IT202000023611A1 - Sistema e metodo per la determinazione della composizione chimica di materiali metalllurgici o siderurgici - Google Patents
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Description
TITOLO: SISTEMA E METODO PER LA DETERMINAZIONI DELLA COMPOSIZIONE CHIMICA DI MATERIALI METALLURGICI O SIDERURGICI
CAMPO DELLA TECNICA
L?invenzione riguarda un sistema e un metodo per determinare la composizione chimica di materiale sfuso siderurgico o metallurgico, in particolare l?analisi massiva del rottame in ingresso ad un impianto siderurgico, ad esempio un?acciaieria, utilizzando la tecnologia dell?attivazione neutronica con misurazione dei raggi gamma emessi dagli atomi eccitati da un bombardamento con neutroni.
STATO DELLA TECNICA
Il rottame mediamente rappresenta il quasi 40% del costo di produzione dei semilavorati in acciaio, arrivando al 60% (per la produzione di acciai speciali), ma anche al 70% (per armature o rebar) del costo di produzione se ci si limita alle fasi di fusione, affinazione e colata, ponendosi come la principale voce di costo in un?acciaieria. Attualmente il rottame in ingresso allo stabilimento produttivo, trasportato tramite camion o vagoni, viene pesato e controllato a livello visivo e radiativo. Le tecniche di analisi chimica finora applicate sono tecniche superficiali, come la spettrofotometria XRF (X-ray fluorescence, fluorescenza a raggi X), che analizzano soltanto la superficie esposta. Non si ottengono quindi informazioni sulla composizione dell?intero volume di materiale acquistato. Per la corretta gestione del processo produttivo e al fine di ottenere un controllo sui fornitori, sarebbe importante determinare se il rottame in ingresso superi o meno, in termini quantitativi di certi componenti, ad esempio di rame, stagno ed inerti, delle soglie, corrispondenti a termini qualitativi del prodotto da realizzare o anche derivanti da normative comunitarie.
Inoltre determinare la composizione dei volumi di rottame che vengono acquistati, permette di conoscere l?effettiva quantit? di ferro presente nel rottame, cos? da poter pagare solo il quantitativo di materiale ferroso effettivo e non anche le impurit? che contribuiscono al peso totale del materiale acquistato, ma che vengono scartate (quando possibile). L?arte nota finora non ha risolto in modo soddisfacente il bisogno di determinare la composizione massiva (?bulk?) del rottame, che risulterebbe anche utile per poter ottimizzare le miscele delle cariche di rottame che alimentano i forni fusori.
ESPOSIZIONE DELL?INVENZIONE
L?invenzione si pone lo scopo di superare i suddetti inconvenienti e di proporre un sistema e un metodo per determinare la composizione chimica, sia qualitativa che quantitativa, di materiale sfuso siderurgico o metallurgico, in particolare di rottame all?ingresso di un impianto siderurgico.
Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di realizzare un sistema e un metodo che permettano di analizzare la composizione dell?intera massa di materiale metallurgico o siderurgico, in particolare di rottame ferroso in modo veloce, senza maneggiamento del materiale, e senza dover prelevare campioni, senza al contempo danneggiare il materiale da analizzare.
Altro scopo della presente invenzione ? quello di proporre un sistema e un metodo di analisi massiva che fornisca informazioni sull?intero materiale analizzato e non soltanto sulla composizione superficiale o esposta dello stesso. Ulteriori scopi e vantaggi dell?invenzione risultano dalla seguente descrizione.
Lo scopo viene raggiunto in un primo aspetto dell?invenzione mediante un sistema di analisi di attivazione neutronica, in particolare PGNAA o PFTNA, per determinare la composizione chimica di materiale sfuso siderurgico o metallurgico, in particolare rottame, che comprende:
(a) almeno una sorgente di neutroni;
(b) almeno un rivelatore di raggi gamma;
(c) una zona d?attivazione atta a contenere/contenente il materiale sfuso da analizzare;
(d) una o pi? schermature per la cattura di neutroni e di raggi gamma non desiderati, e (e) un?unit? di controllo per gestire detta almeno una sorgente di neutroni e detto almeno un rivelatore di raggi gamma e determinare dai raggi gamma misurati la composizione elementare del materiale sfuso,
in cui detta zona di attivazione ? collocata tra detta almeno una sorgente di neutroni e detto almeno un rivelatore di raggi gamma.
