IT201800004847A1 - Metodo di fusione in un forno elettrico ad arco e relativo apparato - Google Patents
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Description
Descrizione del trovato avente per titolo:
"METODO DI FUSIONE IN UN FORNO ELETTRICO AD ARCO E RELATIVO APPARATO"
CAMPO DI APPLICAZIONE
Il presente trovato si riferisce ad un metodo di fusione in un forno elettrico ad arco ed al relativo apparato di fusione.
In particolare, il presente trovato si applica nell’ambito di forni elettrici impiegati per la fusione di materiali metallici.
Forme realizzative preferite del presente trovato, seppur non limitative, sono rivolte a forni elettrici ad arco di tipo trifase.
STATO DELLA TECNICA
Il ciclo di fusione di un forno ad arco prevede, normalmente, le seguenti fasi operative:
- carica nel forno di materiale metallico, solitamente rottame, mediante ceste a scarico dall’alto, o mediante apparati di trasporto a carica continua alimentati con rottame e/o ferro preridotto (DRI);
- generazione dell’arco elettrico; durante la quale gli elettrodi vengono abbassati verso il materiale metallico fino ad innescare l’arco elettrico di fusione che si genera tra l’estremità di questi ultimi ed il materiale da fondere;
- perforazione dello strato di materiale metallico tramite l’arco elettrico generato, durante la quale ha inizio la fusione vera e propria dei rottami per portarli alla completa fusione;
- formazione del bagno metallico fuso;
- affinazione del materiale fuso per regolare la temperatura del bagno e il contenuto di carbonio dell’acciaio e/o definire una voluta composizione dell’acciaio mediante l’aggiunta di componenti chimici; - spillaggio del materiale fuso presente nel forno elettrico, previa eventuale scorifica.
Le operazioni di carica, generazione dell’arco elettrico, e perforazione possono essere ripetute più volte durante un singolo ciclo di fusione. Ad esempio dopo una prima carica di materiale metallico nel forno e la fusione di tale carica, si può prevedere l’introduzione di un’ulteriore carica di materiale metallico, e la successiva fusione anche di questa, prima di procedere con l’affinazione del materiale fuso.
Nel caso di processo di fusione con carica continua, il ciclo di fusione sopra descritto è diverso e si prevede, in genere, il caricamento di una prima cesta nel forno, la successiva fusione per generare un livello di piede liquido sufficiente e la successiva introduzione in continuo del materiale da fondere per il raggiungimento di un quantitativo voluto da spillare.
Durante le fasi di perforazione l’arco elettrico fra gli elettrodi e la carica di materiale metallico ha un comportamento molto instabile, che migliora progressivamente con l’avanzamento della fusione. Nel frattempo ciò provoca variazioni repentine e improvvise delle potenza assorbita che si ripercuotono negativamente anche sulla rete elettrica di alimentazione con possibili danneggiamenti delle utenze alimentate da quest’ultima.
Durante la perforazione e fusione, infatti, i rottami ammassati e non ancora fusi possono crollare sugli elettrodi generando condizioni di corto circuito che corrispondono ad una notevole riduzione della potenza attiva utile alle operazioni di fusione ed un rapido incremento della corrente assorbita dalla rete elettrica.
Con l’avanzare dalla fusione, ovvero quando l’arco è opportunamente schermato dal materiale solido o dal liquido schiumoso (scoria), il comportamento dell’arco elettrico diventa via via più stabile, permettendo in questo modo di aumentare la sua lunghezza, aumentando così anche la potenza termica trasferita al materiale da fondere. La tensione e la lunghezza dell’arco vengono regolate in funzione del processo di fusione ed in modo da evitare un’eccessiva usura del refrattario.
Prendendo in considerazione i suddetti comportamenti dell’arco elettrico durante il processo di fusione, pertanto è noto nella tecnica mantenere almeno durante le fasi di perforazione e di fusione un elevato valore di corrente per garantire che non vi sia un’interruzione, ovvero spegnimento, dell’arco ad esempio a causa di franamenti di rottame nel bagno fuso. Il valore medio di corrente dell’arco è tuttavia impostato al di sotto di una soglia massima dello stesso, ciò per evitare che eventuali picchi improvvisi dell’arco possano in qualche modo danneggiare i componenti elettrici dell’apparato di fusione.
