ITMI20012370A1 - Processo di postcombustione in forno elettrico e lancia di iniezione per la sua messa in opera - Google Patents

Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: “Processo di postcombustione in forno elettrico e lancia di iniezione per la sua messa in opera”.

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un processo di postcombustione effettuato, durante un processo di fusione di metallo in forno ad arco elettrico, utilizzando una lancia di iniezione mu Iti-iniettore.

Stato della tecnica

Nei processi fusori per la produzione di acciaio effettuati nei forni ad arco elettrico si utilizzano dispositivi ausiliari per incrementare la produttività del processo e per ridurre il consumo di energia elettrica.

Si tratta tra gli altri di:

a) lance supersoniche ad ossigeno, che hanno la funzione di accelerare la fusione del rottame mediante fenomeni di ossitaglio, di effettuare la decarburazione e raffinazione del bagno metallico, di sviluppare energia inducendo nel bagno reazioni esotermiche di ossidazione, contribuendo così a ridurre il fabbisogno di energia elettrica;

b) iniettori di carbone, che hanno la funzione di favorire la parziale riduzione dell'ossido di ferro contenuto nella scoria, per limitare il calo forno dovuto ad un'eccessiva ossidazione del ferro, di ridurre la corrosione chimica dei refrattari che ricoprono le pareti del forno, e di consentire lo schiumaggio della scoria, in modo tale da migliorare la stabilità dell'arco elettrico, ridurne l'irraggiamento verso le pareti ed incrementarne il rendimento energetico;

c) bruciatori, che hanno la funzione di preriscaldare e fondere una parte del rottame caricato, in modo tale da ridurre il fabbisogno di energia elettrica;

d) post-combustori, che hanno la funzione di bruciare i gas combustibili prodotti durante il processo fusorio, quali CO e H2, al fine di sfruttare efficacemente l'energia chimica in essi contenuta e ridurre il fabbisogno di energia elettrica di tutto il processo fusorio, limitando nel contempo la quantità di gas potenzialmente pericolosi o tossici in uscita dal forno elettrico.

I forni ad arco elettrico che sfruttano i dispositivi sopra elencati, o anche combinazioni di alcuni di loro, soffrono spesso di limitazioni causate dall'impossibilità di combinare efficacemente e in modo vantaggioso gli effetti ottenibili per mezzo dei singoli dispositivi ausiliari.

Una limitazione importante deriva ad esempio dal fatto che i postcombustori, che comunemente iniettano nel forno aria od ossigeno, sviluppano una reazione di combustione che produce l’assorbimento, da parte della carica metallica, di una quantità molto limitata dell’energia liberata. La causa essenziale di ciò è la difficoltà di trasferire a tale carica metallica l’energia termica di postcombustione sviluppata. Durante i processi fusori comunemente utilizzati, infatti, i fenomeni di postcombustione indotti dalle reazioni fra i gas CO e H2 generati e l’02 appositamente iniettato awengono in presenza di quantità limitate di rottame solido o addirittura in fase di bagno piatto, quando non si ha più rottame solido al di sopra del bagno liquido. Pertanto in tali condizioni l’efficienza di trasferimento alla carica dell’energia di postcombustione è notevolmente ridotta.

Un’altra limitazione dei processi di postcombustione di tipo noto è dovuta alla differenza relativamente piccola che si ha tra la temperatura dei prodotti delle reazioni di postcombustione e quella della carica metallica, quando il rottame è già fortemente preriscaldato o addirittura compietamente fuso. In queste condizioni si ha un ridotto trasferimento di energia termica dai gas prodotti dalla postcombustione verso la carica metallica, poiché esso avviene per irraggiamento e convezione ed è quindi fortemente dipendente dalla differenza di temperatura esistente fra la fonte di energia ed il materiale da riscaldare. Ne risulta uno scarso recupero di tale energia che va dispersa in grande parte.

Un ulteriore svantaggio dei processi di postcombustione dello stato della tecnica è legato alla ridotta superficie di scambio termico che risulta dalla fusione, anche parziale, del rottame, causata dal prolungato riscaldamento del rottame stesso. Poiché la quantità di energia di postcombustione trasferibile alla carica metallica cresce al crescere della superficie del rottame, risulta che in presenza di quantità limitate di rottame solido fortemente preriscaldato, o addirittura in fase di bagno piatto, l’efficienza dello sfruttamento dell’energia di postcombustione è fortemente ridotta. Un’ulteriore limitazione della tecnica nota è dovuta all’elevata temperatura che raggiungono i gas in seguito alle reazioni di combustione. Al crescere della temperatura dei gas oltre i 1700°C, l'equilibrio termodinamico delle reazioni di postcombustione è tale per cui decresce la quantità di CO2 e H20 che si forma in seguito alla combustione dei gas CO e H2. Questo fenomeno si accentua quando le reazioni di postcombustione awengono in presenza di quantità limitate di rottame solido sopra il bagno liquido, perché la temperatura dei gas si innalza ulteriormente per l’irraggiamento dell’arco elettrico.