L?implementazione della tecnologia di attivazione neutronica, in particolare delle tecnologie PGNAA (Prompt Gamma Ray Neutron Activation Analysis, analisi per attivazione neutronica di raggi gamma istantanei) o della tecnologia PFTNA (Pulsed Fast Thermal Neutron Activation, analisi per attivazione pulsata di neutroni termici veloci) permette in primo luogo di verificare in modo massivo la composizione chimica del materiale metallurgico o siderurgico, in particolare del rottame in ingresso acciaieria, e poi indirettamente di conoscere il quantitativo di materiali inerti, non ferrosi, di ossidi e materiali ferrosi ulteriormente contenuti nella fornitura. L?analisi riguarda tutto il volume o tutta la massa del materiale da analizzare, e si tratta quindi di una specie di analisi massiva, definita nell?area linguistica anglosassone con il termine ?bulk analysis?. Nel presente ci si riferir? quindi ad un?analisi (chimica) massiva come ad una tipologia di analisi che interessa l?intera massa del materiale, in contrapposizione all?analisi superficiale che ne caratterizza solamente un limitato strato esposto. L?analisi massiva in tal senso fornisce informazioni sulla composizione chimica dell?analizzato avendolo analizzato nel suo insieme (l?intera massa/l?intero volume) e non in singoli campioni ?spot? pi? o meno rappresentativi. La determinazione della composizione chimica del materiale metallurgico o siderurgico, secondo l?invenzione, avviene quindi con un?analisi massiva, cio? un?analisi in bulk sull?intero volume/l?intera massa del materiale da analizzare (?bulk analysis?). Il risultato ottenuto ? quindi rappresentativo per l?intero materiale.
Vantaggiosamente, l?output che si ottiene ? un rapporto di analisi che comprende l?indicazione in forma percentuale degli elementi presenti nell?intero volume di rottame analizzato. Va da s? che ? possibile indicare le singole frazioni degli elementi come valori in massa, ponderali o molari, facilmente convertibili tra di essi. In forma esemplare un risultato dell?analisi pu? essere espresso nel seguente modo: 94.26% Fe, 2.89% Si, 1.07% Al, 0.29% Cu, ecc.
L'analisi di raggi gamma istantanei o pronti tramite l?attivazione con neutroni ? una tecnica analitica senza contatto e non distruttiva che ? utilizzabile in sistemi di analisi online per determinare la composizione elementare di materie sfuse.
I neutroni interagiscono con gli atomi degli elementi nei materiali bombardati, i quali poi emettono raggi gamma che possono essere rivelati e rilevati. Ogni elemento emette un fotone di energia caratteristica quando ritorna ad uno stato stabile dopo l?eccitazione provocata dall?assorbimento di un neutrone nel nucleo. Quando un neutrone termico, o meglio un neutrone a bassa energia (< 0,025 eV) si avvicina o si scontra con un nucleo di un atomo, avviene un'interazione tra il neutrone e il nucleo. L?atomo assorbe quindi un neutrone e aumenta il numero di massa di 1 passando allo stato eccitato. Durante la sua diseccitazione, l?atomo emette un fotone nell?intervallo dei raggi gamma che ? caratteristico di ciascun elemento. Il fotone viene detto ?pronto? in quanto emesso all?istante della reazione nucleare.
Il raggio gamma emesso ha un'energia definita associata all'atomo da cui ? stato rilasciato. In sostanza, il raggio gamma emesso ? come una "impronta digitale" dell'elemento. I raggi gamma emessi vengono rilevati e viene generato uno spettro di energia che d? informazioni sugli elementi presenti e sulla loro quantit?.
Gli analizzatori online PGNAA e PFTNA rilevano i raggi gamma utilizzando, ad esempio, rivelatori a scintillazione. Questi rivelatori sono composti da una struttura cristallina di elevata purezza che, se esposta ai raggi gamma, produce fotoni proporzionali in energia all'energia dei raggi gamma che entrano nel cristallo. Un tubo foto-moltiplicatore accoppiato al cristallo converte gli impulsi di luce in segnali elettrici. Gli impulsi elettrici prodotti vengono amplificati e analizzati per ottenere informazioni su elementi specifici.
Il processo di attivazione neutronica ? un metodo radio-analitico in grado di identificare in un qualunque campione, che si presenti allo stato solido, liquido o gassoso, praticamente tutti gli elementi della tavola periodica. I limiti di rilevabilit? per i singoli elementi sono solitamente molto bassi e quindi si tratta di un metodo d?analisi molto idoneo per determinare anche tracce di elementi in grandi volumi di materiali, anche se tali limiti variano all?interno della tavola periodica.
Dall?energia del fotone emessa si ottiene il risultato qualitativo (identificazione dell?elemento presente) e dal conteggio dei fotoni di questa energia ? possibile estrarre il risultato quantitativo (la quantit? dell?elemento presente nel rottame). Il risultato viene espresso in uno spettro di energia che rappresenta il ?conteggio? dei fotoni in funzione dell?energia con un picco per ogni elemento.