Successivamente, durante le fasi di affmazione, è noto ridurre tale valore di corrente dell’arco ad esempio fra il 10% ed il 30% per evitare un’usura eccessiva degli elettrodi, e dei rivestimenti di refrattario del forno, a causa dell’elevata temperatura che può essere indotta dagli elettrodi stessi per effetto di eventuali sbalzi di corrente che si possono verificare.
Per compensare questa riduzione della corrente, che comporta anche una riduzione dell’energia termica fornita al bagno di fusione, è noto aggiungere una considerevole quantità di composti chimici per generare delle reazioni endotermiche e generare uno strato di scoria sufficientemente spesso e tale di assicurare una copertura del bagno liquido fuso.
Lo strato di scoria, infatti, oltre a proteggere il bagno fuso dall’ossidazione, ha anche funzione di schermo protettivo contro la dissipazione termica del calore del bagno fuso.
Inoltre, la riduzione dell’intensità di corrente comporta una durata del ciclo di fusione, ovvero del tempo di power on, più elevato con elevati costi produttivi.
E uno scopo del presente trovato mettere a punto un metodo di fusione in un forno elettrico ad arco che aumenti l’efficienza del processo di fusione.
E pure scopo del trovato mettere a punto un metodo di fusione in un forno elettrico ad arco che permetta di ridurre il tempo di ciascun ciclo di fusione.
E pure uno scopo del presente trovato mettere a punto un metodo di fusione che permetta di aumentare la durata degli elettrodi e dei rivestimenti refrattari del forno.
È anche scopo del trovato mettere a punto un metodo di fusione che permetta di contenere i costi legati all’aggiunta di composti chimici per la generazione di scoria.
È anche uno scopo del presente trovato, realizzare un apparato di fusione che sia semplice ed economico.
E pure scopo del trovato realizzare un apparato di fusione che sia efficiente, e riduca i tempi di ciascun ciclo di fusione.
Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO
Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’ idea di soluzione principale.
In accordo con i suddetti scopi, un metodo di fusione, secondo il presente trovato, comprende:
- una fase di caricamento di materiale metallico solido in un forno elettrico di fusione;
- una fase di generazione di un arco elettrico fra almeno un elettrodo e il materiale metallico;
- una fase di perforazione del materiale metallico durante la quale l’elettrodo viene movimentato attraverso il materiale metallico;
- una fase di fusione del materiale metallico solido per l’ottenimento di materiale fuso, tale fase di fusione prevedendo di mantenere sostanzialmente costante nel tempo una corrente di alimentazione elettrica di detto arco elettrico ad un primo valore di corrente;
- una fase di affinazione di detto materiale fuso mediante l’aggiunta di composti di reazione.
Secondo un aspetto del presente trovato, durante detta fase di affinazione si prevede di aumentare la corrente di alimentazione elettrica di detto arco elettrico ad un secondo valore di corrente compreso fra 1,04 e 1,2 il primo valore di corrente.
In questo modo, a parità di tipologia di forno elettrico, e di potenze in gioco rispetto alla tecnica nota, un incremento della corrente di alimentazione dell’arco, comporta una contestuale riduzione della tensione di alimentazione dell’arco elettrico.
La tensione di alimentazione dell’arco elettrico è direttamente correlata alla lunghezza dell’arco elettrico dalla relazione empirica, messa a punto dalla Richiedente, Larco= Varco-35mm. Da ciò ne consegue che una riduzione della tensione dell’arco comporta anche una contestuale riduzione della lunghezza dell’arco elettrico. Tale riduzione della lunghezza dell’arco elettrico può essere ottenuta mediante una regolazione della posizione dell’ elettrodo nel forno elettrico.
La riduzione della lunghezza dell’arco permette di ridurre lo spessore di scoria da generare sopra il metallo fuso per proteggere l’arco elettrico stesso. Ciò permette di utilizzare meno composti chimici di reazione per la generazione della scoria, quali a solo titolo esemplificativo calce, carbone, ossigeno, con conseguente riduzione dei costi di affinazione. Inoltre, una minor quantità di scoria e di composti chimici di reazione con il metallo fuso permette anche di ottenere una maggiore resa del materiale fuso spillato rispetto a quanto caricato nel forno. La Richiedente ha inoltre sperimentato che il presente trovato permette una riduzione del tempo di ciclo di fusione.
