ITMI20011595A1 - Forno a suola rotante di impiego siderurgico - Google Patents

Description

Titolo: "Forno a suola rotante di impiego siderurgico"

La presente invenzione si riferisce ad un forno a suola rotante di impiego siderurgico.

I forni a suola rotante sono utilizzati da lungo tempo, in particolare nel settore siderurgico.

I loro impieghi sono molto vari. Ad esempio servono per riscaldare i metalli in lingotti, bramme o blumi, prima della laminazione; oppure per il trattamento termico di materiali, quali pezzi metallici, vetri, o grafiti; oppure ancora per processare materie prime sciolte o agglomerate, quali carbone o allumina, o miscele di materie prime come minerali di ferro con materiali carboniosi, o rifiuti ricchi di ferro con materiali carboniosi.

I forni a suola rotante sono costruiti in forme differenti e con diametro variante da pochi metri a più di 50 m con larghezza anche superiore a 6 m.

Le velocità di rotazione della suola sono anch'esse variabili. I grandi forni di riscaldo ruotano anche a meno di un giro all'ora, mentre i piccoli forni rotanti, per calcinazione o per processare materie prime, raggiungono ad esempio quindici giri all'ora.

La suola ha generalmente una forma di corona circolare, e ruota attraverso due serie circonferenziali di ruote. Esse sono disposte su circonferenze vicine alle estremità della corona circolare.

Le ruote rotolano su rotaie, e sono possibili due diverse soluzioni costruttive.

Una prima soluzione è quella di realizzare ruote solidali al telaio della suola girevole e rotaie fisse al terreno, montate su strutture molto rigide, spesso in cemento armato.

La seconda soluzione è quella di realizzare rotaie solidali al telaio della suola girevole e ruote fissate al terreno, montate su strutture molto rigide, spesso in cemento armato.

In quest'ultimo caso la suola rotante deve essere progettata e costruita considerando una sollecitazione di fatica nella struttura metallica, e di conseguenza nel suo rivestimento in refrattario, dovuta al continuo cambiamento dei punti di contatto tra le ruote e le rotaie durante la rotazione della suola.

Tale sollecitazione di fatica può essere molto critica per la vita del refrattario e pertanto i forni sono progettati con ruote posizionate sui due diametri, interno ed esterno, su stessi raggi, in modo da poter dividere la struttura metallica sovrastante in settori aventi la stessa spaziatura angolare delle ruote. Così facendo, la flessione della struttura della suola dovuta al cambiamento di posizione del punto di contatto delle ruote con le rotaie applicate alla struttura, genera sollecitazioni limitate ed elimina o minimizza i movimenti ciclici del refrattario.

Recentemente sono stati sviluppati nuovi processi nel campo del trattamento dei minerali di ferro che richiedono forni a suola rotante con aree di suola molto grandi e in alcuni casi con elevatissime velocità di rotazione, anche superiori a 15 giri per ora .

Questi forni a suola rotante richiedono superfici di suola superiore a quelli sino ad ora costruiti, con diametri anche superiori a 50 m e larghezze di suola maggiori di 6 m, anche fino a oltre 10 m.

In questi forni certe problematiche, che non sono di grosso rilievo nelle applicazioni tradizionali, diventano critiche quando le dimensioni e le velocità di rotazione vengono così sensibilmente incrementate. Le principali problematiche da affrontare sono l'usura dell'accoppiamento tra ruote e rotaie, e l'incurvamento dei pannelli della suola dovuto alla differenza di temperatura nella struttura di supporto dei pannelli.

Normalmente le ruote e le rotaie sono generalmente posizionate su due circonferenze molto vicine a quelle delle estremità della suola. A causa della geometria del sistema, le ruote sulla circonferenza esterna sono caricate in modo maggiore rispetto alle ruote sulla circonferenza interna. Con l'incremento della larghezza della suola, questa differenza di carico aumenta e come conseguenza si possono avere grandi differenze nelle usure delle ruote e delle rotaie, che si trovano sulle due circonferenze interna ed esterna. Il comportamento sopra descritto può essere compensato cambiando per esempio le misure delle ruote e delle rotaie.