I neutroni usati nella tecnica di analisi sono forniti alternativamente da un radioisotopo, spesso Californium 252 (<252>Cf), o da un sistema generatore di neutroni. Il radioisotopo subisce una fissione spontanea e produce neutroni che vengono utilizzati nel processo di analisi. I neutroni di un generatore di neutroni sono prodotti elettricamente in un acceleratore. Come sorgente di neutroni possono essere utilizzate soluzioni compatte gi? presenti sul mercato che consistono in piccoli acceleratori che sfruttano la reazione nucleare di fusione di deuterio-deuterio (D D ? n <3>He) oppure deuterio-trizio (D T ? n <4>He) per realizzare neutroni. Conseguentemente attraverso materiali chiamati moderatori (come acqua, acqua pesante o grafite) ? possibile ridurre la velocit? dei neutroni fino a termalizzarli (energie di circa 0,025 eV). Oppure questo fenomeno pu? avvenire dopo molte interazioni con la materia in esame in quanto per ogni interazione il neutrone perde energia fino a quando diventa ?termico?. L?impiego di queste tipologie di sorgenti (rispetto alla pi? comune sorgente <252>Cf) permette di poter creare un fascio pulsato, mentre il radioisotopo produce un flusso di neutroni continuo. Mentre il PGNAA utilizza isotopi radioattivi pericolosi per generare un flusso continuo di neutroni, il sistema basato sul PFTNA genera neutroni elettricamente in modo pulsato, permettendo al rivelatore dei raggi gamma di differenziare tra le interazioni neutrone-nucleo. Un impulso ad alta frequenza pu? essere ottenuto solo con una sorgente di neutroni elettrici. La tecnica PGNAA usa un flusso di neutroni continuo, mentre la tecnica PFTNA genera un flusso di neutroni pulsato.
Essendo azionato elettricamente, il PFTNA garantisce il massimo livello di sicurezza: a differenza del PGNAA, l'emissione di neutroni pu? essere fermata potendo abbassare cos? l?esposizione dell?utente al sistema analitico. Ad esempio i neutroni emessi dai generatori di PFTNA in un?interazione deuterio-trizio hanno un'alta energia fino a 14 MeV rispetto a quella di soli 2,5 MeV nel PGNAA che emana dal <252>Cf che ? pi? debole. La maggiore energia del neutrone porta una serie di vantaggi analitici. Il pi? importante ? la capacit? di rivelare anche il carbonio e l'ossigeno. Un'energia neutronica pi? elevata si traduce anche in un miglioramento complessivo della sensibilit?. La capacit? di gestire ampie variazioni di massa nella zona d?attivazione e l?indipendenza dalle dimensioni delle particelle sono alcuni vantaggi aggiunti di analizzatori basati su PFTNA.
I rivelatori ad attivazione gamma di neutroni penetrano l'intera sezione trasversale della materia analizzata, fornendo una misura uniforme dell'intero materiale, non solo della sua superficie. Le tecnologie di analisi superficiale come XRF, la diffrazione dei raggi X e altre tecnologie di analisi spettrale misurano profondit? e superfici limitate che possono non essere rappresentative dell'intera quantit? di materiale. La tecnica DGNNA (Delayed Gamma Neutron Activation Analysis; analisi di attivazione neutronica gamma ritardata) ? praticamente gi? contenuta all?interno della PFTNA in quanto questa analizza sia fotoni prompt che ritardati che derivano da due processi diversi, diseccitazione da cattura neutronica nel primo caso e diseccitazione da decadimento beta nel secondo caso.
L?utilit? delle tecniche di attivazione neutronica risiede in alcune caratteristiche peculiari che vengono elencate di seguito:
? Identificazione qualitativa simultanea di pi? elementi (posizione del picco nello spettro d?energia) ed inoltre la valutazione (almeno approssimativa) della quantit? degli stessi (area del picco).
? Si tratta di una tecnica non distruttiva, che non richiede il contatto diretto con il campione o il prelievo di una porzione del campione, e pertanto il campione analizzato non viene danneggiato. Si evita anche una preparazione del campione con una relativa perdita di tempo.
? Non essendo una particella carica il neutrone pu? penetrare maggiormente all?interno del materiale bersaglio in quanto non risente della repulsione coulombiana. Tale caratteristica lo contraddistingue dalle tecniche di XRF e delle immagini iperspettrali che effettuano invece una sola analisi superficiale.