Per risolvere tutti questi inconvenienti delle soluzioni note e per ottenere ulteriori vantaggi nel seguito evidenziati, la proponente ha ideato e realizzato il presente trovato.

Riassunto dell’invenzione

Uno scopo primario della presente invenzione è quello di migliorare il bilancio energetico del processo di postcombustione, qui di seguito denominato brevemente anche PC, mediante un efficiente sfruttamento dell’energia di postcombustione liberata.

Uno scopo non meno importante della presente invenzione è quello di utilizzare una lancia di tipo nuovo per mettere in opera il processo di postcombustione dell’invenzione.

Questi scopi, nonché altri che verranno meglio chiariti nel seguito, conformemente ad un primo aspetto dell’invenzione, sono raggiunti da un processo di postcombustione in forno elettrico che presenta le caratteristiche della rivendicazione 1

Conformemente ad un secondo aspetto dell’invenzione, gli scopi citati sono raggiunti per mezzo di una lancia integrata per la messa in opera di tale processo, conforme alla rivendicazione 11 .

Per mezzo di tale processo si sfrutta efficacemente l’energia di postcombustione superando le limitazioni cui comunemente sottostanno i processi noti di postcombustione che si svolgono nei forni elettrici ad arco.

Il processo di postcombustione dell’invenzione supera le limitazioni dei processi noti facendo avvenire il processo di postcombustione in condizioni tali per cui:

<■ >la differenza di temperatura fra i prodotti di postcombustione ed il rottame solido è ancora elevata, perché l’arco è innescato da poco e non ha trasferito molto calore alla carica;

<■ >la superficie di scambio termico fra i prodotti di postcombustione e la carica metallica è elevata perché in tale fase vi è una elevata quantità di rottame solido nella carica, al di sopra della zona in cui ha inizio la postcombustione;

<■ >la temperatura dei prodotti di postcombustione può essere mantenuta (o riportata) a valori relativamente bassi.

Tali condizioni sono realizzate facendo iniziare le reazioni di postcombustione dopo pochi minuti dall’inizio del processo fusorio, preferibilmente dopo 5 o 6 minuti dal momento dell’accensione dell’arco elettrico, in modo che i gas CO e H2 generati dal bagno vengano immediatamente bruciati e i relativi prodotti di reazione siano costretti ad attraversare un’elevata quantità di rottame ancora allo stato solido prima di uscire dal forno. In tal modo è possibile massimizzare l’efficienza di trasferimento termico delle reazioni di postcombustione che si realizzano nel forno elettrico durante il processo di fusione del ferro.

Conformemente al secondo aspetto dell’invenzione, per effettuare il processo di postcombustione dell’invenzione è prevista una lancia di iniezione di tipo nuovo comprendente almeno un bruciatore, costituito da una serie di iniettori di combustibile e di ossigeno, almeno un iniettore di ossigeno con velocità supersonica e almeno un iniettore di carbone in polvere raggruppati insieme, preferibilmente all’interno di un solo involucro.

La lancia con tali caratteristiche ottimizza lo sfruttamento dell’energia di postcombustione, se impiegata opportunamente nel processo dell’invenzione nel modo seguente. Essa viene inserita attraverso l’apertura all’uopo riservata della parete del forno. Il bruciatore viene acceso e la fiamma prodotta fonde il rottame posto di fronte alla lancia stessa creandovi una cavità. Dopo la creazione della cavità nel rottame, la lancia viene inserita al suo interno in modo tale che almeno il 50%, e vantaggiosamente l’80% del rottame inizialmente caricato si trovi a un livello superiore a quello della lancia stessa. In questa posizione il bruciatore è usato essenzialmente come postcombustore nel quale il flusso di combustibile è interrotto e il flusso di ossigeno è incrementato. Il combustibile può essere eventualmente alimentato di nuovo per brevi periodi nel corso del processo di postcombustione, riaccendendo la fiamma, per stabilizzare la struttura della cavità e per fondere eventuali pezzi di rottame caduti di fronte alla lancia.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata del processo proposto, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

- la Fig. 1 rappresenta una vista di dettaglio di un forno elettrico nel quale ha luogo un processo di postcombustione dello stato della tecnica,

- la Fig. 2 rappresenta un grafico con valori relativi all’efficienza di un processo di postcombustione dello stato della tecnica,

- la Fig. 3 rappresenta una sezione di un forno elettrico ad arco nel quale viene svolto il processo conforme all’invenzione,

- la Figure 4 rappresenta una vista in dettaglio del forno della Fig. 3 in una fase del processo dell’invenzione,

- la Fig. 5 presenta un grafico con l’andamento dei valori relativi all’efficienza di un processo di postcombustione conforme all’invenzione,

- le Figure da 6 a 9 rappresentano viste frontali di realizzazioni della lancia integrata necessaria per l’attuazione del processo conforme all'invenzione,

- Le Figure da 10 a 13 mostrano grafici con l’andamento dei valori di alcuni parametri di funzionamento della lancia nella esecuzione di un processo di postcombustione conforme all’invenzione.