In questi forni anche la planarità della suola è di primaria importanza. Come noto, le travi di supporto della suola refrattaria sono soggette al riscaldo dovuto a conduzione termica attraverso la suola e allo stesso tempo vengono raffreddate tramite irraggiamento e conduzione con l'ambiente sottostante. Questo normalmente genera, in dette travi di supporto, differenza di temperatura tra la parte superiore e quella inferiore della suola che dà luogo ad un fenomeno di incurvamento della suola quando questa raggiunge la temperatura di lavoro.

Aumentando la larghezza della suola, la costruzione tradizionale con telai aventi pannelli larghi quanto la suola stessa, risulta critica per le deformazioni dovute a detti effetti termici e le conseguenti tensioni o deformazioni che possono essere generate nella struttura refrattaria.

Inoltre, poiché alcuni nuovi forni a suola rotante richiedono di essere installati a notevole elevazione dal livello del suolo, anche maggiore di 20 metri, gli alti sostegni del forno, che devono sostenere le ruote o le rotaie della suola, aumentano la flessibilità della struttura. In particolare, se la struttura genera, sotto il carico della suola flessioni differenti da punto a punto, e soprattutto in una maniera non simmetrica, le sollecitazioni indotte possono essere molto critiche, provocando complicazioni funzionali e fenomeni di fatica durante il funzionamento dei forni.

Scopo generale della presente invenzione è quello di migliorare, in un forno a suola rotante, le prestazioni delle ruote e delle rotaie, e diminuire le sollecitazioni alle strutture della suola rotante e del suo rivestimento in refrattario.

Altro scopo è quello di risolvere gli esistenti inconvenienti sopra citati della tecnica di costruzione convenzionale in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale. In vista degli scopi suddetti, secondo la presente invenzione, si è pensato di realizzare un forno a suola rotante di impiego siderurgico, avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche strutturali e funzionali della presente invenzione ed i suoi vantaggi nei confronti della tecnica conosciuta risulteranno ancora più chiari ed evidenti da un esame della descrizione seguente, riferita ai disegni allegati, che mostrano un forno a suola rotante di impiego siderurgico realizzato secondo i principi innovativi dell'invenzione stessa.

Nei disegni:

- la figura 1 mostra una vista in pianta dal basso solo di una struttura metallica portante di una suola rotante di un forno, secondo una prima realizzazione di un forno della presente invenzione;

- la figura 2 è una sezione presa secondo il piano di traccia II - II di figura 1, e cioè secondo un piano radiale, di una prima realizzazione di forno a suola rotante di impiego siderurgico, la cui suola rotante è mostrata in figura 1;

- la figura 3 è una sezione in alzata laterale ingrandita e sviluppata in piano, che mostra in parte mezzi di rotazione della suola secondo la realizzazione di figura 2, con ruote collocate su struttura fissa;

- la figura 4 è una sezione in alzata laterale, fatta secondo un piano radiale di metà forno, di una seconda realizzazione di forno a suola rotante di impiego siderurgico;

- la figura 5 è una sezione in alzata laterale ingrandita e sviluppata in piano, che mostra in parte mezzi di rotazione della suola secondo la realizzazione di figura 4, con ruote collocate su struttura mobile della suola.

Con riferimento innanzitutto alle figure 1, 2 e 3, un forno a suola rotante di impiego siderurgico secondo l'invenzione, in una sua prima possibile forma di realizzazione esemplificativa, è complessivamente indicato come forno 12, disposto su una struttura di sostegno 16 e dotato di una suola rotante 14.

Il forno 12 ha una pianta a forma di corona circolare rivestita in materiale refrattario ed è chiuso lateralmente e superiormente da pareti 13 rivestite internamente in materiale refrattario. Inferiormente invece il forno 12 è chiuso dalla suola 14, anch'essa di forma di corona circolare ma rotante attorno ad un asse verticale centrale della corona circolare. Tale suola 14 è rivestita superiormente in materiale refrattario 15, ad esempio in pannelli refrattari. La suola 14 è composta da una serie di settori 17 di corona circolare. Oltre a questa divisione circonferenziale dei settori 17, ci può essere, come è mostrato in figura 1, una divisione radiale della corona circolare della suola 14, spezzando i settori 17 in due semisettori 17' lungo archi 18 di una circonferenza intermedia tra le due circonferenze di estremità, interna ed esterna, della corona circolare.