Durante la fase di affinazione, grazie alla stabilità del processo, la corrente di alimentazione elettrica è piuttosto stabile nel tempo e meno soggetta a repentini aumenti o riduzioni. L’incremento di corrente, previsto nella fase di affinazione del metallo, permette di sfruttare la sua stabilità senza incorrere in un maggior tasso di consumo degli elettrodi. Inoltre, con il presente trovato, a parità di forno utilizzato rispetto alla tecnica nota, è possibile anche prevedere un incremento della potenza elettrica erogata agli elettrodi nella fase di affinazione, con una conseguente riduzione del tempo del ciclo di fusione.
Forme realizzative del trovato si riferiscono anche ad un apparato di fusione comprendente un forno elettrico ad arco nel quale introdurre materiale metallico e provvisto di almeno un elettrodo configurato per generare un arco elettrico verso il materiale metallico, ed un’unità di controllo e comando configurata per regolare almeno una corrente di alimentazione elettrica dell’arco elettrico.
Secondo un aspetto del presente trovato, l’apparato di fusione comprende un dispositivo di regolazione configurato per regolare almeno la corrente di alimentazione elettrica dell’arco elettrico durante almeno una fase di fusione ed una fase di affinazione ed in modo che la corrente di alimentazione venga mantenuta durante la fase di fusione ad un primo valore di corrente, e durante la fase di affinazione ad un secondo valore di corrente compreso fra 1 ,04 e 1 ,2 volte il primo valore di corrente.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fomite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:
- la fig. 1 è una illustrazione schematica di un apparato di alimentazione elettrica di un forno elettrico ad arco in accordo con forme realizzative del presente trovato;
- la fig. 2 illustra la variazione nel tempo della corrente di alimentazione elettrica dell’ arco nelle soluzioni note nello stato della tecnica (linea continua) e in due possibili realizzazioni in accordo con il presente trovato (linee tratteggiata e tratto punto), durante le fasi di carica, perforazione, fusione ed affinazione dell’ultima cesta di una colata;
- la fig. 3 illustra la variazione nel tempo della tensione elettrica dell’arco nelle soluzioni note nello stato della tecnica (linea continua) e in due possibili realizzazioni in accordo con il presente trovato (linee tratteggiata e tratto punto), durante le fasi di carica, perforazione, fusione ed affinazione dell’ ultima cesta di una colata;
- la fig. 4 illustra la variazione nel tempo della potenza elettrica media dell’arco nelle soluzioni note nello stato della tecnica (linea continua) e in due possibili realizzazioni in accordo con il presente trovato (linee tratteggiata e tratto punto), durante le fasi di carica, perforazione, fusione ed affinazione dell’ultima cesta di una colata;
- la fig. 5 illustra la variazione nel tempo della lunghezza dell’arco nelle soluzioni note nello stato della tecnica (linea continua) e in due possibili realizzazioni in accordo con il presente trovato (linee tratteggiata e tratto punto), durante le fasi di carica, perforazione, fusione ed affinazione dell’ultima cesta di una colata;
- la fig. 6 illustra la variazione nel tempo dello spessore della scoria nelle soluzioni note nello stato della tecnica (linea continua) e in due possibili realizzazioni in accordo con il presente trovato (linee tratteggiata e tratto punto), durante le fasi di carica, perforazione, fusione ed affinazione dell’ultima cesta di una colata.
Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE
Forme realizzative del presente trovato si riferiscono ad un apparato di fusione, indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 10 (fig.
2) e comprendente un forno elettrico 11 ad arco.
Il forno elettrico 11 comprende un contenitore 12, o tino, nel quale materiale metallico M viene introdotto per essere successivamente fuso. Il forno elettrico 11 è provvisto, inoltre, di almeno un elettrodo 13, nel caso illustrato tre elettrodi 13, configurati per innescare un arco elettrico attraverso il materiale metallico M e fonderlo.
Secondo forme realizzative del presente trovato, gli elettrodi 13 sono installati su dispositivi di movimentazione 14 configurati per movimentare selettivamente gli elettrodi 13 in avvicinamento/allontanamento al/dal materiale metallico M. La movimentazione degli elettrodi 13 permette di adeguare la posizione di questi ultimi in relazione alle specifiche fasi produttive. In particolare, regolando la posizione degli elettrodi 13 è possibile gestire anche la lunghezza degli archi elettrici che si instaurano fra gli elettrodi 13 ed il materiale metallico M.
In linea generale, i dispositivi di movimentazione 14 possono prevedere una movimentazione indipendente degli elettrodi 13 per permettere un controllo della lunghezza degli archi elettrici generati da ciascuno di questi ultimi.