Descrizione dell’invenzione

Nella Fig. 1 è rappresentato un dettaglio della zona del forno elettrico ad arco, in corrispondenza della estremità dei dispositivi ausiliari, nella quale viene svolto un tipico processo di postcombustione dello stato della tecnica. In un processo di fusione di questo tipo i dispositivi ausiliari di tipo noto vengono attivati solo nel momento in cui, nel corso del processo di fusione, è rimasta una quantità limitata di rottame al di sopra del bagno liquido. In questo caso l’energia termica prodotta dalla postcombustione del CO si disperde verso l’alto del forno e non si trasferisce, o si trasferisce solo in minima parte, alla piccola quantità di rottame solido eventualmente ancora presente sopra il bagno.

Il grafico della Fig. 2 rappresenta i valori di alcuni parametri che si ottengono utilizzando i dispositivi ausiliari di tipo noto secondo un tale processo di postcombustione.

Con particolare riferimento alle figure 3 a 13, viene qui di seguito descritta una forma di realizzazione non limitativa del processo di postcombustione conforme all’invenzione e della lancia integrata mediante la quale questo viene realizzato.

E’ grazie ad una opportuna definizione delle fasi del processo di postcombustione, come descritto sotto, che avviene durante un processo fusorio del ferro effettuato in un forno elettrico ad arco, che si sfrutta efficacemente l’energia derivante da reazioni di postcombustione indotte mediante un insufflaggio mirato di ossigeno.

La prima fase consiste nell'avvicinamento della testina della lancia 1 alla carica di rottame attraverso una apertura della parete del forno 2. La fase successiva consiste nell’accensione del bruciatore integrato nella lancia per il tempo sufficiente alla fiamma prodotta a fondere una porzione di rottame disposta di fronte alla punta della lancia, formando una cavità nella massa di rottame.

L’accensione del bruciatore inizia meno di 10 minuti dopo l’innesco dell’arco elettrico, e vantaggiosamente esso inizia 5 o 6 minuti dopo l’innesco dell’arco elettrico.

La lancia è fatta avanzare all’interno della cavità, man mano che questa si forma e ad un predeterminato momento viene spento il bruciatore. L’accensione del bruciatore dura per meno di 30 minuti e preferibilmente per circa 15 minuti.

In particolare, per favorire l’assorbimento da parte della carica metallica di un’adeguata quantità di energia di postcombustione, è necessario che nel forno si abbia al momento del completamento della cavità la presenza di una quantità di rottame solido ad un livello superiore a quello della zona in cui le reazioni di postcombustione hanno inizio pari ad almeno il 50% e, vantaggiosamente, l’80% del rottame inizialmente caricato.

Poiché durante la prima fase del processo fusorio del ferro l'efficienza di trasferimento dell'energia termica risulta molto elevata, è necessario un bruciatore di potenza adeguata, preferibilmente attorno ai 10 MW, per fondere rapidamente una quantità elevata di rottame, e formare la cavità nella massa di rottame caricato. Grazie alla potenza di tale bruciatore e al fatto che è integrato vantaggiosamente nella struttura della lancia 1, questa potrà pertanto essere inserita nel forno 2, attraverso una porta nella parete del forno, e cominciare a penetrare all’interno della cavità che si va formando man mano nel rottame 4, in tempi brevi, a partire da circa 5 o 6 minuti dopo l'innesco dell'arco elettrico con l’elettrodo 3, o gli elettrodi.

Un’opportuna orientazione spaziale della lancia, diretta verso una regione del forno posta a metà strada fra l'elettrodo 3, o gli elettrodi, e la parete del forno, nonché un'opportuna gestione dell’alimentazione elettrica, per quanto riguarda in particolare la tensione elettrica dell'arco, che è mantenuta elevata, fa sì che in tale fase, al di sopra della cavità sia ancora presente, come accennato sopra, una rilevante quantità di rottame 9 relativamente freddo. Questo è rappresentato in maggior dettaglio in figura 4.

Il processo prosegue con lo stadio di iniezione di un getto di ossigeno o di aria per decarburazione a velocità supersonica, seguito dall'iniezione di un secondo getto di carbone nel metallo liquido e successivamente dall’iniezione di un terzo getto di ossigeno o aria per effettuare la postcombustione dei gas generati nel forno, mantenendo la lancia 1 all’interno della cavità.

Dall’inserimento tempestivo nel forno della lancia già in una fase precoce del processo di fusione derivano direttamente una serie di vantaggi. L’anticipato insufflaggio di ossigeno ad elevata velocità permette di anticipare l'inizio dei processi di ossitaglio del rottame, che si svolgono secondo la reazione esotermica Fe 1⁄2 02 → FeO, e di decarburazione del bagno liquido, svolti secondo la reazione esotermica C 1⁄2 02 → CO, che forniscono un surplus di energia chimica alla massa di metallo, aumentando la produttività di tutto il processo fusorio. La contemporanea iniezione di carbone consente di ridurre parzialmente l’ossido di ferro presente garantendo nel contempo la formazione di elevate quantità di gas CO.