La circonferenza intermedia che comprende gli archi 18 è tale da dividere il settore 17 in due semisettori 17' di uguale peso. Essa risulta quindi, per considerazioni geometriche sulle aree sottese da semisettori di corona circolare, maggiore rispetto alla circonferenza mediana della corona circolare della suola 14.

La divisione in semisettori 17' della suola permette di diminuire notevolmente le variazioni di livello della suola dovute all'incurvamento termico di una struttura di supporto dei settori 17 quando la suola raggiunge le temperature normali di lavoro.

I semisettori 17' sono montati al di sopra di una struttura reticolare comprendente traverse 22, montanti 23 e 23', e possibilmente tiranti o puntoni 24 di irrigidimento.

Come si vede nelle figure 2 e 3, la struttura reticolare reca inferiormente due barre anulari 19, concentriche alla corona circolare della suola 12. Tali barre 19 sono disposte su circonferenze coincidenti con il baricentro dei settori 17 e 17', cosicché il peso di tali settori vada direttamente a scaricarsi sul sistema sottostante.

Al di sotto di tali barre 19, sono previste due rotaie 20, aventi sezione uguale.

Nell'esempio della figura 2 tali barre 19 sono collocate in posizione tale che il peso della suola 14 gravante sulle due barre 19 sia pressoché identico.

La struttura di sostegno 16 comprende un basamento 28, disposto su serie circonferenziali di colonne 30. Su tale basamento 28 sono fissati due serie di sostegni 25 per ruote 26, disposti lungo una circonferenza, in modo che le ruote 26 risultano complementari ed operativamente allineate alle due rotaie 20 della suola 14.

Le due serie di ruote 26 sono collocate, in maniera che coppie di ruote 26 risultano posizionate su stessi raggi di due circonferenze concentriche, interna ed esterna, essendo questi raggi equispaziati sulle circonferenze stesse. Il numero di queste coppie di ruote 26 è uguale a quello dei settori 17. In questo modo risultano minimizzate le sollecitazioni dovute al cambiamento di posizione, durante la rotazione della suola 14 stessa, delle forze applicate dalle ruote 26 sulle barre 19 e quindi sui settori 17 e sul materiale refrattario 15. Infatti, i semisettori 17 e 17' sono sostenuti principalmente dai montanti 23 che li uniscono verticalmente ad una delle due barre anulari 19. Tali montanti 23, come si vede in figura 2, vengono infatti a trovarsi in una zona prossima al baricentro dei semisettori 17'.

Ogni settore 17 è così dotato di due montanti 23, uno per ogni semisettore 17', collegati alle due barre 19. Le due barre 19 vengono unite dalle traverse 22, disposte radialmente.

Le traverse 22 possono essere disposte in corrispondenza dei due montanti 23 di ogni settore 17. Ai due montanti 23 viene aggiunto un montante 23', nella zona dell'arco 18 di separazione tra i due semisettori 17', avente lo scopo di assorbire ogni forza verticale che si potrebbe generare se la posizione dei montanti 23 non fosse esattamente nel baricentro di tali semisettori 17, 17' e anche per conferire stabilità ai semisettori 17, 17' stessi. Va notato che la condizione migliore è quella in cui i montanti 23 sono nel baricentro dei semisettori 17'. In tale caso si annullano le sollecitazioni verticali nell'arco 18 di divisione dei due semisettori 17' e si può usare tale divisione come giunto di dilatazione termica. Inoltre, il fatto che la traversa 22 non è sollecitata dai carichi trasmessi dalla suola in corrispondenza del montante 23', permette di evitare possibili fenomeni di flessione della trave, ottimizzando così il lavoro delle ruote 26 sulle rotaie 20.

Nella figura 2 sono mostrate serie circonferenziali di colonne 30 (in questo caso quattro) in maniera tale che le colonne 30 risultano allineate a gruppi su stessi raggi di circonferenze concentriche, dove questi raggi sono equispaziati sulle circonferenze stesse. Il numero di questi gruppi di colonne 30 è uguale a quello dei settori 17.