In soluzioni realizzative preferite la posizione degli elettrodi 13 viene regolata in modo che gli archi elettrici generati dagli elettrodi 13 siano sostanzialmente uguali fra loro, ovvero non vi siano sbilanciamenti di fase fra i diversi elettrodi.
I dispositivi di movimentazione 14 possono essere scelti in un gruppo comprendente almeno uno fra un attuatore meccanico, un attuatore elettrico, un attuatore pneumatico, un attuatore idraulico, un meccanismo articolato, un cinematismo meccanico, organi simili ed assimilabili o una possibile combinazione dei precedenti.
In accordo con una possibile soluzione realizzativa del presente trovato, nel caso in cui il numero di elettrodi 13 sia tre, ciascuno di essi è collegato ad una rispettiva fase elettrica di alimentazione.
In accordo con forme realizzative del presente trovato, l’apparato di fusione 10 comprende almeno un trasformatore 15 collegato, direttamente o indirettamente, ad una rete elettrica 16 di alimentazione di una tensione alternata di rete Ur e una corrente alternata di rete Ir e configurato per trasformare la tensione Ur e corrente alterna di rete Ir, in una tensione alternata di base Ub e una corrente alternata di base Ib. Secondo una possibile soluzione realizzativa del trovato, la rete elettrica 16 può essere trifase.
La tensione di base “Ub”, e la corrente di base “Ib” sono predefmite e impostate dalle caratteristiche di progetto del trasformatore 15 stesso, ovvero dal rapporto di trasformazione di quest’ultimo.
Il trasformatore 15, ad esempio del tipo multi-tap, può essere provvisto di dispositivi di regolazione, non illustrati, previsti per regolare selettivamente il rapporto di trasformazione elettrico del trasformatore 15 in relazione alle specifiche esigenze.
L’apparato 10, secondo il presente trovato, comprende, inoltre, una pluralità di raddrizzatori 19 collegati al trasformatore 15 e configurati per trasformare la tensione Ub e corrente alternata di base Ib in tensione e corrente in continuo.
Nello specifico, i raddrizzatori 19 permettono di raddrizzare la tensione Ub e la corrente di base Ib, alternata, in rispettive tensioni e correnti continue.
I raddrizzatori 19 possono essere scelti in un gruppo comprendente un ponte a diodi e un ponte a tiristori.
In accordo con una possibile soluzione realizzativa, i raddrizzatori 19 comprendono dispositivi, ad esempio scelti in un gruppo comprendente Diodi, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GTO (Gate Turn-Off thyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Tyristor), MCT (Metal-Oxide Semiconductor Controlled Tyristor), BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) e IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor).
In accordo con un ulteriore aspetto del trovato, l’apparato 10 comprende una pluralità di convertitori 20 collegati ai raddrizzatori 19 e configurati per convertire la tensione e corrente in continuo in una tensione di alimentazione “Ua”, ed una corrente di alimentazione “Ia”, degli elettrodi 13.
La tensione di alimentazione “Ua”, e la corrente di alimentazione “Ia”, vengono selettivamente regolate secondo le modalità di seguito descritte.
In accordo con una possibile soluzione realizzativa, i convertitori 20 comprendono dispositivi, ad esempio scelti in un gruppo comprendente SCR (Silicon Controlled Rectifier), , GTO (Gate Turn -Off thyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Tyristor), MCT (Metal-Oxide Semiconductor Controlled Tyristor), BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), e IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor).
I convertitori 20 sono collegati agli elettrodi 13 del forno di fusione 11 e ad un’unità di controllo e comando 21 configurata per controllare e comandare il funzionamento dei convertitori 20 e per regolare nel tempo la tensione di alimentazione Ua e la corrente di alimentazione la degli elettrodi 13.
Nello specifico l’unità di controllo e comando 21 controlla i suddetti convertitori 20 in modo da selettivamente impostare i parametri della suddetta energia elettrica di alimentazione alternata.
In accordo con un aspetto del presente trovato, l’unità di controllo e comando 21 è provvista di dispositivi di regolazione 22 configurati per regolare la corrente elettrica di alimentazione “Ia” e la tensione elettrica di alimentazione “Ua” dell’energia elettrica di alimentazione alternata. In accordo con possibili soluzioni realizzative del presente trovato, i dispositivi di regolazione 22 possono comprendere a solo titolo esemplificativo.
In accordo con possibili soluzioni realizzative, i raddrizzatori 19 possono essere collegati ai convertitori 20 mediante almeno un circuito intermedio 23.