Il principale vantaggio che si ottiene con il processo dell’invenzione è collegato direttamente all’anticipato inizio della produzione di un'elevata quantità di CO, che permette di svolgere il processo di postcombustione in un momento del processo globale di fusione in cui il trasferimento alla carica dell’energia termica sviluppata è molto elevato, proprio per la presenza di un’elevata quantità di rottame solido posto nelle vicinanze della estremità della lancia 1 e, soprattutto, nella zona al di sopra della cavità nella quale detta lancia 1 è inserita.

Nello svolgimento successivo del processo di postcombustione è previsto uno stadio in cui detto bruciatore di gas combustibile è alimentato per brevi periodi, riaccendendo la fiamma, per stabilizzare la struttura della cavità e per fondere eventuali pezzi di rottame caduti di fronte alla lancia. In una variante vantaggiosa del processo di postcombustione è previsto anche lo stadio in cui avviene l’incremento a gradini per periodi di durata predefinita dei getti di ossigeno di decarburazione a velocità supersonica, di carbone e di ossigeno di postcombustione. In una variante vantaggiosa del processo l’energia di postcombustione ottenibile è ulteriormente incrementata insufflando metano nel bagno liquido tramite gli iniettori del bruciatore della lancia. Il metano iniettato nel bagno liquido, che ha una temperatura superiore a 1500°C, subisce infatti la reazione endotermica di cracking, rappresentata dalla formula CH4 → C 2H2, liberando carbonio e idrogeno.

In tal modo è possibile sia limitare il surriscaldamento localizzato del bagno liquido che incrementare il fenomeno di schiumaggio della scoria riducendone il potere ossidante, secondo la reazione:

e oltre a ciò è possibile incrementare lo sviluppo di energia di postcombustione, con le reazioni della formula seguente

In un’altra variante vantaggiosa del processo la postcombustione viene effettuata in un forno con rapporto altezza / diametro maggiore di 1 e caratterizzato da caricamento mediante cesta singola di più di 90 tonnellate di rottame nel quale al di sopra della lancia, cioè della regione in cui hanno inizio le reazioni di postcombustione, si potrà avere una quantità di rottame solido particolarmente elevata, rispetto al caso in cui il forno abbia una capacità limitata o un basso rapporto altezza / diametro.

Nel grafico della Fig. 5 è mostrato l’andamento dei valori di alcuni parametri caratterizzanti il processo di postcombustione dell’invenzione, effettuato, conformemente alla caratteristica inventiva, quando ancora vi è la presenza di un'elevata quantità di rottame al di sopra della regione in cui hanno inizio le reazioni di postcombustione provocate dall’02 insufflato dalla lancia con il getto 17.

Attraversando la massa di rottame 9 contenuta nel forno e posta al di sopra della regione in cui hanno inizio le reazioni di postcombustione dei gas 6 prodotti nel metallo liquido 7, i gas generati dalla postcombustione cedono gran parte della loro energia alla carica metallica e quindi si raffreddano parzialmente. Tale trasferimento di energia risulta molto elevato per la presenza della notevole quantità di rottame solido sopra il bagno. Pertanto l’efficienza del trasferimento cresce al crescere dell'altezza della colonna di rottame 9 nel forno 2. Tale efficienza di trasferimento dell’energia di postcombustione risulta molto elevata per i motivi qui di seguito elencati:

<■ >l'elevata superficie specifica della carica metallica, avente un valore superiore a 30 m<2>/m<3>, fornisce un'elevata area di scambio termico tra il rottame ed i gas caldi, prodotti dalla postcombustione, che lo attraversano;

<■ >essendo il rottame 9 ancora relativamente freddo, il flusso termico proveniente dai gas caldi prodotti dalla postcombustione è molto elevato;

<■ >all'interno della cavità prodotta nel rottame dal bruciatore della lancia integrata 1 si possono raggiungere temperature molto elevate, superiori ai 2000°- 2500°C, in corrispondenza delle quali la reazione di postcombustione risulta termodinamicamente ostacolata; il processo di postcombustione conforme all’invenzione prevede l'attraversamento del rottame 9 da parte dei gas prodotti dalla postcombustione ed il loro conseguente parziale raffreddamento: ciò limita le reazioni di decomposizione dei gas CO2 e H20 derivanti dalle reazioni di postcombustione all'interno della massa di metallo caricato e consente un migliore sfruttamento dell’energia dei gas.

La quantificazione dei vantaggi ottenibili effettuando il processo di postcombustione, conformemente all’invenzione, in presenza di una elevata quantità di rottame al di sopra della zona di estremità della lancia, cioè della zona in cui hanno inizio le reazioni di postcombustione, in confronto ai risultati ottenibili mediante un processo di postcombustione dello stato della tecnica, è di seguito riportata.

