lato d'entrata 3, ma solo riempito, e per di più imperfettamente e variabilmente, di uno strato di rottame 7 permeabile all'aria, è necessario adottare un dispositivo di tenuta dinamica che impedisca alla aspirazione agente nella tubazione 7 di aspirare una grande quantità di aria dall'esterno attraverso l'apertura 3.
Senza un tale dispositivo di tenuta è evidente che, essendo le perdite di pressione nel canale minori dalla parte corta del canale 2 corrispondente all'entrata 3 che quelle della parte più lunga sboccante nel forno 1, la aspirazione nella tubazione 6 aspirerebbe molta più aria fresca dall'ambiente che fumi dal forno 1. Ciò obbligherebbe a sovradimensionare inutilmente la capacità dell'impianto di riscaldamento dei fumi - ri scaldamento prescritto per eliminare il pericolo delle diossine - e quello dell'impianto di filtraggio, anche questo necessario per soddisfare le prescrizioni vigenti riguardanti l'emissione di polvere nell'atmosfera. Tutto ciò con grave detrimento energetico.
Il dispositivo di tenuta dinamica, indicato con 8, è situato tra l'estremità d'entrata 3 del canale 2 e l'imbocco nel canale 2 della tubazione 6 di aspirazione dei fumi, ed è dotato di una aspirazione la cui funzione è di aspirare aria dall'ambiente circostante, senza però concorrenziare l'azione aspirante sui fumi della tubazione 6, così da impedire che l'effetto aspirante della tubazione 6 si eserciti illimitatamente verso l'esterno. In teoria il dispositivo di tenuta dinamica 8 intende creare, tra la tubazione 6 e sè stesso, una zona di separazione dei fumi dall'aria, appunto un effetto di tenuta dinamica, nella quale le due correnti gassose, quella di fumo proveniente dal forno 1, ossia da sinistra, e quella dell'aria proveniente dall'ambiente, ossia da destra, si equilibrano senza mescolarsi.
Il più piccolo mutamento di questa situazione di equilibrio comporterebbe tuttavia il pericolo della fuoriuscita di fumo dal dispositivo di tenuta stagna 8, sicché si preferisce lavorare sempre con una differenza di pressione DELTA p tra la pressione statica p1 agente nella tubazione 6 e la pressione statica p2 agente nel dispositivo di tenuta, con p1 > di p2. Nell'impianto noto qui descritto tale DELTA p viene di regola scelta maggiore di 50 Pa, ciò che, con le dimensioni corrispondenti del canale, dà luogo ad una quantità di aria esterna infiltrantesi nella tubazione 6 di circa 25000 m<3>/h.
Un DELTA p di questa grandezza è però necessario onde assicurare, in ogni caso, anche alle condizioni più sconvenienti di funzionamento, che una quantità d'aria passi nella tubazione 6 ed essere sicuri che mai del fumo possa giungere al dispositivo di tenuta dinamica 8. Il perché di tale motivo viene ora meglio spiegato con l'aiuto della fig. 2, che mostra più in dettaglio il dispositivo di tenuta dinamica dello Stato della Tecnica, con le problematiche che esso ancora comporta.
Il dispositivo di tenuta dinamica dello Stato della Tecnica è costituito da una cappa di tenuta dinamica 9 raccordata con un bocchettone fisso 10 alla parte superiore del canale 2. La cuffia 9 è raccordata superiormente con un tubo rotondo d'uscita 11 nel quale è collocato un ventilatore assiale 12 con un motore elettrico 13 calettato direttamente sull'albero di rotazione della girante 14 del ventilatore 12. A valle del tubo cilindrico 11 contenente il ventilatore è poi previsto un tubo conico di sfogo che immette l'aria aspirata dal ventilatore direttamente nell'atmosfera. Il motore 13 è un motore a corrente alternata comandato sulla frequenza tramite un convertitore statico di frequenza non mostrato: il ventilatore può così venir fatto ruotare a velocità variabile per incrementare o ridurre la forza aspirante del ventilatore 12, onde adattarla alle esigenze momentanee.
In un impianto tipico di questo genere si usano ventilatori 12 di grande potenza, con masse ruotanti considerevoli, i quali esigono, per loro natura, tempi ben determinati di reazione. Il sistema regolazione/venti latore è cioè dotato di una propria inerzia fisica, i cui effetti negativi verranno trattati in seguito.
La cappa di tenuta dinamica forma, al di sopra del canale 2, una camera 15 delimitata inferiormente dal letto di rottame 7 e lateralmente dalle pareti del canale 2 di scorrimento del rottame. Siccome l'altezza del rottame 7 nel canale 2 è soggetta a grandi variazioni, sicché non è possibile lavorare sempre con il canale 2 completamente pieno di rottame come sarebbe in se auspicabile per poter garantire condizioni aerodinamiche costanti, si è costretti a lavorare con canale non completamente pieno, così da disporre di una certa riserva per coprire i picchi di alimentazione corrispondenti alle singole cariche di materiale sul canale.
Per ovviare, almeno parzialmente, a queste difficoltà, il dispositivo di tenuta dinamica noto prevede l'impiego di mezzi di chiusura 17 min , 17 min min , 17 min min min regolabili della sezione libera del canale 2 tra il colmo 5 del flusso di rottame e la parte superiore 16 del canale. Tali mezzi di chiusura sono fatti quali pareti lamellari disposte vertical mente e trasversalmente alla direzione di spostamento del rottame nei canali. Le singole lamelle di cui sono fatte le pareti possono ribaltare attorno ad un asse di ribaltamento comune a tutte le lamelle di una parete e così adattarsi a lambire la superficie del rottame 7. Ciò produce un certo effetto di chiusura, anche se è chiaro che una simile chiusura non può mai essere stagna, poiché tra le singole lamelle rimangono liberi spazi vuoti più o meno larghi.
D'altra parte è utile ricordare che il rottame 7 stesso è un materiale permeabile all'aria, sicché una chiusura perfettamente ermetica dello spazio libero tra il rottame ed il cielo del canale non comporterebbe la possibilità di rendere assolutamente stagno all'aria il canale. La presenza dei mezzi di chiusura 17 min /17 min min e 17 min min min disposti tanto a monte (quelli 17 min e 17 min min ) che a valle (quello 17 min min min ) della cappa di tenuta dinamica 9 serve però a contribuire alla separazione aerodinamica della tubazione di aspirazione dei fumi 6 dalla cappa 9 e di quest'ultima dall'ambiente esterno. Nella fig. 2 si distinguono poi una serranda a cursore 18, rappresentata nella sua posizione chiusa nella quale essa chiude completamente il canale tra la cappa di tenuta dinamica 9 e la tubazione di aspirazione dei fumi 6.
Questa serranda è normalmente aperta, e viene chiusa, nella posizione rappresentata nella fig. 2, solo quando non c'è alimentazione di rottame 7 nel canale ma il forno è in funzione e quindi produce fumi che devono venir aspirati dalla tubazione 6. Per evitare che, in tal caso, la tubazione 6 aspiri troppo o prevalentemente aria fresca dall'estremità 3 del canale vuoto 2 bisogna chiudere la serranda a cursore 18. In tal caso nella tubazione 6 non può più entrare aria dall'esterno, ed essa lavora in quelle che sono le sue condizioni ideali di funzionamento, cioè aspirando solo i fumi che vanno trattati (riscaldati e filtrati).
Il dispositivo di tenuta dinamica qui rappresentato funziona nel modo seguente.