Un problema dell'analisi dell'attivazione dei neutroni ? rappresentata dal fatto che i neutroni emessi dalla sorgente di neutroni eccitano anche i materiali esterni al materiale da analizzare, che a loro volta generano raggi gamma che vengono rilevati dai rivelatori. Per contrastare questo fenomeno, all'interno del sistema di misura sono previste diverse schermature per catturare i neutroni, in modo che la radiazione dei neutroni colpisca preferibilmente solo il materiale da misurare e quindi non vengano generati "raggi gamma estranei" che contaminino i raggi gamma desiderati. I materiali di schermatura possono essere costituiti da materie plastiche dotati di veleni neutronici come il boro o il litio. La scelta dello spessore delle schermature permette di regolare l'attenuazione dei neutroni, per esempio di un fattore 8. ? utile anche l'uso di rivestimenti in resina epossidica al litio o al boro. La descrizione del brevetto US 8,138,480 B2 insegna possibili schermature. In alcuni casi, per esempio per elementi strutturali della zona d?attivazione non ? possibile una schermatura, in tal caso si detraggono preferibilmente i raggi gamma prodotti da questi elementi strutturali con misurazioni differenziali, come sar? esposto pi? avanti.
In una variante molto preferita dell?invenzione, il materiale sfuso ? rottame. Vista la provenienza molto eterogenea di rottame ? molto difficile conoscere la sua composizione chimica. Per quanto a conoscenza degli inventori, finora non ? stata proposta un?analisi omogenea di rottame che interessi il materiale per l?intero volume e non solo la sua superficie. Vista la natura dell?analisi, la stessa pu? per? anche essere impiegata anche per verifica su altri materiali del settore metallurgico o siderurgico, come per coke, ferroleghe, calce, scoria solidificata, etc.
In una variante molto vantaggiosa dell?invenzione, la zona d?attivazione pu? essere un contenitore del tipo container di trasporto, come un cassone o una furgonatura di un camion, un vagone di un treno oppure un container di spedizione navale. Questo permette di analizzare in modo pratico e veloce il volume di materiale sfuso, in particolare il rottame, direttamente in ingresso acciaieria o dell?impianto siderurgico o metallurgico senza dover prelevare campioni, riducendo cos? le tempistiche e il maneggiamento. Comodamente, con risparmio di tempo ed energia, come zona d?attivazione si prevede di utilizzare, per l?analisi del materiale sfuso in fornitura che raggiunge l?impianto siderurgico o metallurgico, direttamente i contenitori di trasporto. La tecnica di analisi come detto non ? distruttiva, quindi il contenitore non subir? danneggiamenti.
A tal proposito e per ottenere informazioni sulle singole masse degli elementi contenuti nel materiale sfuso ? molto vantaggioso che il sistema di analisi di attivazione neutronica comprenda inoltre una bilancia, sulla quale ? posizionabile/posizionato il contenitore del tipo container di trasporto. Con la composizione chimica percentuale ottenuta dall?analisi di attivazione neutronica e l?informazione sul peso totale del materiale sfuso ? possibile ottenere valori assoluti sulla composizione del volume di materiale processato, generando quindi un rapporto delle quantit? degli elementi presenti.
Preferibilmente, il sistema di analisi secondo l?invenzione comprende inoltre fotocamere per il controllo visivo del materiale sfuso, in modo da poter collegare al report analitico anche un?analisi visiva/dimensionale di quanto analizzato.
Un secondo aspetto dell?invenzione concerne un metodo di analisi di attivazione neutronica, in particolare PGNAA o PFTNA, per determinare la composizione chimica di materiale sfuso siderurgico o metallurgico, in particolare rottame, che comprende le seguenti fasi:
(i) messa a disposizione di un sistema di analisi di attivazione neutronica con almeno una sorgente di neutroni e almeno un rivelatore di raggi gamma, preferibilmente un sistema di analisi secondo l?invenzione;
(ii) posizionamento del materiale sfuso nella zona di attivazione tra detta almeno una sorgente di neutroni e detto almeno un rivelatore di raggi gamma;
(iii) irraggiamento della zona d?attivazione con neutroni generati da detta almeno una sorgente di neutroni e misurazione di dette raggi gamma emessi dagli atomi eccitati nella zona d?attivazione con detto almeno un rivelatore di raggi gamma per un periodo T e determinazione della composizione elementare del materiale sfuso. Vantaggiosamente, il materiale sfuso ? rottame.
Particolarmente preferita ? una zona d?attivazione che corrisponda a un contenitore del tipo container di trasporto, come un cassone o una furgonatura di un camion, un vagone di un treno oppure un container di spedizione navale in cui il problema del rilevamento dei raggi gamma emessi da parti strutturali della zona d?attivazione viene risolta applicando misurazioni differenziali, in cui il metodo di analisi di attivazione neutronica comprende inoltre le seguenti fasi:
(iv) svuotamento di detto contenitore del tipo container di trasporto;
(v) ripetizione della fase (iii) con lo stesso periodo di misurazione T;
(vi) sottrazione della composizione elementare ottenuta nella seconda misurazione dalla composizione elementare ottenuta nella prima misurazione fornendo come risultato la composizione elementare del materiale sfuso.