Qui di seguito viene denominato processo A il processo di postcombustione dello stato della tecnica e processo B il processo di postcombustione conforme all’invenzione.

Ai fini del confronto dei risultati ottenuti con i due processi di postcombustione A e B, alcuni parametri sono mantenuti costanti. Questi sono: • flusso di CO derivante dalla decarburazione del bagno metallico pari a 6000 Nm<3>/h

• portata dell’02 per postcombustione insufflato, pari a 3000 Nm<3>/h • tipo di rottame: demolizioni e recuperi con rapporto S/V, pari a 30 m<2>/m<3>

• quantità di acciaio liquido spillato dal forno, pari a 90 t.

I parametri variabili sono presentati nella tabella seguente:

Nel caso del processo A, l’analisi deN'equilibrio termodinamico del sistema, effettuata considerando l’atmosfera gassosa in equilibrio con il metallo del rottame, fornisce un valore del rapporto di postcombustione (PCR), ovvero del rapporto tra il C02 prodotto dalla postcombustione ed il CO inizialmente disponibile, uguale a PCR = 94 %.

Nel grafico riportato in figura 2 la funzione C rappresenta l’andamento dell’energia assorbibile dalla carica metallica, al variare del rapporto di postcombustione PCR ottenuto e la funzione D l’andamento della quantità di carbone necessaria per ridurre l’ossido di ferro formato dall’02 per postcombustione insufflato.

In base alle assunzioni sopra riportate relativamente alle quantità di gas iniettate, alle caratteristiche dimensionali del rottame ed alla quantità di acciaio spillato, nel caso del processo A, per detto valore di PCR=94%, si rilevano i seguenti valori di quantità di energia assorbita dalla carica metallica = 5.3 kWh/t e di fabbisogno di carbone per la riduzione dell’ossido formato dall’ossigeno per postcombustione insufflato = 0,2 kg/t.

Nel caso di messa in opera del Processo B, l’analisi dell’equilibrio termodinamico del sistema, effettuata considerando l’atmosfera gassosa in equilibrio con il metallo del rottame, fornisce un valore di PCR = 76 %.

Nel grafico della Fig. 5 la funzione E rappresenta l’andamento dell’energia assorbibile dalla carica metallica, al variare del rapporto di postcombustione PCR ottenuto e la funzione F l’andamento della quantità di carbone necessaria per ridurre l’ossido di ferro formato dall’02 per postcombustione insufflato.

In questo caso, in base alle ipotesi sopra riportate relativamente alle quantità di gas iniettate, alle caratteristiche dimensionali del rottame ed alla quantità di acciaio spillato, in corrispondenza di PCR=76%, si ottengono i seguenti valori di quantità di energia assorbita dalla carica metallica = 20 kWh/t e del fabbisogno di carbone per la riduzione dell’ossido formato dall’ossigeno per postcombustione insufflato = 1,8 kg/t.

I principali valori, relativi ai due processi A e B, sono riassunti nella seguente tabella:

Tali valori dimostrano che grazie al processo conforme all’invenzione si ottengono risultati superiori a quelli ottenuti con processi di postcombustione dello stato della tecnica, poiché si inizia molto rapidamente l'operazione di decarburazione del bagno liquido, allungando la durata del processo di postcombustione, mentre nel forno vi è una grande quantità di rottame solido sopra il bagno.

I vantaggi che si ottengono derivano dagli aspetti innovativi del processo di postcombustione stesso.

In primo luogo, con il rapido inserimento della lancia nel forno ed il rapido inizio delle reazioni di decarburazione, lo sviluppo di CO necessario per l’effettuazione della postcombustione avviene in presenza di un’elevata quantità di rottame solido sopra il bagno.

In secondo luogo, poiché parte del rottame viene ossidato, viene sfruttata vantaggiosamente anche tale ossidazione del metallo. Infatti l’iniezione di carbone viene effettuata nella regione in cui è massima la produzione di FeO, sia ad opera del getto di O2 con velocità supersonica, sia ad opera deH’02 del bruciatore/postcombustore integrato. Pertanto l’immediata riduzione di tale FeO formato durante il processo di PC, ad opera del C insufflato 0 contenuto nella matrice metallica della carica, consente di sfruttare vantaggiosamente l’energia derivante dal processo globale di ossidazione del metallo e successiva riduzione dell’ossido, senza incrementare né il calo forno, né il fabbisogno di additivi per il controllo delle caratteristiche chimico-fisiche della scoria.

In terzo luogo, l’insufflaggio di 02 per postcombustione nelle immediate vicinanze della zona in cui si ha il massimo sviluppo di CO favorisce la reazione dell’ossigeno con il CO, limitando così l’ossidazione del Fe e consentendo lo sviluppo di una maggiore quantità di energia.