Variando il regime di rotazione del motore 13 del ventilatore 12, e di conseguenza il volume di aria asportato dalla camera 15 e la relativa depressione creata dal ventilatore 12, si varia il valore della depressione esistente nella camera 15 stessa, ciò che dovrebbe permettere di controllare sia la direzione che l'entità del flusso di aria. La regolazione della velocità del motore dotato per sua natura di una grande inerzia, avviene sulla base dei segnali provenienti da un sistema di misurazione della depressione. Questo sistema (non rappresentato nei dettagli) è costituito da due sensori S1 e S2 rispettivamente posti all'interno della tubazione di aspirazione dei fumi 6 e nella camera 15.
Dal confronto di queste due pressioni così rilevate si crea una differenza di pressione DELTA p, dalla quale il sistema di controllo dovrebbe effettuare la regolazione del numero di giri fino al raggiungimento del valore desiderato di depressione e quindi mantenerlo.
I limiti della soluzione di tenuta dinamica così come realizzato nello Stato della Tecnica sono essenzialmente costituiti dal fatto che si cerca di controllare due diversi fenomeni con un unico dispositivo. Prendendo infatti come riferimento l'asse della girante 14, simmetricamente rispetto a questo, si trovano le due condizioni a confronto. Queste, espresse in termini di pressioni, sono costituite dall'ambiente a pressione atmosferica e dall'impianto di aspirazione dei fumi, in depressione di circa 200-300 Pa. Per il raggiungimento del risultato, entrambe le condizioni dovrebbero risultare costanti nel tempo, cosa che nei fatti non avviene e non può avvenire.
Uno degli elementi che crea una notevole azione di disturbo è costituito dal letto di rottame 7, variabile per pezzatura, densità apparente, altezza e velocità di convogliamento. Il risultato è che il sistema di regolazione, dotato di una propria inerzia notevole dovuta sia alla complessità dell'anello di regolazione che alle inerzie fisiche succitate del sistema motore-ventilatore 12, 13 si trova a dover controllare contemporaneamente fenomeni di segno opposto. Questi si verificano alle frontiere dove sono situati i mezzi di chiusura 17 min , 17 min min , rispettivamente 17 min min min , inferiori al tempo di reazione dell'anello di regolazione. Ad ulteriore impedimento si ha l'aleatorietà, pure già descritta, del fattore di permeabilità all'aria del rottame.
Le infiltrazioni di aria attraverso il rottame costituiscono, infatti, la quota maggiore e più difficilmente controllabile.
La diversità dei fenomeni è quindi provocata dal passaggio del rottame 7 attraverso le due frontiere indicate sopra, per cui accade che il sistema effettua la regolazione sulla base del flusso di aria che il rottame 7 provoca nel suo moto di avanzamento verso il forno 1. Il risultato è che una lacuna di rottame che passi sotto la sezione di ingresso della cappa di tenuta dinamica 9 provoca un aumento della sezione di passaggio dell'aria causando di conseguenza un aumento del regime e della portata del ventilatore 12 di aspirazione, il quale avviene comunque con notevole ritardo.
Il successivo passaggio della stessa lacuna attraverso la frontiera tra la cappa di tenuta dinamica 9 e le tubazioni di aspirazione dei fumi 6 provoca l'aumento della sezione disponibile al passaggio dei fumi verso l'atmosfera e, data la notevole inerzia del sistema, si ha un'effettiva captazione dei fumi caldi dal condotto.
La veloce alternanza delle due condizioni estreme, costringe inoltre i ventilatori (non mostrati) dell'impianto di aspirazione fumi ad una notevole mole di lavoro per lo smaltimento delle oscillazioni di portata totale indotte nell'impianto di aspirazione dei fumi, in quanto il sistema di controllo è portato ad effettuare la regolazione sulla condizione peggiore. Questa è identificata dalla maggiore superficie di passaggio e quindi dalla minore resistenza all'infiltrazione, in quanto è questa che governa il sistema, rendendo instabile tutto l'anello di regolazione della tenuta dinamica.
Per diminuire l'instabilità del sistema dovuta ai fattori sopra esposti, primi fra tutti le variabili caratteristiche del rottame 7 e le inerzie del sistema, si è costretti a fare funzionare l'anello di regolazione con una pressione differenziale DELTA p relativamente elevata. Così facendo si permette l'accesso all'impianto di aspirazione dei fumi ad un notevole quantitativo di aria, con notevole aggravio delle condizioni di lavoro dello stesso e con conseguente indesiderato abbattimento della temperatura dei fumi per diluizione.
Ciò ha anche portato a ridurre l'altezza del soffitto di questa camera 15 dal letto di rottame 7 nel tentativo di minimizzare il volume totale di infiltrazione attraverso la riduzione della superficie totale disponibile. Il desiderato effetto di ridurre al minimo la superficie di infiltrazione è però in gran parte vanificato dai problemi di incaglio che si verificano al passaggio del rottame, ricco di spuntoni e notevolmente elastico, sotto un soffitto la cui altezza sia di poco superiore alla profondità nominale del letto di rottame 7.
La logica conclusione di quanto sopra è che la configurazione del dispositivo di tenuta dinamica conforme allo Stato della Tecnica testé descritto vorrebbe ottenere il controllo delle infiltrazioni di aria falsa avendo a disposizione un solo elemento su cui agire, costituito dalla differenza di pressione DELTA p esistente tra l'ambiente della camera 15 sotto la cappa di tenuta dinamica 9 e le tubazioni di aspirazione dei fumi.
Le considerazioni di cui sopra, data la notevole permeabilità del rottame, portano alla conclusione che la differenza di pressione DELTA p esistente tra il dispositivo di tenuta dinamica 8 e le tubazioni di aspirazione dei fumi costituisce il fattore primario di controllo del volume totale dell'infiltrazione di aria falsa.
Gli svantaggi del dispositivo di tenuta dinamica noti dallo Stato della Tecnica, testé descritti, possono venir riassunti nel modo seguente:
1 necessità di lavorare sempre con una differenza di pressione DELTA p piuttosto elevata, maggiore comunque di 50 Pa. Ciò per essere sempre in grado di garantire un DELTA p sufficiente, anche alle condizioni di funzionamento aerodinamiche più negative, così da evitare che dei fumi possano venir aspirati dal dispositivo di tenuta dinamica 8 e dispersi liberamente nell'atmosfera. Un alto DELTA p significa però lavorare mediamente con una maggiore quantità di aria aspirata dalla tubazione di aspirazione dei fumi 6, caricando dunque inutilmente l'impianto fumi stesso, la cui costruzione diventa più costosa ed il cui funzionamento più oneroso.
2) pericolo acuto di incaglio del rottame nel canale, soprattutto all'uscita della cappa di tenuta stagna 9, dovuto alla necessità di abbassare la parete superiore della cappa 9. Ciò provoca grosse interruzioni di lavoro.
È a questi due svantaggi che pone rimedio il dispositivo di tenuta dinamica inventivo, ora descritto con l'aiuto delle fig. 3 e 4.
Alla luce di quanto scaturito dall'analisi delle condizioni di lavoro e dei difetti che sono intrinseci nella configurazione nota del dispositivo di tenuta dinamica, nonché alla luce dei problemi rilevati nella pratica, la depositante ha sviluppato una nuova soluzione realizzativa per detto equipaggiamento il cui principio di funzionamento utilizzi diversi fattori disponibili per incrementare l'efficacia e l'efficienza del controllo della depressione.