Tale circuito intermedio 23 lavora in corrente continua e può comprendere, a solo titolo esemplificativo un DC-link.
Il circuito intermedio 23 è configurato per immagazzinare energia elettrica in continuo e generare una separazione tra gli elettrodi 13 e i raddrizzatori 19, e pertanto con la rete elettrica 16.
In particolare, le fluttuazioni rapide di potenza derivanti dal processo vengono in parte filtrate tramite il circuito intermedio 23 riducendone l’impatto lato rete elettrica 16.
L’unità di controllo e comando 21 può essere collegata, a sua volta, anche al dispositivo di movimentazione 14 per permettere una regolazione della posizione degli elettrodi 13 in relazione alle diverse fasi di processo di fusione.
In particolare, gli elettrodi 13 vengono movimentati dal dispositivo di movimentazione 14 per inseguire la posizione del materiale e pertanto modificare la lunghezza dell’arco.
In questo modo l’unità di controllo e comando 21 può gestire e comandare, in relazione alle specifiche fasi del processo almeno i seguenti parametri: tensione di alimentazione Ua, corrente di alimentazione la, e posizione degli elettrodi 13.
L’elevata possibilità di controllo dei diversi parametri permette di ottimizzare il trasferimento di energia al processo e al contempo una riduzione degli effetti sulla rete elettrica 16 derivanti dalle rapide variazioni di potenza lato forno.
In accordo con possibili forme realizzative del presente trovato, l’unità di controllo e comando 21 può essere configurata per regolare anche la frequenza elettrica di alimentazione “fa” della suddetta energia elettrica di alimentazione.
Secondo possibili soluzioni realizzative, il trasformatore, i raddrizzatori 19, collegati al trasformatore 15, ed i convertitori 20 definiscono nel loro insieme un modulo di alimentazione 24.
In accordo con una possibile forma realizzativa del trovato, l’apparato 10 può essere provvisto di una pluralità di moduli di alimentazione 24, collegati in parallelo fra loro, ed alla rete elettrica 16 ed al forno elettrico 11.
La combinazione di più moduli di alimentazione 24 permette di ottenere un apparato di fusione 10 scalabile come dimensioni in relazione alla specifica taglia del forno elettrico 11 che deve essere alimentato. In accordo con una possibile soluzione realizzativa, l’unità di controllo e comando 21 è collegata a tutti i moduli di alimentazione 24 per controllare almeno i rispettivi convertitori 20 in modo che ciascun modulo fornisca gli stessi valori di tensione Ua, corrente la, e frequenza elettrica “fa” di alimentazione agli elettrodi 11. In questo modo è possibile evitare malfunzionamenti dell’intero sistema.
Secondo una possibile soluzione realizzativa, fra la rete elettrica 16 e i moduli di alimentazione 24 può essere interposto un ulteriore trasformatore 25 previsto per convertire l’energia elettrica di rete in un’energia elettrica da alimentare ai moduli di alimentazione 24.
Forme realizzative del trovato si riferiscono anche ad un metodo di fusione che comprende una fase di caricamento di materiale metallico M in forma solida nel forno elettrico 11.
La fase di caricamento può essere eseguita con l’impiego di ceste di carico che prevedono di inserire nel forno elettrico 11 una predefinita quantità di materiale metallico M.
Secondo possibili varianti realizzative, tale fase di caricamento del materiale metallico M può avvenire sostanzialmente in continuo, ad esempio mediante l’ausilio di trasportatori vibranti o a nastro.
Nel caso di caricamento sostanzialmente in continuo, si può prevedere che prima dell’ inizio della fase di perforazione venga effettuato un caricamento di una predefinita quantità di materiale metallico M, che è una frazione della quantità complessiva che verrà caricata nel forno elettrico 11. Tale caricamento può essere effettuo mediante una o più ceste o mediante gli stessi convogliatori utilizzati per la carica continua. Successivamente viene dato avvio alla fase di perforazione. Durante la fase di perforazione e la fase di fusione si prevede un caricamento sostanzialmente in continuo di ulteriore materiale metallico M nel forno elettrico 11, che si protrae fino all’ inizio, o poco prima, della fase di affinazione del materiale metallico M.
Sebbene nel prosieguo della descrizione, e con riferimento alle figg. 2-6, si faccia riferimento ad un processo con carica discontinua, non si esclude che tali considerazioni, nonché gli andamenti dei parametri identificati nella figg. 2-6 possano essere adottati anche per il processo di fusione con carica in continuo.