La realizzazione di un processo quale quello sopra descritto è resa possibile tramite l’utilizzo di una lancia integrata con caratteristiche nuove, la quale presenta le caratteristiche di seguito riportate, facendo particolare riferimento alle figure da 6 a 9 che illustrano alcune forme di realizzazione mostrate come esempi non limitativi di detta lancia.

La lancia integrata 1 è provvista di una prima unità di iniezione U1 che funge da bruciatore a carburante e ossigeno, da una seconda unità di iniezione U2 dell’ossigeno supersonico, e da una terza unità di iniezione U3 del carbone, o di altre polveri impiegate nel processo fusorio. Tali unità possono essere disposte in modo diverso da quello illustrato pur rimanendo neH’ambito della presente invenzione.

L’unità U1, che costituisce il bruciatore a carburante e ossigeno, prevede un iniettore centrale di combustibile 20, 30, 40, 50, con riferimento alle varie varianti illustrate, che può essere costituito da un semplice tubo a sezione costante o da un ugello di De Lavai, circondato da una serie di getti di ossigeno 21, 31, 41, 51. In modo analogo questi getti possono essere costituiti da una serie di tubi a sezione costante oppure da ugelli di De Lavai e possono essere eventualmente disposti con l’asse inclinato rispetto all’asse deN'ugello centrale 20, 30, 40, 50 in direzione del getto centrale di combustibile. La geometria degli ugelli è tale da consentire la completa miscelazione fra il combustibile e l’ossigeno ad una distanza massima di 30 cm dalla testina della lancia integrata 1. Le sezioni dei tubi sono opportunamente definite in modo tale da potere consentire il passaggio attraverso l’ugello centrale 20, 30, 40, 50 di portate di combustibile che vanno da valori minimi intorno a 100 Nm<3>/h fino a valori massimi intorno ai 1000 Nm<3>/h di CH4, mentre gli ugelli 21, 31, 41, 51 di ossigeno che circondano l’ugello centrale sono definiti in modo da consentire portate di ossigeno in quantità, rispetto al combustibile, stechiometrica, sub-stechiometrica o ultra-stechiometrica. Poiché gli ugelli 21, 31, 41, 51 del bruciatore sono usati anche per effettuare la postcombustione del CO prodotto dal bagno liquido, dopo la fase di fusione del rottame, la loro sezione è definita anche per assicurare la possibilità di lavorare con elevate portate di ossigeno, ad esempio intorno a 4000 Nm3/h.

La seconda unità U2, che costituisce l’iniettore di ossigeno supersonico, è provvista all’estremità esterna della lancia di un ugello di De Lavai 23, 42, 52, per impartire all’ossigeno una velocità supersonica alla uscita verso il bagno, come illustrato in particolare nelle figure 6, 8 e 9. L’unità U2 può anche essere costituita da due condotti di iniezione 32, 33 come mostrato nella variante particolare della Figura 7, ma in altre forme di realizzazione, non illustrate, può anche essere costituita da più di due ugelli.

Nel corso di processi fusori tipici di rottame la punta della lancia 1 è disposta normalmente a circa 600 mm di distanza della superficie del bagno nella fase di bagno piatto. Tuttavia la distanza può variare tra 300 mm, nel caso di materiale refrattario nuovo e in condizioni di bagno piatto, e 1700 mm, nel caso di refrattario vecchio e nella fase iniziale del processo. Per ottenere alti livelli di coerenza del o dei getti di ossigeno, necessari per ottenere una massima penetrazione del getto nel bagno di metallo, in un’ampia gamma di condizioni di lavoro tra tali due estremi, è necessario ottimizzare la forma degli ugelli di De Lavai, e ciò viene realizzato mediante un profilo asintotico preciso ottenuto grazie ad una lavorazione accurata. Con accorgimenti di questo tipo l’ugello mantiene una struttura coerente del getto di ossigeno con le seguenti caratteristiche: • conservazione della velocità originale posseduta dal getto all’uscita dell’ugello fino ad una distanza di almeno 1000 mm dalla punta della lancia,

• conservazione del diametro originale posseduto dal getto alla sezione di uscita dall’ugello aumentato di un massimo del 20% alla distanza di 1000 mm dalla punta della lancia,

• conservazione della quantità di moto posseduta dal getto all'uscita dell’ugello diminuita del 20% al massimo ad una distanza di 1000 mm dalla punta della lancia.

Miglioramenti delle caratteristiche della struttura del getto e della sua coerenza possono essere ottenuti disponendo un ugello anulare 43, 53 in posizione concentrica all’ugello di De Lavai 42, 52. Questa forma di realizzazione è illustrata in particolare nelle figure 8 e 9. Facendo effluire aria o ossigeno dall’ugello anulare 43, 53 si impedisce al getto principale di ossigeno effluente daN’ugello centrale 42, 52 di allargarsi. Nel caso in cui questo getto anulare di protezione effluisca a velocità sub-sonica esso partecipa anche alla postcombustione del CO. Questo getto anulare infatti serve solo a guidare il getto principale supersonico di ossigeno verso lo strato di scorie ma non può penetrare nel bagno, essendo meno energizzato, ed è disponibile per la postcombustione locale al livello della superficie del metallo liquido.