Nelle fig. 3 e 4, che rappresentano il dispositivo inventivo in alzata longitudinale e, rispettivamente, in una sezione trasversale, tutte le parti che sono uguali a quelle usate nel dispositivo delle fig. 1 e 2 vengono indicate con gli stessi numeri di riferimento.
La differenza fondamentale tra la soluzione dello Stato della Tecnica e quella inventiva consiste nel fatto che i mezzi di regolazione della potenza di aspirazione della cappa di tenuta dinamica 9 comprendono un ventilatore 19 ruotante con velocità di rotazione costante ed una valvola di strozzatura 20 che regola la sezione di passaggio dell'aria aspirata dalla cappa di tenuta dinamica 9 in modo da mantenere la differenza di pressione DELTA p tra la pressione statica S1 agente nella tubazione di aspirazione dei fumi 6 e la pressione statica S2 agente nella cappa di tenuta dinamica 9 inferiore ad un valore massimo predeterminato.
L'impiego di un ventilatore 19 che ruota sempre alla stessa velocità, eliminando tutti i problemi legati alla inerzia del ventilatore ed alla regolazione conosciuti nello Stato della Tecnica, e l'adozione, per regolare la portata del ventilatore 19, di una valvola di strozzatura 20 lavorante in pratica con una inerzia trascurabilmente ridotta, permettono di realizzare un dispositivo di tenuta dinamica 8 che reagisce istantaneamente ad ogni variazione di DELTA p dovuta a qualsiasi motivo, permettendo quindi di mantenerlo costante e, conseguentemente, di sceglierlo inferiore a quello usuale dello Stato della Tecnica, ad esempio inferiore, come previsto in una forma preferita di realizzazione dell'invenzione, a 20 Pa.
Un DELTA p ridotto significa poi, come già abbondantemente descritto, una riduzione dell'aria aspirata nella tubazione di aspirazione dei fumi 6 e quindi un grande risparmio di mezzi.
Secondo una prima variante di realizzazione dell'invenzione, la valvola di strozzatura 20 è poi disposta a valle del ventilatore 19 della cappa di tenuta dinamica 9. Nella descrizione dello Stato della Tecnica si è visto come il pericolo di incaglio del materiale nel canale di trasporto 2, ed in particolare all'uscita dell'apertura di raccordo del dispositivo di tenuta dinamica 9 nel canale di trasporto 2, sia molto elevato, soprattutto se, per ottenere un migliore effetto di tenuta, si tende ad abbassare, come appunto fatto nella costruzione nota, il cielo del canale 2.
Per ovviare a questa difficoltà, la presente invenzione prevede, secondo una ulteriore forma di realizzazione preferita, che la cappa di tenuta dinamica 9 costituisca una unità costruttiva I con i mezzi di chiusura regolabili 17 min , 17 min min , rispettivamente 17 min min min , della sezione del canale 2 disposti tanto a monte che a valle della cappa di tenuta dinamica 9, e che tale unità costruttiva I è collegata mobilmente con la parte superiore del canale di trasporto 2 del rottame 7 mediante un sistema di sollevamento verticale, rappresentato schematicamente nella fig. 3, mediante due organi di sollevamento 21 min , 21 min min che possono essere ad esempio or gani idraulici, che permettono di far variare la distanza tra il canale di trasporto 2 del rottame 7 e l'unità costruttiva I.
Lo scopo di questo provvedimento è quello di eliminare efficacemente il pericolo di incaglio del rottame 7 nel canale 2: non appena tale pericolo viene detettato, in una maniera qualsiasi - una delle quali verrà meglio descritta più sotto - l'unità costruttiva I viene sollevata di un tratto L (nella fig. 3 le due posizioni estreme sono indicate, quella inferiore a tratti continui e quella superiore a trattini) ed il materiale non può più incagliarsi nell'apertura della cappa di tenuta dinamica 9. Naturalmente questo sollevamento provoca un disturbo notevole delle condizioni di aspirazione dei fumi e dell'aria, sicché è possi-bile che, dopo il sollevamento dell'unità 1, il regime di aspirazione non sia più controllabile ed i fumi possano eventualmente giungere, per breve tempo, anche nel dispositivo di tenuta dinamica 8.
Questo svantaggio momentaneo viene però accettato in vista del vantaggio molto più importante insito nell'arresto forzato dell'alimentazione di rottami al forno, arresto che provoca interventi di manutenzione ben più gravidi di conseguenze.
Secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, la corsa di sollevamento dell'unità costruttiva I è compresa tra 100 e 600 mm con una altezza del canale di circa 1000 mm.
Un'altra forma di realizzazione preferita dell'invenzione prevede poi che i mezzi di chiusura 17 min min min regolabili della sezione del canale 2 disposti a valle della cappa di tenuta dinamica 9 sono costituiti da una serranda mobile 22 incernierata in una cerniera 23. La serranda 22 si appoggia a lambire il colmo 5 di altezza variabile del flusso di rottame 7 trasportato nel canale 2. La serranda 22 viene inoltre premuta contro il colmo 5 del rottame 7, tramite un pistone idraulico 24, con una pressione costante. La serranda viene dunque da un lato a compattare il rottame 7 passante, livellandolo e migliorando così l'effetto di tenuta stagna del complesso serranda 22/rottame 7.
In molti casi la serranda 22 riesce così a premere verso il basso dei corpi singoli fuoriuscenti dal profilo 5 della superficie del rottame 7 ed a evitare che essi possano provocare l'incaglio del materiale contro lo spigolo 25 del canale. Inoltre è previsto che l'angolo di ribaltamento a della serranda 22 possa venir adoperato quale sensore di incaglio per pilotare gli organi di sollevamento 21 min , 21 min min dell'unità costruttiva I.
Se dunque un corpo metallico, quale una sbarra di ferro robusta, fuoriuscente dalla linea del colmo 5 del rottame 7 convogliato, non si lascia premere verso il basso dalla pressione della serranda 22, esso costringerà la serranda a ribaltarsi verso l'alto raggiungendo un angolo di ribaltamento a minimo previsto che, tastato da un sensore (non mostrato) provocherà l'arresto del dispositivo del trasporto di rottame 7 e l'allarme del personale di servizio. Ciò eviterà di danneggiare l'installazione e di creare delle situazioni di bloccaggio dell'alimentazione difficili da districare.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione preferita dell'invenzione, il ventilatore 19 della cappa di tenuta dinamica 9 è azionato tramite un motore elettrico asincrono 26 situato all'esterno della cappa 9 stessa e collegato con l'asse di rotazione della girante 27 mediante un organo di trasmissione flessibile 28, quale una catena o una cinghia piana o dentata. L'organo di trasmissione flessibile 28 circola su due pulegge (non mostrate) montate una sull'albero del motore 26 e l'altra sull'albero della girante 27. Il motore 26 è inventivamiente un motore asincrono a corrente alternata, imprimente alla girante 27 del ventilatore una velocità di rotazione essenzialmente costante. Grazie a tale fatto non c'è necessità di impiegare qui, rispetto alla soluzione dello Stato della Tecnica, alcun convertitore di frequenza, con conseguente risparmio economico.
Tuttavia la sostituzione delle pulegge permette di modificare la velocità di rotazione della girante 27 del ventilatore 19, dunque anche la forza di aspirazione della cappa di tenuta dinamica 9, entro certi limiti. La velocità di rotazione del ventilatore 19 rimane però essenzialmente costante durante il funzionamento del forno 1.