Nel caso di processo di fusione con carica in continuo, la fase di fusione del materiale metallico, ha una durata maggiore rispetto a quella illustrata nelle figg. 2-6. A solo titolo esemplificativo, nel caso di caricamento in continuo la durata della fase fusione è almeno tre volte la durata della fase di affinazione.
Il metodo secondo il presente trovato prevede, inoltre, una fase di generazione di un arco elettrico fra ciascuno degli elettrodi 13 ed il materiale metallico M per avviare così una fase di fusione di quest’ultimo.
In accordo con un aspetto del presente trovato, detta fase di fusione del materiale metallico M solido permette di ottenere materiale fuso, e durante tale fusione si prevede di mantenere sostanzialmente costante nel tempo la corrente elettrica di alimentazione la ad un primo valore di corrente I1 (fig. 2).
A solo titolo esemplificativo il primo valore di corrente I1 può essere compreso fra 40 kA e 70kA per un forno elettrico da 100 ton.
In accordo con possibili forme realizzative del trovato fra la fase di generazione dell’arco elettrico e la fase di fusione è prevista una fase di perforazione del materiale metallico durante la quale, gli elettrodi 13 vengono movimentati attraverso il materiale metallico M determinando la sua conseguente fusione. Via via che il materiale metallico M si fonde gli elettrodi 13 penetrano nella parte ancora solida del materiale metallico M per fonderla progressivamente. Quando gli elettrodi 13 raggiungono una posizione interna al contenitore 12, inizia la fusione vera e propria del rimanente materiale metallico M che circonda gli elettrodi 13.
In accordo con una possibile soluzione realizzativa, la fase di perforazione e la fase di fusione possono essere ripetute più volte prima dell’affinazione finale del materiale fuso e fra esse è prevista una fase di caricamento di ulteriore materiale metallico M nel forno elettrico 11. In questo modo è possibile ottenere un caricamento completo del forno elettrico 1 1 fino al raggiungimento della sua capienza complessiva.
Durante la fase di perforazione, la corrente di alimentazione “la” viene mantenuta sostanzialmente uguale al suddetto primo valore di corrente II (fig. 2), mentre la tensione di alimentazione “Ua” ha un valore compreso fra 0,3 e 0,7, preferibilmente fra 0,4 e 0,6 volte la tensione di alimentazione Ua applicata durante la fusione (fig. 3). Da ciò consegue che anche la potenza media di alimentazione elettrico (fig. 4) ha un andamento sostanzialmente analogo a quello della tensione di alimentazione Ua.
Durante la fase di perforazione, il mantenimento di una potenza elettrica contenuta permette di compensare eventuali sbalzi di potenza che potrebbero verificarsi a causa di eventuali cortocircuiti fra gli elettrodi 13. Ciò evita il danneggiamento della componentistica elettrica dell’apparato di fusione 10.
La lunghezza dell’arco elettrico (fig. 5), durante la fase di perforazione, è compresa fra 0,3 e 0,7 volte la lunghezza dell’arco elettrico presente durante la fase di fusione. Ciò evita che durante la fase di perforazione vi sia uno spegnimento non voluto dell’arco elettrico con conseguente riduzione dell’efficienza di fusione.
A seguito della completa fusione del materiale metallico M, è prevista l’affinazione del materiale fuso che prevede l’aggiunta, in quest’ultimo, di composti di reazione.
Tali composti di reazione possono comprendere, a solo titolo esemplificativo, carbone, calce, ossigeno, elementi di lega come nichel, cromo, molibdeno, vanadio, silice, o simili.
I composti di reazione possono essere previsti per modificare la composizione del materiale fuso e per generare uno strato di scoria protettiva che si dispone sopra ed a protezione del materiale fuso.
Lo strato di scoria, infatti, genera una barriera contro l’ossidazione del materiale metallico fuso, e funge da schermo contro l' irradiazione del calore verso l’esterno.
In accordo con un aspetto del presente trovato, durante l’affinazione si prevede di aumentare la corrente di alimentazione “Ia” elettrica dell’arco elettrico ad un secondo valore di corrente 12 (fig. 2) che è compreso fra 1,04 e 1,2 volte il primo valore di corrente I1 previsto durante la fusione. Tale incremento della corrente di alimentazione I1 permette di aumentare l’apporto termico fornito dagli elettrodi 13 durante la fusione. Secondo una possibile soluzione realizzativa del trovato, il secondo valore di corrente 12 è compreso fra 1,05 e 1,15 volte il primo valore di corrente I1 previsto durante la fusione.