Per permettere di conoscere anche valori assoluti della quantit? degli elementi d?interesse contenuti nel materiale sfuso analizzato ? preferibile prevedere una pesatura del materiale sfuso e in particolare che durante le fasi (iii) e (v) venga pesato il contenitore del tipo container di trasporto e nella fase (vi) venga determinata anche la differenza di peso tra il contenitore del tipo container di trasporto contenente il materiale sfuso e il contenitore del tipo container di trasporto vuoto, cos? da derivare il peso netto del materiale sfuso in modo da poter di calcolare dalla composizione elementare percentuale del materiale sfuso il peso assoluto dei singoli componenti d?interesse del materiale sfuso.
Per il risparmio di tempo, vantaggiosamente, l?analisi del rottame avviene quindi contemporaneamente ai tempi morti di pesatura. Il tempo di analisi richiesto per l?analisi ai neutroni dipende molto dalla tecnologia selezionata (PGNAA o PFTNA) e dal numero e tipo di sorgenti di neutroni e rivelatori di raggi ? impiegati.
La messa in linea dell?analisi d?attivazione neutronica con il processo di pesatura, maschera il tempo di analisi almeno parzialmente dal tempo di pesa, solitamente circa due minuti, in ogni caso effettuato in ingresso impianto metallurgico o siderurgico.
Vantaggiosamente, durante la fase (iii) si effettua contemporaneamente un controllo visivo del materiale sfuso con fotocamere. Il controllo visivo pu? anche avvenire prima o dopo la fase (iii). Il controllo visivo permette di determinare le dimensioni di parte del rottame, la sua pezzatura e, in modo qualitativo, la presenza di evidenti materiali non conformi.
Un ulteriore aspetto dell?invenzione riguarda un impianto metallurgico o siderurgico, in particolare un?acciaieria, che comprende un sistema di analisi di attivazione neutronica secondo l?invenzione a monte di un forno fusorio ad arco o induzione, come ad esempio anche a monte di un convertitore ad ossigeno del tipo BOF (Basic Oxygen Furnace) del processo Linz-Donawitz.
In una variante preferita dell?invenzione, i rivelatori di fotoni o raggi gamma coprono opportunamente tutta la zona irradiata. Si utilizza un array di N rivelatori ?. A causa della complessit? degli spettri da PGNAA/PFTNA e la necessit? di risolvere picchi anche molto ravvicinati, i rivelatori al germanio sono quelli preferibili per questo tipo di analisi, in quanto presentano un?elevata risoluzione, ma risultano molto costosi. Un?alternativa valida sono rivelatori a scintillazione al bromuro di lantanio attivato con cerio, LaBr3(Ce), poich? presentano un?ottima risoluzione energetica con un costo inferiore. Altra alternativa sono i tradizionali ma economici scintillatori NaI(Tl), che sono per? limitati dalla bassa risoluzione in energia.
Preferibilmente, il numero dei rivelatori supera il numero delle sorgenti, p. es.50 - 75 rivelatori si contrappongono a 5 sorgenti. Un rapporto preferenziale tra il numero di sorgenti e quello dei rilevatori ? vantaggiosamente maggiore o uguale di 10 a 1. Con il numero e la configurazione delle sorgenti e dei rivelatori ? possibile ottimizzare il risultato ottenuto in termini di omogeneit? ovvero ricevendo un?informazione rappresentativa sulla composizione dell?intero materiale.
Come gi? accennato, schermature, per esempio in cemento, si rendono necessarie per schermare il sistema da fotoni e neutroni. Si possono utilizzare dei blocchi in cemento aventi spessore opportunamente dimensionato, vantaggiosamente nell?ordine da 1 a 2 metri.
In letteratura ? possibile trovare stime sui limiti di concentrazioni dei vari elementi della tavola periodica misurabili con tale tecnologia analizzando il campione per alcuni minuti, per esempio 10 minuti. Per nichel sono riportati livelli di rilevamento < 0,01 %, per ferro, cromo, rame e zolfo di 0,01 ? 0,1 %, per alluminio e silicio di 0,1 ? 0,3 % e per molibdeno 0,3 ? 1 %, mentre si trova per lo stagno un valore di 3 ? 10% considerando un tempo di misurazione di 10 min. Gli elementi di maggior interesse nell?analisi del rottame presentano quindi in generale un buon livello di rivelabilit?.