Un altro vantaggio che si ottiene secondo la forma di realizzazione sopradescritta è poi che il motore di azionamento 26 del ventilatore 19 è disposto esternamente al condotto di aspirazione del dispositivo di tenuta stagna 8, sicché esso risulta meno esposto agli inevitabili impolveramenti ed anche choc termici che possono sempre darsi soprattutto quando - come si è spiegato poc'anzi - l'unità costruttiva I viene sollevata per impedire l'incaglio del materiale e del fumo del forno può passare nel dispositivo di tenuta dinamica 8.
Un'altra forma preferita dell'invenzione, sempre rappresentata nella fig. 3, prevede inoltre che la serranda mobile 22 presenta, dal suo lato rivolto a valle nel senso di spostamento del rottame 7, un prolungamento avente la forma di settore circolare 29. Il settore circolare 29 sposa poi la forma interna della parete 30 della cappa di tenuta dinamica 9 disposto trasversalmente rispetto al senso di spostamento f1 del rottame 7 (vedi la freccia nelle fig. 2 e 3). Nella sua massima posizione abbassata (nella quale l'angolo a raggiunge il valore massimo possibile) il settore circolare 29 chiude il canale 2, poichè il suo spigolo anteriore viene a battere contro il fondo del canale, e separa così la tubazione di aspirazione dei fumi 6 dalla cappa di tenuta dinamica 9.
La funzione di questo prolungamento descritto corrisponde dunque a quella citata a proposito della serranda a cursore 18 dello Stato della Tecnica, ma è molto più semplice e meno costosa, poiché integrata completamente nell'elemento di chiusura 17 min min min disposto a valle del dispositivo inventivo 8 e non abbisogna di particolari dispositivi di azionamento.
Si noti ancora che, con 31, è indicato un elemento a soffietto che serve a chiudere lo spazio tra il settore circolare 29 e la parete 30 della cappa 9 quando il settore 29 è abbassato. Ciò diminuisce il pericolo che del materiale (polvere ecc.) possa penetrare tra il settore 29 e la parete 30 ed impedirne, alla lunga, il corretto funzionamento, Da notare, da ultimo, che la valvola di strozzatura 20, che costituisce uno degli elementi fondamentali nell'ambito della presente invenzione, viene azionata, in modo noto ad ogni uomo del mestiere, mediante uno dei molti sistemi conosciuti (non mostrati) che permettono di disporla rapidissimamente e con grande precisione in una qualsiasi richiesta posizione angolare, cioè di strozzatura. Tali sistemi possono essere idraulici, pneumatici o meccanici (motore a passi).
Da ultimo dalla fig. 4 si può vedere la conformazione dei mezzi di chiusura 17 min che, come gli analoghi elementi 17 min min , sono fatti di lamelle ribaltabili attorno ad un asse comune e si adeguano dunque, nella posizione, al profilo del colmo 5 del rottame 7, variabile tanto nel senso longitudinale del canale di trasporto 2 che nel suo senso trasversale.
Il dispositivo inventivo descritto permette, riassumendo, di ottenere un coerente utilizzo di tutti i fattori tecnici disponibili per realizzare un efficace, efficiente e rapido adeguamento delle condizioni di marcia, in funzione delle condizioni imposte dal letto di rottame.
Infatti esso permette di
- aumentare la velocità di variazione (ed è questo il vantaggio fondamentale del trovato) permettendo l'ottenimento di pressioni differenziali inferiori e quindi l'infiltrazione di minori volumi di aria nella tubazione di aspirazione dei fumi 6,
- utilizzare la possibilità di agire sulle sezioni di passaggio dell'aria, variando l'altezza del soffitto della cappa di tenuta dinamica 9,
- eliminare i rischi di incagli di rottame,
- introdurre una doppia frontiera fisica all'interno del dispositivo di tenuta dinamica 8, che permette al meglio la separazione tra l'atmosfera ed i fumi provenienti dal forno 1, lo stesso dispositivo (la serranda 22) agisce anche da compattatore/sensore dell'altezza del letto di rottame 7,
- eliminare le sollecitazioni cui è sottoposto il motore 26 del ventilatore 19,
grazie alla sua localizzazione esterna al condotto dell'aria, ciò che permette anche di far variare rapidamente il regime di rotazione della girante 27 del ventilatore senza l'impiego di convertitori statici di frequenza.
Così facendo si riduce al minimo possibile la superficie di infiltrazione dell'aria falsa al di sopra del letto di rottame 7 dalla parte dell'atmosfera libera. Al tempo stesso, sotto la serranda 22, vi è sempre una certa quota di rottame che crea una perdita di carico (azione di filtro) quanto più costante possibile data la lunghezza della zona di serranda che viene fatta strisciare sul rottame e che contribuisce al controllo della pressione prima del passaggio del rottame nel preriscaldatore.
La depressione esistente nel dispositivo di tenuta dinamica viene quindi effettivamente regolata attraverso la valvola di strozzatura 20 posta sul lato premente della girante 27 del ventilatore 19. La valvola di strozzatura 20 non viene poi installata sulla bocca aspirante del ventilatore 19 per evitare l'effetto distributore che la stessa avrebbe sul flusso inviato alla girante 27 e che porterebbe a pesanti perdite di rendimento del ventilatore 19.
Elenco della numerazione delle figure
1 Forno
2 Canale di trasporto
3 Estremità d'entrata del canale
4 Uscita del canale nel forno
5 Linea ondulata o colmo del rottame
6 Tubazione di aspirazione dei fumi
7 Rottame
8 Dispositivo di tenuta dinamica
9 Cappa di tenuta dinamica
10 Bocchettone fisso
11 Tubo
12 Ventilatore assiale
13 Motore elettrico
14 Girante del ventilatore 13
15 Camera
16 Parte superiore del canale
17 min , 17 min min , 17 min min min Mezzi di chiusura
18 Serranda a cursore
19 Ventilatore
20 Valvola di strozzatura
21 min ,
21 min min Organi di sollevamento
22 Serranda
23 Cerniera
24 Pistone idraulico
25 Spigolo del canale
26 Motore elettrico
27 Girante del ventilatore 19
28 Organo di trasmissione
29 Settore circolare
30 Parete
31 Elemento a soffietto
The present invention relates to a dynamic sealing device for continuous pre-heating feeding systems of the scrap to the melting furnace, as specified in the prologue of claim 1.
A melting furnace with continuous scrap feeding is for example known from the practice and marketed by the American company Triple / s Dynamics Inc., based in Dallas (Texas).
This furnace comprises a vibrating transport channel, in which the scrap is transported and a suction pipe for the fumes coming from the furnace, arranged along the transport channel near its feeding, so that the hot fumes coming from the furnace can lap or cross the scrap passing through the canal and thus preheating it. It should be noted immediately in this regard that the scrap worked in a similar furnace, deriving from the demolition of pre-existing works and artifacts, such as cars, has a structure and composition that is anything but homogeneous, and so much as regards the composition - which can vary according to the waste processed both in the content of metals and in other more or less polluting substances such as plastic etc. - that for its grain size.
The scrap worked in an oven like the one object of the present invention is therefore to be equated to an extremely porous material, composed much more of air than of metals (and in fact its specific weight is around 1 kg / dm <3>) whose content of polluting substances, for example potentially producing dioxins, furans etc., varies considerably, so that also the development of the fumes in the oven is subject to strong variations. Furthermore, the material is deposited on the vibrating channel normally not continuously, but for subsequent charges, so that the scrap bed is irregular also in its thickness, since high levels of material corresponding to the charges follow thinner areas between two successive charges.