Più in particolare, riferendosi alle figure 2 e 3, due delle quattro circonferenze, su cui sono disposte le colonne 30, possono essere uguali alle circonferenze su cui sono disposti i sostegni 25 per le ruote 26, e tali sostegni 25 vengono a trovarsi sul basamento 28 in corrispondenza di ogni colonna 30.

Essendo le colonne 30 progettate in modo da avere tutte la stessa flessione verticale sotto il carico della suola 14, le sollecitazioni sulla suola 14, dovute ai cambiamenti dei punti di applicazione del carico delle barre 19 sulle ruote 26 durante la rotazione, sono così minimizzate.

Se invece le colonne 30 non possono essere posizionate come si è detto, la struttura di sostegno 16 deve essere comunque progettata in modo che la flessione verticale delle ruote 26 sia il più possibile identica.

Le figure 4 e 5 illustrano una ulteriore possibile forma di realizzazione pratica dell'invenzione, ove i componenti uguali e/o equivalenti a quelli illustrati nelle figure 1, 2 e 3 portano i medesimi numeri di riferimento aumentati di 100.

Questa seconda forma di realizzazione differisce dalla prima solamente per il fatto di invertire la posizione reciproca tra i supporti 25 delle ruote 26 e le rotaie 20 indicati nella prima realizzazione. Come si vede nelle figure 4 e 5, in questa forma di realizzazione le rotaie 120 vengono fissate sul basamento 128.

I supporti 125 sono invece vincolati al di sotto delle barre anulari 119. Più precisamente, i supporti 125 sono accoppiati e posizionati su stessi raggi delle due circonferenze concentriche delle barre 119, equispaziati sulle circonferenze stesse. Il numero di queste coppie di supporti 125 è uguale a quello dei settori 117. Inoltre, i supporti 125 sono fissati in corrispondenza dei montanti 123 della struttura reticolare che regge la suola 114.

Per quanto riguarda la struttura di sostegno 116, esiste sempre l'avvertenza di posizionare le serie circonferenziali di colonne 130, in maniera che risultino allineate, a gruppi, su stessi raggi delle circonferenze concentriche, dove i raggi sono equispaziati sulle circonferenze stesse. Il numero di questi gruppi di colonne 130 è uguale a quello dei settori 117.

Così facendo le ruote 126 della suola 114, equispaziate nello stesso modo delle colonne 130, non inducono alcuna sollecitazione differenziale sulla suola 114 quando questa è soggetta a rotazione. Questa è infatti soggetta ad un movimento uniforme di sollevamento e abbassamento dovuto alla flessione delle rotaie 120 e della sottostante struttura di sostegno 116. Esso non produce sollecitazioni sulla struttura della suola 114 e non induce movimenti sul materiale refrattario 115 posato sopra di essa.

In definitiva, un forno a suola rotante di impiego siderurgico secondo l'invenzione, avendo la struttura che sostiene la suola un raggio mediano uguale a quello per cui la suola è divisa in due corone circolari concentriche aventi un ugual carico, sollecita in maniera identica o molto simile le ruote delle due circonferenze interna ed esterna.

In questo modo il comportamento delle ruote risulta lo stesso e la costruzione può essere semplificata mediante l'utilizzo di ruote e rotaie della stessa misura.

In aggiunta alla semplificazione della costruzione, e quindi anche della manutenzione, si hanno altri vantaggi, come un miglioramento nell'accessibilità alle tenute del forno.

Inoltre, con massimo beneficio quando la larghezza del forno è considerevole, è possibile dividere la struttura della suola non solo radialmente in settori, ma anche spezzandola circonferenzialmente in semisettori; ciò è facilitato posizionando le ruote pressoché baricentriche rispetto ai due semisettori e quindi minimizzando le sollecitazioni nella zona dove i settori vengono divisi in semisettori e le tensioni torsionali sulle barre anulari.

Questi semisettori generano svariati benefici. Anzitutto, l'effetto di torsione sulle strutture di supporto delle rotaie o ruote montate sulla suola viene eliminato o minimizzato. C'è poi una riduzione della massima espansione termica radiale sui settori della struttura perché questa è ora divisa in due semisettori, ancorati al centro. Infine, dividendo i settori in semisettori, il valore di incurvamento totale dei settori della suola, dovuto alle differenze di temperatura tra la parte superiore ed inferiore delle strutture metalliche che costituiscono detti settori, risulta ridotto rispetto alla soluzione senza semisettori.