In accordo con una prima forma realizzativa del presente trovato, riportata nelle figg. 2-6 con linea tratto punto, si prevede che durante la fusione la tensione di alimentazione Ua venga mantenuta ad un primo valore di tensione U1, e che durante la fase di affinazione venga mantenuta ad un secondo valore U2 compreso fra 0,6 e 0,85 volte il primo valore di tensione U1.
In accordo con tale prima forma realizzativa (fig. 4), durante la fase di affinazione si prevede di ridurre la potenza elettrica alimentata agli elettrodi 13 di un valore compreso fra il 7% e il 15% rispetto alla potenza elettrica alimentata agli elettrodi 13 durante la fase di fusione.
Una riduzione della tensione di alimentazione Ua durante la fase di affinazione permette di ridurre la lunghezza dell’arco elettrico rispetto alla lunghezza applicata durante la fase di fusione.
A solo titolo esemplificativo, si può prevedere che la lunghezza dell’arco elettrico durante la fase di affinazione sia compresa fra 0,6 e 0,85 volte la lunghezza dell’arco durante la fase di fusione.
Tale riduzione della lunghezza dell’arco permette di incrementare l' efficienza di trasmissione della corrente verso il metallo fuso e pertanto aumenta l’efficienza di riscaldamento.
Una riduzione della lunghezza dell’arco fra la fase di fusione e quella di affinazione permette di ridurre lo spessore dello strato di scoria sopra il metallo fuso. Ciò permette di ridurre la quantità di composti di reazione da introdurre nel forno elettrico ed al tempo stesso permette anche di aumentare la resa del materiale metallico M introdotto nel forno elettrico 11.
Secondo una possibile soluzione realizzativa del trovato, lo strato di scoria durante la fase di affinazione ha uno spessore compreso fra 0,5 e 0,85 volte lo spessore dello strato di scoria previsto durante la fase di fusione.
In accordo con una seconda forma realizzativa del trovato, riportata nelle figg. 2-6 con linea tratteggiata, si prevede che la tensione di alimentazione Ua degli elettrodi 13 venga regolata in modo che la potenza elettrica applicata agli elettrodi 13 durante la fase di affinazione sia compresa fra 0,9 e 1,1 volte la potenza elettrica applicata agli elettrodi durante la fase di fusione.
Tale soluzione realizzativa del presente trovato permette di ridurre il tempo del ciclo di fusione di circa il 3% con un risparmio energetico annuale piuttosto rilevante.
Secondo tale soluzione realizzativa si può prevedere che la tensione di alimentazione Ua durante detta fase di fusione sia mantenuta ad un primo valore di tensione U1 ed in detta fase di affinazione ad un secondo valore di tensione U2 compreso fra 0,8 e 0,95 volte il primo valore di tensione U1.
In accordo con tale seconda forma realizzativa, si può prevedere che il secondo valore di corrente 12 sia compreso fra 1,12 e 1,17 il primo valore di corrente I1.
Secondo tale soluzione realizzativa, si può prevedere che la lunghezza dell’arco elettrico durante la fase di affinazione sia compresa fra 0,8 e 0,95 volte la lunghezza dell’arco durante la fase di fusione.
In accordo con tale seconda soluzione realizzativa, lo strato di scoria, durante la fase di affinazione, ha uno spessore compreso fra 0,8 e 0,95 volte lo strato di scoria previsto durante detta fase di fusione.
Nelle tabelle 1-6 sotto riportate viene illustrato un confronto fra i diversi parametri elettrici di funzionamento di un apparato di fusione in accordo con lo stato della tecnica, in accordo con la prima realizzazione e con la seconda realizzazione sopra descritte secondo il presente trovato. Nello specifico i valori riportati si riferiscono tutti ad un apparato di fusione con un forno di fusione avente una capacità di 100 tonnellate. Tabella 1
Tabella 2
Tabella 3
Tabella 4
Tabella 5
Tabella 6
E chiaro che al metodo di fusione ed al relativo apparato 10 fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall’ambito del presente trovato.
E anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti del metodo di fusione e del relativo apparato 10, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito.