Il sistema secondo l?invenzione fornisce informazioni sulla composizione qualitativa e quantitativa del rottame, utilizzando valori di misura prelevati sull?intero volume del materiale analizzato, e garantendo anche diversi vantaggi economici:
La composizione chimica misurata, confrontata con i limiti normativi, pu? provare che il materiale in ingresso superi o non superi i contenuti previsti dalla relativa normativa comunitaria, permettendo la classificazione del materiale. Si consideri che rilevare e poi rimuovere un 1% di materiale inerte/non ferroso (oltre i limiti concessi dalla normativa) nel rottame pu? portare a risparmi dell?ordine di circa 3 euro/tonnellata sul materiale mandato in colata o nel forno fusorio.
Conoscendo il quantitativo al netto di materiale ferroso, diventa possibile verificare quanto materiale ferroso viene fornito, pagando solo il quantitativo di ferroso effettivo. La possibilit? di dimostrare il non rispetto dei quantitativi della norma o contenuti bassi in ferro d? in mano al gestore dell?impianto siderurgico o metallurgico i mezzi per contestare il rottame fornito. Avendo a disposizione il sistema di analisi, ? possibile eseguire analisi periodiche anche su materiali non ferrosi (verificare il contenuto ferroso di fondo container di trasporto, eseguire analisi massiva di antracite per controllarne il livello di residui o di zolfo, verificare il contenuto di impurit? nelle ferroleghe per ottimizzarne l?utilizzo, verificare il livello di impurit? nella calce). Questo aumenta la capacit? di analisi all?interno dell?impianto siderurgico o metallurgico, in particolare nell?acciaieria e favorisce processi produttivi pi? consapevoli. Nell?ottica di tracciare il materiale in parco rottame, questa analisi completa la tracciabilit? del materiale direttamente a livello di fornitura, conoscendo ad esempio quali sono i materiali che trasportano pi? elementi tramp o tracce. Tramp descrive un elemento che non ? "specificato" nel grado di lega, ma che in una quantit? accettabile (traccia) pu? essere presente senza alcun effetto negativo sulle prestazioni della lega o sulla qualit? richiesta. Aumentare il contenuto di questi elementi pu? peggiorare la qualit? del fuso, e pertanto spesso sono presenti in quantit? normata o comunque limitata negli acciai. Le analisi secondo l?invenzione permettono di determinare, anche in funzione del fornitore, in che misura sono presenti elementi tramp/tracce per avere una leva in acquisto del materiale sfuso, come del rottame, e per poter modificare il materiale nelle composizioni in cesta per regolare e aggiustare il contenuto in metalli e non metalli.
Con il sistema e metodo di analisi secondo l?invenzione ? possibile determinare la composizione massiva (?in bulk?) di grandi quantit? di materiale sfuso, nell?ordine di decine di tonnellate nell?ordine di qualche minuto.
Le caratteristiche e vantaggi descritti per un aspetto dell?invenzione possono essere trasferite mutatis mutandis agli altri aspetti dell?invenzione.
L?applicabilit? industriale ? ovvia dal momento in cui diventa possibile determinare la composizione del materiale sfuso in alimentazione alla fusione, permettendo sia la classificazione del materiale secondo aspetti normativi, oppure basata, per esempio, sul contenuto in elementi tramp o di traccia, sia la pi? accurata determinazione del prezzo di acquisto del rottame basato sull?effettivo contenuto in ferro. Oltre al controllo in fornitura del materiale, la possibilit? di integrare analisi visiva e chimica massiva (?in bulk?) con la pesatura permetterebbe pertanto di favorire un utilizzo consapevole e ottimizzato del materiale metallurgico/siderurgico nei processi.
Gli scopi e i vantaggi detti verranno ulteriormente evidenziati nella descrizione di preferiti esempi di esecuzione dell'invenzione data a titolo indicativo, ma non limitativo.
Varianti e ulteriori caratteristiche dell?invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. La descrizione dei preferiti esempi di esecuzione del sistema e metodo d?analisi d?attivazione neutronica secondo l?invenzione viene data a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento agli allegati disegni. In particolare possono variare, ove non specificato diversamente, numero, forma, dimensioni e materiali del sistema d?analisi e dei singoli componenti e trovare applicazione elementi equivalenti senza deviare dal concetto inventivo.
DESCRIZIONE DI PREFERITI ESEMPI DI ESECUZIONE
La fig.1 illustra in uno schema in sezione una forma esecutiva di un sistema di analisi secondo l?invenzione.
La fig.2 illustra in una vista prospettica un?altra forma esecutiva di un sistema di misurazione secondo l?invenzione.
La fig.3 illustra in un diagramma a blocchi una forma esecutiva di un metodo di analisi secondo l?invenzione.