This aspect is very important, as we shall see, since it is the cause of considerable difficulty in the operation of the known system, which is intended to be remedied with the present invention.
The clarification made just about the nature of the scrap transported in the canal is also important since it is learned from it that the material is to be considered permeable to air and far from being a homogeneous and compact mass.
Such a channel is therefore a tube open on both sides, that is, on one side, that of the power supply, open towards the atmosphere, while on the other it is open towards the oven, into which it freely flows, letting it fall continuously - and this is one of the fundamental characteristics of this continuous supply of scrap in the oven, for example an electric arc - the scrap in a bed of liquefied steel at the bottom of the oven. In the oven, therefore, fumes are formed in a continuous way, and the removal of these fumes through the feed channels of the scrap, in countercurrent, in order to preheat the fresh scrap, has the purpose, among other things, of reducing the consumption of the energy needed to liquefy the scrap.
Therefore, in such a construction, the problem arises of creating a dynamic sealing device (known with the English name of "Dynamic Seal") capable of creating a sealing effect that prevents fumes - meaning by this definition all the gases that they can develop during the melting of heterogeneous scrap containing, in addition to ferrous material, any other type of light and heavy metals as well as plastics, rubbers, etc., fumes which can therefore also present a high degree of toxicity - to escape freely in the atmosphere through the canal entrance opening. The dynamic sealing device, consisting of a suction hood which opens into the transport channel, is arranged between the entrance end of the channel and the mouth, in the channel, of the fume suction pipe and is equipped with suction means for the 'air.
The purpose of this device is to prevent polluting fumes from escaping from the scrap transport channel, rather than being conveyed, through the fumes suction pipe, to a treatment and filtering equipment in which, possibly after heating to temperatures between 950 and 1250 DEG for an appropriate time (+/- 2 sec) if their temperature is below these limits, the dioxins are crechised and made harmless. It should be borne in mind that, in principle, these plants are assimilated to waste thermal destruction plants, so that the strict laws in force regarding waste apply to them.
Such a dynamic sealing system must therefore meet some fundamental requirements, which are:
a) first of all ensure that the oven fumes can never escape from the channel from its entrance side and release themselves into the atmosphere. In other words: the watertight effect of the device towards the fumes must be guaranteed in all the working conditions of the channel and of the oven, even the most difficult, when there should for example be an extraordinary development of fumes in the oven and when the level of scrap in the channel should be temporarily scarce and therefore the channel relatively free for the passage of fumes,
b) the dynamic sealing effect of the device must work with the minimum of fresh air brought from the outside to the flue gas pipe, since with greater the volume of the gas to be treated (oven fumes and air from the outside)
and the higher the energy consumption necessary to treat the gases themselves, both in relation to their heating and to their filtering.
The aforementioned state of the art now has a dynamic sealing device having the following construction characteristics:
- the dynamic sealing suction hood sucks the fumes through an axial fan incorporated in the pipe with an AC motor driven on the frequency and keyed on the impeller shaft. By varying the rotation speed of the fan, the suction power varies, which is thus adapted to the momentary need of the system. The motor is controlled by a static frequency converter which is driven by two sensors measuring the pressure respectively inside the fume suction pipe and in the hood itself.
By comparing the two pressures, the control system should adjust the number of revolutions until the desired number of revolutions is reached in order to guarantee the optimum working conditions mentioned above and therefore to maintain these conditions,
- upstream and downstream of the extractor hood, closing means are arranged, consisting of rolling shutter shutters which rest on the free surface of the flow of the passing scrap, adapting to its variable height and thus closing - at least approximately - free section of the channel located above the scrap, so as to prevent too easy access of the fumes to the extractor hood on one side and external air to the extractor hood on the other,
- a complete closing bulkhead of the channel placed between the flue gas pipe and the suction hood,
designed to completely close the channel when there is no more scrap supply.
This known dynamic sealing device has some important disadvantages, which are
a) its reaction time is too long, i.e. it has excessive inertia. We have already said above that the fed scrap bed varies a lot as regards the size, the apparent density, the height of the pile in the channel and the conveying speed. It therefore happens that the system, presenting itself at a particular moment in a particular situation, should act in a very precise way.
This is determined by the sensors present: however, before the system can react, that is, before the extractor fan motor has had time to adjust its rotation speed, the situation in the transport channel has already changed radically, since the material has been advanced a certain distance so that it has found itself in a new position which would perhaps require a completely opposite reaction from the suction power of the fan.
At this point the reaction of the fan can be exactly opposite to that necessary in this second instant, so that the effect of the regulation is completely distorted.
During the discussion of the state of the art that follows, we will make a practical example to better illustrate this disadvantage of the state of the art:
for the moment, it is sufficient to consider that the system for regulating the power sucked by the fan by adjusting the number of revolutions of its motor keyed on the shaft and through a frequency converter is too inert with respect to the speed of displacement of the scrap in the channel and therefore of the suction conditions that the system should follow in order to work efficiently.
b) controlling the fan by means of a motor driven on the frequency is an expensive solution, since it requires the use of a frequency converter.
The object of the present invention is therefore the elimination of the main disadvantages of the device of the state of the art and in particular that of ensuring a regulation of the suction power of the fan of the sealing device provided with a minimum reaction time, so as to allow it to react with great immediacy to the variable conditions existing in the transport channel of the transported scrap. In addition, the system must be safe and efficient in operation, require little maintenance and be inexpensive.
All these objects are achieved in a dynamic sealing device having the characteristics of the characterizing part of claim 1.
Thanks to the fact that the means for regulating the suction power of the dynamic sealing hood comprise a rotating fan with constant rotation speed, therefore driven by a conventional asynchronous motor without a frequency converter, and a throttle valve that regulates the section of passage of the air sucked by the suction hood, so as to maintain the difference in pressure DELTA p between the static pressure acting in the fume suction pipe and the static pressure acting in the dynamic sealing hood lower than a predetermined maximum value, is achieved an extremely rapid system in reacting to the changing transport conditions of the reigning scrap in the channel, since a throttle valve can be operated with a very short reaction time,
not knowing it problems of acceleration and deceleration of mass in movement, which in turn allows to reduce the working DELTA p without running the risk - as in the construction of the State of the Art - of having insufficient aspiration to cope with emergency situations. These are, in fact, above all the situations in which the suction in the hood is temporarily too weak to avoid the escape of fumes from the channel towards the environment, so that, for safety reasons, you are always forced to work with a suction reserve, i.e. with a DELTA p higher than the optimal one. But this causes an expensive loss of energy.
Other advantages of the invention will be described in more detail with the help of a series of variants of embodiment thereof, illustrated by means of the following figures.
These show:
fig. 1 a general view of a scrap melting plant with continuous feeding and pre-heating according to the State of the Art, in which the dynamic sealing device known from the State of the Art is applied and represented in detail in fig. 2, as well as the inventive dynamic sealing device shown in detail in figs. 3 and 4;
fig. 2 a more enlarged detail, with respect to the representation of fig. 1, of the known dynamic sealing device with the dynamic sealing hood and the smoke suction pipe, in a schematic elevation view viewed longitudinally with respect to the transport channel;
Fig 3 the inventive dynamic sealing device in a schematic representation similar to that of fig. 2;
fig. 4 the inventive device of fig. 3 seen in a schematic representation of a cross section with respect to the longitudinal side of the channel.