In una forma di realizzazione particolare dallo stesso ugello anulare può fluire anche un getto di combustibile, per esempio di metano. In questo caso la reazione del combustibile con l’ossigeno del getto principale produce prodotti di combustione ad elevata entalpia e il getto di ossigeno conserva la sua coerenza per una distanza maggiore. In tal caso risulta inoltre disponibile un bruciatore supplementare per produrre una cavità più grande durante l'inserimento della lancia nel forno.

Le dimensioni di questi ugelli sono definite in modo tale da ottenere determinate caratteristiche. La portata deH’ugello principale ha preferibilmente valori compresi tra 3000 e 7000 Nm<3>/h, preferibilmente con valori da 5000 a 6000 Nm<3>/h.

La terza unità U3 di cui è composta la lancia 1 è un iniettore di carbone, o di polveri di processo, che prevede un ugello dedicato 22, 34 per iniettare carbone o particelle di altri elementi, per esempio calce, con una quantità di moto elevata e una struttura del flusso compatta. Tale forma di realizzazione è illustrata nelle figure 6 e 7.

Vantaggiosamente, il getto di carbone, o di altra sostanza, può essere circondato da un getto anulare di aria o di ossigeno uscenti da un ugello 45 concentrico a quello centrale 44, come illustrato in Fig.8. Il getto anulare che così si forma serve a proteggere e dirigere le particelle di carbone.

Alternativamente ancora, come illustrato in Fig. 9, il getto di carbone, o di altro materiale, può essere circondato da una serie di ugelli 55, disposti concentricamente intorno aN'ugello centrale 54, e diretti in talune varianti inclinati verso l’asse del getto di carbone. Nelle varianti in cui tramite simili ugelli 55 vengono iniettati ossigeno e combustibile, si crea una protezione del getto per mezzo di una fiamma.

Le dimensioni dell'iniettore principale sono definite in modo da prevedere una portata di polvere di carbone compresa tra 30 e 70 kg/min. La disposizione dell'asse dell’iniettore di carbone è parallela all’asse della lancia.

Le unità U1 , U2, U3 in una forma di realizzazione particolare non illustrata possono anche essere parzialmente combinate insieme così che una unità possa espletare le funzioni di più unità contemporaneamente o alternativamente.

Poiché la lancia deve lavorare in una cavità all’interno del rottame solido, le sue condizioni di lavoro risultano particolarmente avverse dal punto di vista meccanico, termico e chimico, ad esempio per la presenza di schizzi di materiale fuso. Inoltre la verifica diretta delle condizioni di lavoro della lancia risulta generalmente difficoltosa. Per allungare la vita operativa della lancia viene previsto di ridurre vantaggiosamente la sezione frontale della lancia grazie alla disposizione compatta di tutti gli elementi che la compongono e alla progettazione di una punta a forma conica. Poiché questa è generalmente realizzata in rame è inoltre necessario prevedere anche un rivestimento, per esempio di Zr, per ridurre il rischio di danneggiamento causato da schizzi di metallo liquido o urti con il rottame. Una ulteriore caratteristica della lancia consiste nell’inserire sensori di temperatura nella punta di rame della lancia per monitorare la temperatura ed evitare danneggiamenti alla lancia dovuti a riflessioni di fiamma. Nel caso in cui la temperatura della lancia superasse valori accettabili, la lancia potrà essere ritirata dal forno per il tempo necessario al suo raffreddamento fino ad una temperatura accettabile. La pulizia degli ugelli durante le fasi di inattività è garantita da insufflaggio di aria nella lancia.

Un modo di realizzazione pratico del processo di postcombustione come sopra descritto, per ottimizzare i risultati, prevede una opportuna distribuzione, in funzione del tempo, dei valori di alcuni parametri relativi alla iniezione delle sostanze, quali combustibile, ossigeno e carbone, per mezzo della lancia conforme all’invenzione in tutta la parte iniziale del processo di fusione globale che avviene nel forno elettrico ad arco.

Un possibile profilo di utilizzo vantaggioso della lancia conforme all’invenzione, durante la prima fase della sua attivazione è mostrato dai grafici delle figure da 10 a 13.

Il grafico della Fig. 10 indica con la funzione D come viene variata la potenza del bruciatore nel tempo nella fase iniziale dopo l'attivazione dell’energia elettrica. L’asse delle ascisse rappresenta il tempo trascorso

in minuti e l’asse delle ordinate la potenza P del bruciatore in MW. La

freccia Z, in questo grafico e in quelli successivi, indica la fase temporale

a partire dalla quale nel forno la quantità di rottame solido al di sopra del

bagno è trascurabile.

Nel grafico della Fig. 11 la funzione E mostra l’andamento nel tempo dei

valori della portata Po di ossigeno per decarburazione 15 iniettato nel

bagno con la lancia.