Nella figura 1 viene presentata una possibile realizzazione di un sistema di analisi 10 del rottame basato sulla tecnologia PGNAA o PFTNA, in uno schema in sezione in cui una sorgente 12 produce neutroni termici n i quali, interagendo con gli atomi del rottame 14, generano fotoni (raggi gamma) ? che vengono raccolti da un array di foto-rivelatori 16 permettendo l?identificazione delle specie chimiche presenti nel campione e le relative quantit? percentuali. I tempi di analisi sono dell?ordine del minuto. Per schermare i fotoni ? e attenuare raggi di neutroni si possono utilizzare blocchi in cemento 18 di spessore adeguato. Il rottame 14 ? contenuto in un contenitore cassone 20 del tipo usato nei treni oppure su camion. Il sistema di analisi 10 rappresentato ? applicabile, in modo preferenziale ma non esaustivo, al rottame (scrap) in ingresso acciaieria proveniente da questi camion o treni.
Nella figura 2 ? illustrata in una vista prospettica un?ulteriore possibile forma esecutiva di un sistema di analisi 110 secondo l?invenzione con una geometria coerente con quella presentata nella figura precedente.
Un vagone 120 si trova all?interno di una camera a forma di parallelepipedo in cui una parete 126 ? una combinazione tra una copertura schermante e un array di foto-rivelatori (non rappresentati), per esempio del tipo LaBr3(Ce), e la parete opposta 128 ? una combinazione di una copertura schermante e un array di sorgente di neutroni del tipo deuterio-trizio (non rappresentato). Un?altra copertura schermante ? il soffitto 119 della camera. Naturalmente anche le restanti tre pareti possono essere realizzate come elementi schermanti. Il pavimento 121 comprende un sistema di pesatura del vagone come attualmente gi? largamente impiegato nell?industria siderurgica. Le due telecamere 123 permettono la fotografia del rottame per un controllo visivo. In alternativa, le fotocamere possono essere previste nel gate di controllo a radiazioni.
La fig.3 illustra in un diagramma a blocchi una forma esecutiva di un metodo di analisi secondo l?invenzione. In un primo passo 30, un vagone contenente rottame viene posizionato tra una sorgente di neutroni e un array di rivelatori di raggi gamma e su una bilancia, quindi nel caso del sistema secondo la figura 2 tra le pareti 126 e 128 e sul pavimento con sistema di bilancia 121. Successivamente, nella fase 32, il vagone con il rottame viene pesato e irradiato con neutroni in maniera preferibilmente contemporanea. I raggi gamma generati dagli atomi presenti nel vagone e nel rottame vengono rilevati e misurati congiuntamente per un periodo T. Come risultato si ottengono il peso P1 ?vagone rottame? e la composizione elementare qualitativa e quantitativa (percentuale) C1 ?vagone rottame?. A misurazione e pesatura completate, il vagone viene svuotato (fase 34). Ora, nello step 36 seguente, il vagone vuoto viene riposizionato sulla bilancia tra sorgente di neutroni e rivelatori di raggi gamma per pesare il vagone vuoto, irradiarlo con neutroni e misurare i raggi gamma emessi dai suoi atomi eccitati. Si ottiene pertanto nella fase 38 il peso P2 del vagone vuoto e la composizione elementare percentuale C2 dello stesso. Infine, nell?ultima fase 40, ? possibile calcolare dalle differenze [P1 ? P2] e [C1 ? C2], il peso netto del rottame e la sua composizione elementare percentuale e da questi dati anche le singole masse dei singoli elementi d?interesse determinati.
In fase esecutiva, al sistema e metodo di analisi oggetto dell?invenzione, potranno essere aggiunte parti e/o apportate ulteriori modifiche o varianti esecutive non descritte senza per questo uscire dall?ambito dell?invenzione. Qualora tali modifiche o tali varianti dovessero rientrare nell?ambito delle rivendicazioni che seguono, si dovranno ritenere tutte protette dal presente brevetto. In pratica i materiali impiegati, nonch? le dimensioni, i numeri e le forme purch? compatibili con l'uso specifico e ove non diversamente specificato, potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze. Sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad esempi specifici, una persona esperta del ramo potr? senz?altro realizzare molte altre forme equivalenti di sistema e metodo di analisi, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell?ambito di protezione da esse definito.
L?invenzione ha raggiunto lo scopo di proporre un sistema e un metodo veloce e non distruttivo per determinare la composizione elementare percentuale del materiale sfuso siderurgico o metallurgico, in particolare del rottame in ingresso acciaieria che fornisce informazioni sull?intero materiale analizzato e non soltanto sulla composizione superficiale dello stesso.