Fig. 1 shows a scrap melting plant, such as those used in practice and supplied by Triple / s Dynamics Inc., of Dallas, USA, called Consteel and incorporating a dynamic sealing device (known with the general name of "Dynamic Seal" ), of which the present invention constitutes an improvement. In order to understand the operation of the present invention, it is necessary to refer to the operation of the entire casting plant, even if the dynamic sealing device forms only one component thereof.
In fig. 1 indicates a melting furnace, which can preferably be an arc furnace, in which a transport channel 2 opens, the length of which is considerable with respect to the size of the oven 1. In the transport channel 2, the scrap that is loaded at the end 3 of the channel by means of an alternative loading system, that is, normally with subsequent charges, it is conveyed by vibrations, i.e. with the known vibrating bed system which causes the regular and continuous advancement of the material from the feeding end 3 of the channel at exit 4 in the oven. In fig. 1 the outlet 4 is shown penetrating slightly into the interior of the furnace 1. This serves to cause the new scrap to fall on the liquefied steel covering the bottom of the furnace 1.
The wavy line 5 shows the normal course of the level of the scrap 7 in the channel 2, a trend which is "undulatory", that is, made of peaks and depressions, corresponding to the discontinuous charge feeding of the scrap 7 on the channel. The upper part of the channel 2, represented in the form of a tunnel, has no relationship with the present invention and therefore the description is omitted.
The fumes that develop in the oven 1, which is otherwise watertight and preferably kept - precisely to prevent any leakage of hot and polluting fumes into the atmosphere - in slight depression, are now sucked through the channel 2, according to the arrow F, from the suction generated in a flue gas suction pipe 6 connected to the channel 2 at a point more close to the inlet end of the channel 3 than to the outlet end 4. The passage of the fumes into the channel 2, countercurrent with the scrap 7 which it moves in the direction of the arrow F, causes it to preheat, so that the scrap falls into the oven after having assumed a minimum temperature.
The fume suction pipe 6 must now be equipped with a suction power, which must be accompanied by an equivalent heating and filtering capacity, sufficient to guarantee the effective removal of all the fumes from the oven 1 and from the channel 2 in every work situation. However, since the channel 2 is not closed in airtight manner on its inlet side 3, but only filled, and moreover imperfectly and variably, with a layer of scrap 7 permeable to air, it is necessary to adopt a device dynamic seal that prevents the suction acting in the pipe 7 from sucking a large quantity of air from the outside through the opening 3.
Without such a sealing device it is evident that, since the pressure losses in the duct are smaller from the short part of the duct 2 corresponding to the inlet 3 than those of the longest part blossoming in the oven 1, the suction in the pipe 6 would suck much more fresh air from the environment you smoke from the oven 1. This would compel you to unnecessarily oversize the capacity of the flue gas heating system - the heating required to eliminate the danger of dioxins - and that of the filtering system, which is also necessary to meet current requirements. concerning the emission of dust into the atmosphere. All this with serious energy detriment.
The dynamic sealing device, indicated with 8, is located between the inlet end 3 of the duct 2 and the inlet in the duct 2 of the fumes suction pipe 6, and is equipped with a suction whose function is to suck air from the surrounding environment, without however contributing to the suction action on the fumes of the pipe 6, so as to prevent the suction effect of the pipe 6 from exerting unlimitedly towards the outside. In theory, the dynamic sealing device 8 intends to create, between the pipe 6 and itself, a zone for separating the fumes from the air, precisely a dynamic sealing effect, in which the two gas streams, that of smoke coming from the oven 1 , that is, from the left, and that of the air coming from the environment, that is, from the right, balance without mixing.
The slightest change in this equilibrium situation would however result in the danger of smoke escaping from the watertight seal device 8, so that it is preferred to always work with a pressure difference DELTA p between the static pressure p1 acting in the pipe 6 and the static pressure p2 agent in the sealing device, with p1> of p2. In the known system described here, this DELTA p is usually chosen greater than 50 Pa, which, with the corresponding dimensions of the channel, gives rise to an amount of external air infiltrating the pipe 6 of about 25000 m <3> / h.
However, a DELTA p of this size is necessary to ensure, in any case, even under the most inconvenient operating conditions, that a quantity of air passes through the pipe 6 and be sure that smoke can never reach the dynamic sealing device 8. The reason for this reason is now better explained with the help of fig. 2, which shows in more detail the dynamic sealing device of the state of the art, with the problems it still entails.
The state-of-the-art dynamic sealing device consists of a dynamic sealing hood 9 connected with a fixed union 10 to the upper part of the channel 2. The hood 9 is connected at the top with a round outlet tube 11 in which a axial fan 12 with an electric motor 13 keyed directly on the rotation shaft of the impeller 14 of the fan 12. Downstream of the cylindrical tube 11 containing the fan there is then a conical vent pipe which introduces the air sucked by the fan directly into the atmosphere. The motor 13 is an alternating current motor controlled on the frequency by means of a static frequency converter not shown: the fan can thus be rotated at variable speed to increase or decrease the suction force of the fan 12, in order to adapt it to the momentary needs.
In a typical plant of this kind, high-power fans 12 are used, with considerable rotating masses, which by their nature require very specific reaction times. In other words, the regulation / fan system has its own physical inertia, the negative effects of which will be treated later.
The dynamic sealing hood forms, above the channel 2, a chamber 15 delimited below by the scrap bed 7 and laterally by the walls of the scrap sliding channel 2. Since the height of the scrap 7 in channel 2 is subject to large variations, so it is not possible to always work with channel 2 completely full of scrap as it would be desirable in itself to be able to guarantee constant aerodynamic conditions, we are forced to work with channel not completely full, so as to have a certain reserve to cover the power peaks corresponding to the individual loads of material on the channel.
To overcome, at least partially, these difficulties, the known dynamic sealing device provides for the use of adjustable closing means 17 min, 17 min min, 17 min min min of the free section of the channel 2 between the ridge 5 of the scrap flow and the top 16 of the canal. These closure means are made as lamellar walls arranged vertically and transversely to the direction of movement of the scrap in the channels. The individual slats of which the walls are made can overturn around a tipping axis common to all the slats of a wall and thus adapt to touch the surface of the scrap 7. This produces a certain closing effect, although it is clear that a such a closure can never be watertight, as more or less wide empty spaces remain between the individual slats.
On the other hand, it is useful to remember that the scrap 7 itself is an air permeable material, so that a perfectly hermetic closure of the free space between the scrap and the top of the channel would not entail the possibility of making the channel absolutely airtight. The presence of the closing means 17 min / 17 min min and 17 min min min arranged both upstream (those 17 min and 17 min min) and downstream (that 17 min min min) of the dynamic sealing hood 9, however, serves to contribute the aerodynamic separation of the fumes suction pipe 6 from the hood 9 and of the latter from the external environment. In fig. 2, a slider damper 18 can be distinguished, shown in its closed position in which it completely closes the channel between the dynamic sealing hood 9 and the smoke suction pipe 6.
This damper is normally open, and is closed, in the position shown in fig. 2, only when there is no scrap supply 7 in the channel but the furnace is in operation and therefore produces fumes which must be sucked from the pipeline 6. To prevent, in this case, the pipeline 6 sucks too much or mainly fresh air from the the end 3 of the empty channel 2 the slider damper 18 must be closed. In this case, air 6 can no longer enter the pipe 6, and it works in its ideal operating conditions, that is, by sucking only the fumes that they must be treated (heated and filtered).
The dynamic seal shown here works as follows.