Nelle rivendicazioni che seguono, i riferimenti tra parentesi hanno il solo scopo di facilitare la lettura e non devono essere considerati come fattori limitativi per quanto attiene all’ambito di protezione sotteso nelle specifiche rivendicazioni.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo di fusione comprendente: - una fase di caricamento di materiale metallico (M) solido in un forno elettrico (11); - una fase di generazione di un arco elettrico fra almeno un elettrodo (13) e il materiale metallico (M); - una fase di perforazione del materiale metallico durante la quale detto elettrodo (13) viene movimentato attraverso detto materiale metallico (M); - una fase di fusione del materiale metallico (M) solido per l’ottenimento di materiale fuso, detta fase di fusione prevedendo di mantenere sostanzialmente costante nel tempo una corrente di alimentazione (Ia) elettrica di detto arco elettrico ad un primo valore di corrente (I1); - una fase di affmazione di detto materiale fuso mediante l’aggiunta di composti di reazione, caratterizzato dal fatto che durante detta fase di affinazione si prevede di aumentare la corrente di alimentazione (Ia) elettrica di detto arco elettrico ad un secondo valore di corrente (I2) compreso fra 1,04 e 1,2 volte il primo valore di corrente (I1).
- 2. Metodo di fusione come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto secondo valore di corrente (I2) è compreso fra 1,05 e 1,15 volte detto primo valore di corrente (I1).
- 3. Metodo di fusione come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che a detto almeno un elettrodo (13) viene applicata una tensione di alimentazione (Ua), e che durante detta fase di fusione detta tensione di alimentazione (Ua) viene mantenuta ad un primo valore di tensione (U1) e in detta fase di affinazione ad un secondo valore di tensione (U2) compreso fra 0,6 e 0,85 volte detto primo valore di tensione (U1).
- 4. Metodo di fusione come nella rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che durante la fase di affmazione si prevede di ridurre la potenza elettrica alimentata agli elettrodi (13) di un valore compreso fra il 7% e il 15% rispetto alla potenza elettrica alimentata agli elettrodi (13) durante la fase di fusione.
- 5. Metodo di fusione come nella rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che la lunghezza dell’arco elettrico durante detta fase di affinazione è compresa fra 0,6 e 0,85 volte la lunghezza dell’arco durante detta fase di fusione.
- 6. Metodo di fusione come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, caratterizzato dal fatto che uno strato di scoria viene generato sopra detto materiale fuso, e che, durante la fase di affinazione, lo spessore di detto strato di scoria è compreso fra 0,5 e 0,85 volte lo spessore dello strato di scoria previsto durante detta fase di fusione.
- 7. Metodo di fusione come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che si prevede di regolare la tensione di alimentazione (Ua) elettrica di detto almeno un elettrodo (13) in modo che la potenza elettrica applicata a detto elettrodo (13) durante la fase di affinazione è compresa fra 0,9 e 1,1 volte la potenza elettrica applicata a detto elettrodo (13) durante la fase di fusione.
- 8. Metodo di fusione come nella rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la lunghezza dell’arco elettrico durante detta fase di affinazione è compresa fra 0,8 e 0,95 volte la lunghezza dell’arco durante detta fase di fusione.
- 9. Metodo di fusione come nella rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che detto strato di scoria, durante detta fase di affinazione, ha uno spessore compreso fra 0,8 e 0,95 volte lo spessore dello strato di scoria previsto durante detta fase di fusione.
- 10. Metodo come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in detta fase di perforazione detta corrente di alimentazione (Ia) viene mantenuta sostanzialmente uguale a detto primo valore di corrente (I1) e detta tensione di alimentazione (Ua) ha un valore compreso fra 0,3 e 0,7 volte la tensione di alimentazione (Ua) applicata durante la fusione.
- 11. Apparato di fusione comprendente un forno elettrico (1 1) ad arco nel quale introdurre materiale metallico (M) e provvisto di almeno un elettrodo (13) configurato per generare un arco elettrico verso detto materiale metallico (M), ed un’unità di controllo e comando (21) configurata per regolare almeno una corrente di alimentazione (la) elettrica di detto arco elettrico, caratterizzato dal fatto che comprende un dispositivo di regolazione (22) configurato per regolare almeno detta corrente di alimentazione (Ia) elettrica di detto arco elettrico durante almeno una fase di fusione ed una fase di affmazione ed in modo che detta corrente di alimentazione (Ia) venga mantenuta durante detta fase di fusione ad un primo valore di corrente (I1), e durante detta fase di affmazione ad un secondo valore di corrente (I2) compreso fra 1 ,04 e 1 ,2 volte il primo valore di corrente (I1).
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