Claims (11)
1) Sistema di analisi di attivazione neutronica (10; 110), in particolare PGNAA o PFTNA, per determinare la composizione chimica di materiale sfuso (14) siderurgico o metallurgico, in particolare rottame, comprendente:
(a) almeno una sorgente di neutroni (12);
(b) almeno un rivelatore di raggi gamma (16);
(c) una zona d?attivazione (20; 120) atta a contenere/contenente il materiale sfuso da analizzare;
(d) una o pi? schermature (18; 113, 126, 128) per la cattura di neutroni e di raggi gamma non desiderati, e
(e) un?unit? di controllo per gestire detta almeno una sorgente di neutroni (12) e detto almeno un rivelatore di raggi gamma (16) e determinare dai raggi gamma (y) misurati la composizione elementare del materiale sfuso (14),
in cui detta zona di attivazione (20; 120) ? collocata tra detta almeno una sorgente di neutroni (12) e detto almeno un rivelatore di raggi gamma (16).
2) Sistema di analisi di attivazione neutronica (10; 110) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale sfuso (14) ? rottame.
3) Sistema di analisi di attivazione neutronica (10; 110) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detta zona d?attivazione (20; 120) ? un contenitore del tipo container di trasporto, come un cassone o una furgonatura di un camion, un vagone di un treno oppure un container di spedizione navale.
4) Sistema di analisi di attivazione neutronica (10; 110) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una bilancia (121) sulla quale ? posizionabile/posizionato detto contenitore del tipo container di trasporto (20; 120).
5) Sistema di analisi di attivazione neutronica (10; 110) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre fotocamere (123) per il controllo visivo del materiale sfuso (14).
6) Metodo di analisi di attivazione neutronica, in particolare PGNAA o PFTNA, per determinare la composizione chimica di materiale sfuso (14) siderurgico o metallurgico, in particolare rottame, comprendendo le seguenti fasi:
(i) messa a disposizione di un sistema di analisi di attivazione neutronica (10; 110) con almeno una sorgente di neutroni (12) e almeno un rivelatore di raggi gamma (16), preferibilmente un sistema di analisi (10; 110) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5;
(ii) posizionamento di detto materiale sfuso (14) nella zona di attivazione tra detta almeno una sorgente di neutroni (12) e detto almeno un rivelatore di raggi gamma (16);
(iii) irraggiamento della zona d?attivazione (20; 120) con neutroni (n) generati da detta almeno una sorgente di neutroni (12) e misurazione di dette raggi gamma (?) emessi dagli atomi eccitati nella zona d?attivazione (20; 120) con detto almeno un rivelatore di raggi gamma (16) per un periodo T e determinazione della composizione elementare del materiale sfuso (14).
7) Metodo di analisi di attivazione neutronica secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto materiale sfuso (14) ? scelto tra rottame, coke, ferroleghe, calce, scoria solidificata, e preferibilmente ? rottame.
8) Metodo di analisi di attivazione neutronica secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detta zona d?attivazione (20; 120) ? un contenitore del tipo container di trasporto, come un cassone o una furgonatura di un camion, un vagone di un treno oppure un container di spedizione navale e dal fatto che detto metodo di analisi di attivazione neutronica comprende inoltre le seguenti fasi:
(iv) svuotamento di detto contenitore (20; 120) del tipo container di trasporto;
(v) ripetizione della fase (iii) con lo stesso periodo di misurazione T;
(vi) sottrazione della composizione elementare ottenuta nella seconda misurazione dalla composizione elementare ottenuta nella prima misurazione fornendo come risultato la composizione elementare del materiale sfuso (14).
9) Metodo di analisi di attivazione neutronica secondo una delle rivendicazioni da 6 a 8 caratterizzato dal fatto che durante le fasi (iii) e (v) viene pesato il contenitore (20; 120) del tipo container di trasporto e nella fase (vi) viene determinata anche la differenza di peso tra il contenitore (20; 120) del tipo container di trasporto contenente il materiale sfuso (14) e il contenitore (20; 120) del tipo container di trasporto vuoto che corrisponde al peso del materiale sfuso (14) in modo da permettere di calcolare dalla composizione elementare percentuale del materiale sfuso il peso assoluto dei singoli componenti d?interesse del materiale sfuso (14).
10) Metodo di analisi di attivazione neutronica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9 caratterizzato dal fatto che durante la fase (iii) si effettua contemporaneamente un controllo visivo del materiale sfuso con fotocamere (123).
11) Impianto metallurgico o siderurgico, in particolare un?acciaieria, che comprende un sistema di analisi di attivazione neutronica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti a monte di un forno fusorio, in particolare ad arco o induzione, oppure a monte di un convertitore ad ossigeno.
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