Da quanto sopra descritto con riferimento alle figure, appare evidente come un forno a suola rotante di impiego siderurgico di grandi dimensioni secondo l'invenzione, risulta particolarmente utile e vantaggioso. Sono così conseguiti gli scopi menzionati al preambolo della descrizione.

Naturalmente, le forme del forno a suola rotante di impiego siderurgico dell'invenzione possono essere diverse da quella mostrata a solo titolo di esempio non limitativo nei disegni, come pure diversi possono essere i materiali.

L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto delimitato dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Forno a suola rotante di impiego siderurgico, comprendente un forno (12, 112) con pianta a forma di corona circolare, chiuso inferiormente da una suola rotante (14, 114), rivestita superiormente in materiale refrattario (15, 115), ed un basamento (28, 128; 30, 130) del forno (12, 112), dove detta suola (14, 114) comprende una pluralità di settori di corona circolare (17, 117; 17', 117'), uguali fra loro e collegati a formare una corona circolare, complementare a quella della pianta interna del forno (12, 112), che ruotano, attorno all'asse centrale della corona circolare, mediante due serie concentriche di ruote (26, 126) disposte secondo due circonferenze, fissate in maniera equispaziata, con sostegni (25, 125), al basamento (28) o al di sotto della suola (114), complementari a due rotaie circolari (20, 120), fissate, rispettivamente, al di sotto della suola (14) o al basamento (128), caratterizzato dal fatto che sia dette serie di ruote (26, 126) che dette due rotaie (20, 120) sono posizionate in maniera tale da avere uguale distribuzione di carico.
2. 2) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sia dette serie di ruote (26, 126) che dette due rotaie (20, 120) sono posizionate simmetricamente rispetto a una circonferenza che divide la corona circolare della suola (14, 114) in due corone circolari concentriche caricate in maniera uguale, essendo detta circonferenza maggiore rispetto a quella mediana di detta corona circolare della suola (14, 114).
3. 3) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette ruote (26, 126) delle due serie sono uguali tra loro, e che dette rotaie (20, 120) hanno medesima sezione.
4. 4) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette ruote (26, 126) sono posizionate allineate, a due a due, su stessi raggi delle due circonferenze concentriche delle due serie di ruote (26, 126), e sono nello stesso numero dei settori (17, 117).
5. 5) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 1 o 4, caratterizzato dal fatto che detti settori (17, 117) sono divisi in due semisettori (17', 111') lungo archi (18) di una circonferenza intermedia tra le due circonferenze di estremità, interna ed esterna, della corona circolare della suola (14, 114), detti archi (18) dividendo i settori (17, 117) in due semisettori (17', 117') ugualmente caricati.
6. 6) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti semisettori (17', 117') sono collegati alle rotaie (20), o, rispettivamente, ai supporti (125) delle ruote (126), mediante montanti verticali (23, 123), posizionati in corrispondenza o in prossimità del loro baricentro.
7. 7) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto basamento (28, 128) è sorretto da una struttura di sostegno (16, 116) , comprendente serie circonferenziali concentriche di colonne (30, 130), allineate a gruppi su stessi raggi di dette circonferenze, ove detti raggi sono equispaziati tra loro, e aventi lo stesso numero dei settori (17, 11').
8. 8) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti gruppi di colonne (30, 130) sono nello stesso numero dei settori (17, 117) della suola (14, 114), dette colonne (30, 130) avendo uguale deformazione sotto il carico della suola (14, 114).
9. 9) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti settori (17, 117) sono divisi in due semisettori (17', 111') lungo archi (18) di una circonferenza intermedia tra le due circonferenze di estremità, interna ed esterna, della corona circolare della suola (14, 114), dove detti archi (18) dividono i settori (17, 117) in due semisettori (17', 117') ugualmente caricati, detti semisettori (17', 117') essendo collegati alle rotaie (20) , o, rispettivamente, ai supporti (125) delle ruote (126), mediante montanti verticali (23, 123), posizionati in corrispondenza o in prossimità del loro baricentro.
10. 10) Forno a suola rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il forno (12, 112) ha una pianta a forma di corona circolare di grandi dimensioni.