By varying the rotation speed of the motor 13 of the fan 12, and consequently the volume of air removed from the chamber 15 and the relative depression created by the fan 12, the value of the depression existing in the chamber 15 itself is varied, which should allow to control both the direction and the extent of the air flow. The speed adjustment of the motor, which by its nature has a great inertia, takes place on the basis of the signals coming from a depression measurement system. This system (not shown in detail) consists of two sensors S1 and S2 respectively located inside the flue gas suction pipe 6 and in the chamber 15.
By comparing these two pressures thus detected, a pressure difference DELTA p is created, from which the control system should adjust the number of revolutions until the desired vacuum value is reached and therefore maintain it.
The limits of the dynamic sealing solution as implemented in the State of the Art are essentially constituted by the fact that one tries to control two different phenomena with a single device. Taking as a reference the axis of the impeller 14, symmetrically with respect to this, we find the two conditions in comparison. These, expressed in terms of pressures, are constituted by the atmospheric pressure environment and by the fume suction system, in a depression of about 200-300 Pa. To achieve the result, both conditions should be constant over time, what which in fact does not happen and cannot happen.
One of the elements that creates a significant disturbing action is the scrap bed 7, which varies in size, apparent density, height and conveying speed. The result is that the regulation system, which has its own considerable inertia due to both the complexity of the regulation ring and the aforementioned physical inertia of the motor-fan system 12, 13, has to simultaneously control phenomena of opposite sign. These occur at the borders where the closing means are located 17 min, 17 min min, respectively 17 min min min, less than the reaction time of the regulation ring. As a further impediment there is the uncertainty, also already described, of the air permeability factor of the scrap.
The infiltration of air through the scrap constitutes, in fact, the largest and most difficult to control portion.
The diversity of the phenomena is therefore caused by the passage of the scrap 7 through the two borders indicated above, so that it happens that the system adjusts on the basis of the flow of air that the scrap 7 causes in its forward motion towards the furnace 1. The The result is that a scrap gap passing under the inlet section of the dynamic sealing hood 9 causes an increase in the air passage section, consequently causing an increase in the speed and capacity of the intake fan 12, which however occurs with considerable delay.
The subsequent passage of the same gap through the border between the dynamic sealing hood 9 and the fumes suction pipes 6 causes the increase of the section available for the passage of the fumes towards the atmosphere and, given the considerable inertia of the system, there is effective collection of hot fumes from the duct.
The rapid alternation of the two extreme conditions also forces the fans (not shown) of the fume extraction system to a considerable amount of work for the disposal of the total flow oscillations induced in the fume extraction system, since the system of control is led to make the adjustment on the worst condition. This is identified by the greater passage surface and therefore by the lower resistance to infiltration, as it is this which governs the system, making the entire ring of dynamic seal unstable.
To decrease the instability of the system due to the factors described above, first of all the characteristic variables of the scrap 7 and the inertia of the system, the regulation ring is forced to operate with a relatively high differential pressure DELTA p. Doing so allows access to the fume extraction system to a considerable quantity of air, with a significant increase in its working conditions and with consequent undesired reduction of the fume temperature by dilution.
This also led to a reduction in the ceiling height of this chamber 15 from the scrap bed 7 in an attempt to minimize the total infiltration volume by reducing the total available surface. The desired effect of minimizing the infiltration surface is however largely canceled by the problems of stranding that occur at the passage of the scrap, rich in spikes and remarkably elastic, under a ceiling whose height is slightly higher than the nominal depth of the scrap bed 7.
The logical conclusion of the above is that the configuration of the dynamic sealing device in accordance with the state of the art described above would like to obtain control of the infiltration of false air by having only one element on which to act, consisting of the pressure difference DELTA p existing between the environment of the chamber 15 under the dynamic sealing hood 9 and the fumes suction pipes.
The above considerations, given the considerable permeability of the scrap, lead to the conclusion that the difference in pressure DELTA p existing between the dynamic sealing device 8 and the smoke suction pipes constitutes the primary control factor of the total volume of the infiltration. of false air.
The disadvantages of the dynamic sealing device known by the state of the art, just described, can be summarized as follows:
1 need to always work with a rather high DELTA p pressure difference, however greater than 50 Pa. This is to always be able to guarantee a sufficient DELTA p, even under the most negative aerodynamic operating conditions, so as to avoid that fumes can being sucked in by the dynamic sealing device 8 and dispersed freely in the atmosphere. A high DELTA p, however, means working on average with a greater quantity of air sucked in by the flue gas suction pipe 6, thus unnecessarily loading the flue gas system itself, the construction of which becomes more expensive and whose operation is more expensive.
2) acute danger of stranding of the scrap in the channel, especially at the exit of the watertight hood 9, due to the need to lower the upper wall of the hood 9. This causes large work interruptions.
These two disadvantages are remedied by the inventive dynamic sealing device, now described with the help of figs. 3 and 4.
In the light of what arose from the analysis of the working conditions and of the defects that are intrinsic in the known configuration of the dynamic sealing device, as well as in the light of the problems found in practice, the depositor developed a new construction solution for said equipment whose principle of operation uses different factors available to increase the effectiveness and efficiency of the depression control.
In figs. 3 and 4, which represent the inventive device in longitudinal elevation and, respectively, in a cross section, all the parts which are the same as those used in the device of figs. 1 and 2 are indicated with the same reference numbers.
The fundamental difference between the solution of the state of the art and the inventive one consists in the fact that the means for regulating the suction power of the dynamic sealing hood 9 comprise a fan 19 rotating with constant rotation speed and a throttle valve 20 which regulates the passage section of the air sucked in by the dynamic sealing hood 9 so as to maintain the pressure difference DELTA p between the static pressure S1 acting in the smoke suction pipe 6 and the static pressure S2 acting in the dynamic sealing hood 9 lower than a predetermined maximum value.
The use of a fan 19 that always rotates at the same speed, eliminating all the problems related to the inertia of the fan and the regulation known in the state of the art, and the adoption, to regulate the flow rate of the fan 19, of a throttle valve 20 working in practice with negligibly reduced inertia, allow to realize a dynamic sealing device 8 that reacts instantly to any variation of DELTA p due to any reason, thus allowing to keep it constant and, consequently, to choose it lower than the usual one of the State of the Technique, for example lower, as provided in a preferred embodiment of the invention, at 20 Pa.
A reduced DELTA p then means, as already abundantly described, a reduction of the air sucked into the smoke suction pipe 6 and therefore a great saving of means.
According to a first variant embodiment of the invention, the throttle valve 20 is then arranged downstream of the fan 19 of the dynamic sealing hood 9. In the description of the State of the Technique, it has been seen that the danger of getting stuck in the transport channel 2, and in particular at the outlet of the connection opening of the dynamic sealing device 9 in the conveyor channel 2, is very high, especially if, in order to obtain a better sealing effect, it tends to lower, as in fact in the construction note, the sky of channel 2.
To overcome this difficulty, the present invention provides, according to a further preferred embodiment, that the dynamic sealing hood 9 constitutes a construction unit I with the adjustable closing means 17 min, 17 min min, respectively 17 min min min, of the section of the channel 2 arranged both upstream and downstream of the dynamic sealing hood 9, and that this construction unit I is connected movably with the upper part of the transport channel 2 of the scrap 7 by means of a vertical lifting system, schematically represented in the fig. 3, by means of two lifting elements 21 min, 21 min min which can be for example hydraulic organs, which allow to vary the distance between the transport channel 2 of the scrap 7 and the construction unit I.