Nel grafico della Fig. 12 la funzione F mostra l’andamento nel tempo

della portata Pc di carbone 16 iniettato dalla lancia nel forno.

Nel grafico della Fig. 13 la funzione G mostra l’andamento nel tempo

della portata Po in Nm<3>/h dell’ossigeno di post-combustione 17 iniettato

dalla lancia.

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Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Processo di postcombustione di gas generati in un processo di fusione di rottame ferroso in un forno elettrico (2) ad arco, in cui è previsto l’utilizzo di una lancia di iniezione (1 ) con le caratteristiche della rivendicazione 11 , provvista in modo integrato di almeno un iniettore di ossigeno, almeno un iniettore di carbone e almeno un bruciatore/postcombustore, detto processo comprendente gli stadi seguenti: a) avvicinamento della testina della lancia (1 ) a detto rottame definente la carica del forno (2), attraverso una apertura della parete del forno (2); b) accensione del bruciatore integrato nella lancia per un tempo sufficiente alla fiamma prodotta a fondere una porzione di rottame disposta di fronte alla punta della lancia, formando una cavità nella massa di rottame; c) spegnimento di detto bruciatore dopo la fusione di una parte sostanziale del rottame; d) avanzamento della lancia all’interno di detta cavità, quando almeno il 50% del rottame inizialmente caricato si trova ad un livello ad essa superiore; e) iniezione di un primo getto di ossigeno o aria per decarburazione a velocità supersonica; f) iniezione di un secondo getto di carbone nel metallo liquido; g) iniezione di un terzo getto di ossigeno o aria per effettuare la postcombustione dei gas generati nel forno, mantenendo detta lancia (1 ) all’interno di detta cavità nel rottame.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui è previsto uno stadio in cui detto bruciatore di gas combustibile è alimentato per brevi periodi, riaccendendo la fiamma, per stabilizzare la struttura di detta cavità e per fondere pezzi di rottame caduti di fronte alla lancia.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui è previsto uno stadio in cui avviene l’incremento a gradini dei flussi iniettati dai detti primo , secondo, terzo getti per periodi di durata predefinita.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista l’iniezione di metano nel metallo liquido, in sostituzione o ad integrazione dell’iniezione di carbone;
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui detto forno elettrico ad arco (2) presenta dimensioni con rapporto altezza/diametro maggiore di 1 e in cui la carica di rottame solido è di almeno 90 tonnellate effettuata mediante cesta unica;
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui lo stadio b) inizia meno di 10 minuti dopo l’innesco dell’arco elettrico.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 4 in cui lo stadio b) inizia 5 o 6 minuti dopo l’innesco dell’arco elettrico.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui l’accensione del bruciatore dura per meno di 30 minuti.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 6 in cui l’accensione del bruciatore dura per circa 15 minuti.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui lo stadio g) inizia 5 o 6 minuti dopo l’innesco dell’arco elettrico.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui durante lo stadio d) l’avanzamento della lancia all’interno di detta cavità avviene quando almeno l’80% del rottame inizialmente caricato si trova ad un livello ad essa superiore;
12. 12. Lancia di iniezione (1) per forno (2) di fusione elettrico ad arco comprendente almeno tre unità di iniezione (U1, U2, U3) di sostanze per il processo di fusione del ferro nel forno, ciascuna di dette unità essendo composta da almeno un ugello per produrre un getto della rispettiva sostanza, che sbocca alla estremità di detta lancia (1), in cui una prima unità (U1) forma un bruciatore di gas combustibile e ossigeno, una seconda unità (U2) forma iniettore di ossigeno supersonico, una terza unità (U3) forma iniettore di sostanza solida in polvere, in cui dette tre unità (U1, U2, U3) sono unite insieme in un involucro unico.
13. 13. Lancia secondo la rivendicazione 11 in cui detta prima unità (U1) è composta da un primo ugello (20, 30, 40, 50) circondato da una serie di secondi ugelli (21, 31, 41, 51) disposti circolarmente intorno a detto primo ugello.
14. 14. Lancia secondo la rivendicazione 11 in cui detta seconda unità (U2) è composta da una pluralità di ugelli (32, 33; 42, 43; 52, 53).
15. 15. Lancia secondo la rivendicazione 11 in cui detta pluralità di ugelli (32, 33; 42, 43; 52, 53) di detta seconda unità (U2) è disposta affiancata.
16. 16. Lancia secondo la rivendicazione 11 in cui detta pluralità di ugelli (32, 33; 42, 43; 52, 53) di detta seconda unità (U2) è disposta coassialmente.
17. 17. Lancia secondo la rivendicazione 11 in cui detta terza unità (U3) è composta da un primo ugello (44) circondato da un secondo ugello (45) disposto coassialmente intorno a detto primo ugello (44).
18. 18. Lancia secondo la rivendicazione 11 in cui detta terza unità (U3) è composta da un primo ugello (54) circondato da una serie di secondi ugelli (55) disposti circolarmente intorno a detto primo ugello (54).