The purpose of this provision is to effectively eliminate the danger of stranding of scrap 7 in channel 2: as soon as this danger is detected, in any way - one of which will be better described below - the construction unit I is raised by a stretch L (in fig. 3 the two extreme positions are indicated, the lower one in continuous strokes and the upper one in dashes) and the material can no longer get stuck in the opening of the dynamic sealing hood 9. Of course this lifting causes a considerable disturbance the conditions of suction of the fumes and air, so that it is possible that, after lifting the unit 1, the suction speed can no longer be controlled and the fumes may eventually reach the sealing device for a short time dynamic 8.
This temporary disadvantage, however, is accepted in view of the much more important advantage inherent in the forced stop of the feeding of scrap to the furnace, a stop which causes maintenance operations that are far more serious than consequences.
According to a preferred embodiment of the invention, the lifting stroke of the construction unit I is between 100 and 600 mm with a channel height of about 1000 mm.
Another preferred embodiment of the invention further provides that the adjustable closing means 17 min min min of the section of the channel 2 arranged downstream of the dynamic sealing hood 9 are constituted by a movable shutter 22 hinged in a hinge 23. damper 22 rests on lapping the ridge 5 of variable height of the scrap flow 7 transported in the channel 2. The damper 22 is also pressed against the ridge 5 of the scrap 7, by means of a hydraulic piston 24, with constant pressure. The damper therefore compacts the through scrap 7 on one side, leveling it and thus improving the watertight effect of the damper 22 / scrap 7 assembly.
In many cases, the damper 22 is thus able to press downwards the individual bodies coming out from the profile 5 of the scrap surface 7 and to prevent them from causing the material to get stuck against the edge 25 of the channel. Furthermore, it is foreseen that the tilting angle a of the damper 22 can be used as a jamming sensor to drive the lifting members 21 min, 21 min min of the construction unit I.
If therefore a metal body, such as a sturdy iron bar, protruding from the ridge line 5 of the conveyed scrap 7, does not allow itself to be pressed downwards by the pressure of the damper 22, it will force the damper to overturn upwards reaching an angle overturning at minimum expected which, probed by a sensor (not shown), will cause the arrest of the scrap transport device 7 and the alarm of the service personnel. This will avoid damaging the installation and creating power-locking situations that are difficult to untangle.
According to a further preferred embodiment of the invention, the fan 19 of the dynamic sealing hood 9 is driven by an asynchronous electric motor 26 located outside the hood 9 itself and connected to the rotation axis of the impeller 27 by means of an organ flexible transmission 28, such as a chain or a flat or toothed belt. The flexible transmission member 28 circulates on two pulleys (not shown) mounted one on the motor shaft 26 and the other on the impeller shaft 27. The motor 26 is inventively an asynchronous alternating current motor impressing the impeller 27 of the fan an essentially constant rotation speed. Thanks to this fact, there is no need to use here, with respect to the state of the art solution, any frequency converter, with consequent economic savings.
However, the replacement of the pulleys allows to modify the rotation speed of the impeller 27 of the fan 19, therefore also the suction force of the dynamic sealing hood 9, within certain limits. However, the rotation speed of the fan 19 remains essentially constant during the operation of the oven 1.
Another advantage which is obtained according to the embodiment described above is that the drive motor 26 of the fan 19 is arranged outside the intake duct of the watertight seal device 8, so that it is less exposed to the inevitable dusts and also thermal shocks which they can always occur especially when - as explained above - the construction unit I is raised to prevent the jamming of the material and the smoke from the oven can pass into the dynamic sealing device 8.
Another preferred form of the invention, always represented in fig. 3, further provides that the mobile shutter 22 has, from its downstream side in the direction of displacement of the scrap 7, an extension having the shape of a circular sector 29. The circular sector 29 then marries the internal shape of the wall 30 of the hood dynamic seal 9 arranged transversely with respect to the direction of displacement f1 of the scrap 7 (see arrow in figs. 2 and 3). In its maximum lowered position (in which the angle a reaches the maximum possible value) the circular sector 29 closes the channel 2, as its front edge hits the bottom of the channel, and thus separates the flue gas suction pipe 6 from the dynamic sealing hood 9.
The function of this described extension therefore corresponds to that mentioned with regard to the slide damper 18 of the State of the Art, but it is much simpler and less expensive, since it is fully integrated in the closing element 17 min min min located downstream of the inventive device 8 and does not need particular actuation devices.
It should also be noted that, with 31, a bellows element is indicated which serves to close the space between the circular sector 29 and the wall 30 of the hood 9 when the sector 29 is lowered. This decreases the danger that material (dust etc.) can penetrate between the sector 29 and the wall 30 and prevent correct operation in the long run. Finally, it should be noted that the throttle valve 20, which constitutes one of the elements Fundamental in the context of the present invention, it is operated, in a manner known to every man of the trade, by means of one of the many known systems (not shown) which allow to place it very quickly and with great precision in any required angular position, i.e. throttling. These systems can be hydraulic, pneumatic or mechanical (stepper motor).
Finally from fig. 4 you can see the conformation of the closing means 17 min which, like the similar elements 17 min min, are made of flaps that can be folded around a common axis and therefore adapt, in the position, to the profile of the ridge 5 of the scrap 7, variable both in the longitudinal direction of the transport channel 2 and in its transverse direction.
The inventive device described allows, in summary, to obtain a coherent use of all the technical factors available to achieve an effective, efficient and rapid adjustment of the running conditions, according to the conditions imposed by the scrap bed.
Indeed it allows you to
- increase the speed of variation (and this is the fundamental advantage of the invention) allowing lower differential pressures to be obtained and therefore the infiltration of lower volumes of air into the smoke suction pipe 6,
- use the possibility of acting on the air passage sections, by varying the ceiling height of the dynamic sealing hood 9,
- eliminate the risks of scrap strings,
- introduce a double physical border inside the dynamic sealing device 8, which allows the best separation between the atmosphere and the fumes from the oven 1, the same device (the damper 22) also acts as a compactor / sensor of the height of the scrap bed 7,
- eliminate the stresses to which the motor 26 of the fan 19 is subjected,
thanks to its location outside the air duct, this also allows the rotation speed of the fan impeller 27 to vary rapidly without the use of static frequency converters.
In this way, the surface of infiltration of the false air above the scrap bed 7 on the side of the free atmosphere is reduced to the minimum possible. At the same time, under the damper 22, there is always a certain amount of scrap which creates a pressure drop (filter action) as constant as possible given the length of the damper zone which is slid on the scrap and which contributes to the control pressure before the scrap passes through the preheater.
The vacuum existing in the dynamic sealing device is then effectively regulated through the throttle valve 20 located on the pressing side of the impeller 27 of the fan 19. The throttle valve 20 is not then installed on the suction mouth of the fan 19 to avoid the distributor effect which it would have on the flow sent to the impeller 27 and which would lead to heavy performance losses of the fan 19.
List of numbering of figures
1 Oven
2 Transport channel
3 Channel entry end
4 Channel outlet in the oven
5 Corrugated or ridged line of scrap
6 Fume extraction pipe
7 Wreckage
8 Dynamic sealing device
9 Dynamic sealing hood
10 Fixed union
11 Pipe
12 Axial fan
13 Electric motor
14 Fan impeller 13
15 Room
16 Top of the canal
17 min, 17 min min, 17 min min min Closing means
18 Sliding damper
19 Fan
20 Throttle valve
21 min,
21 min min Lifting organs
22 Damper
23 Zipper
24 Hydraulic piston
25 Edge of the canal
26 Electric motor
27 Fan impeller 19
28 Transmission unit
29 Circular sector
30 Wall
31 Bellows element