ITUD950003A1 - Procedimento di fusione per forno elettrico ad arco con sorgenti alternative di energia e relativo forno elettrico ad arco - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"PROCEDIMENTO DI FUSIONE PER FORNO ELETTRICO AD ARCO CON SORGENTI ALTERNATIVE DI ENERGIA E RELATIVO FORNO ELETTRICO AD ARCO"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Formano oggetto del presente trovato un procedimento di fusione in un forno elettrico ad arco con sorgenti alternative di energia ed il relativo forno elettrico ad arco come espressi nelle rispettive rivendicazioni principali.

Il presente trovato si applica nel campo dei forni elettrici ad arco per la fusione di leghe a base ferro ed è concepito e studiato per ottimizzare l'efficienza e la produttività dell'impianto utilizzando sorgenti alternative di energia.

Il presente trovato mira ad ottenere un risparmio di energia elettrica durante il ciclo di fusione ed a ridurre i tempi di ciclo, aumentando il numero di colate/giorno ottenibili; inoltre, il trovato tende ad aumentare il fattore di resa dell'energia alternativa introdotta.

Il trovato si applica sia per forni a corrente continua che per forni a corrente alternata.

I forni a cui il trovato si applica possono essere sia con canale di spillaggio che con foro di spillaggio senza alcun vincolo sul posizionamento di tale foro.

E' una tipica e preferenziale, anche se non esclusiva, applicazione del trovato l'utilizzo in forni che vengono fatti lavorare con il metodo "a palude", ossia con un piede liquido sempre presente. Ciò significa che quando si estrae il metallo fuso dal forno, detto metallo fuso non viene estratto completamente.

Il trovato è altresì indicato per la fusione di cariche completamente fredde.

Il trovato si applica sia per carica del forno con rottame a mezzo ceste, sia con rottame in continuo, sia per carica in continuo di preridotto, sia per cariche miste.

STATO DELLA TECNICA

Nei procedimenti di fusione dei metalli è nota la procedura di iniettare all 'interno del forno elementi gassosi a base ossigeno, eventualmente in combinazione con combustibili carboniosi, per concretizzare una reazione di ossidazione con detti combustibili, e con gli elementi chimici ossidabili presenti sia nella massa metallica fusa che nel rottame.

Detta reazione di ossidazione permette, teoricamente, di recuperare il potenziale intrinseco di energia del carbonio e di detti elementi chimici presenti sia nel metallo liquido che nel rottame mediante una reazione di ossidazione esotermica.

Gli elementi gassosi a base ossigeno come iniettati possono essere costituiti da aria, aria arricchita di ossigeno ed anche da ossigeno puro. Detti elementi gassosi possono essere soffiati sul metallo fuso per mezzo di lance poste superiormente alla superficie del bagno e/o mediante ugelli o tubiere posti sul fondo del forno.

Il documento US-A-3.459.867 insegna ad utilizzare bruciatori che inviano ossigeno in dose stechiometrica e quindi con voluta eccedenza di ossigeno.

Detti bruciatori agiscono lungo una circonferenza posta tra gli elettrodi e la parete del forno ed il loro funzionamento è ad inseguimento sì da creare un vortice nella parte vuota del forno.

Il documento GB-A-2.115.Oli insegna ad insufflare, dal sotto del bagno di metallo liquido, del gas di agitazione e di trasformazione.

Insegna inoltre ad introdurre dall'alto materiali solidi carboniosi ed insegna ad utilizzare tubiere poste sulla parete che inviano miscele di gas verso il bagno.

Il documento GB-A-1.421.203 insegna ad inviare ossigeno ed altri gas dal fondo in una zona compresa tra gli elettrodi e la parete del forno.

Il documento FR-B-2.208.988 insegna ad inviare gas nel forno dall'alto verso il basso ed insegna inoltre ad inviare gas dal sotto dei rottami e/o del bagno di metallo liquido, sia nella zona degli elettrodi che tra detti e la parete del forno.

Detto documento prevede poi nella parete una o più lance che inviano ossigeno e/o altri gas, in una configurazione ad inseguimento, tra gli elettrodi e la parete del forno ciò per creare un grande mescolamento dei gas nella parte vuota del forno.

Il documento EP-Bl -257 .450 descrive un procedimento in cui vengono utilizzate una pluralità di lance che inviano ossigeno, o miscele di ossigeno, tra gli elettrodi e le pareti interne del forno ed una pluralità di ugelli disposti sotto il bagno liquido e nelle zone dove operano dette lance.

ossidazione.

La tecnologia delle tubiere consente una miglio omogeneizzazione dell'acciaio liquido che permette un funzionamento intensivo in condizione di "arco lungo", senza generare disuniformità di temperatura, una diminuzione del tempo di fusione ed altri vantaggi ancora.

Nella tecnica nota, l'insufflaggio dal fondo è stato sempre realizzato praticamente con pressioni relativamente alte e con portate di gas relativamente basse, attraverso una pluralità di tubiere distribuite sul fondo, generalmente di piccolo diametro.

Questa metodica comporta un veloce transito dell'ossigeno attraverso il bagno di metallo fuso, detto ossigeno andando per lo più a bruciare nella parte vuota del forno fino alla volta del forno stesso.

Inoltre, la regolazione dell'insufflaggio durante i vari cicli di lavoro viene eseguita sulla portata dei gas, e la pressione risulta variabile quale fatto consequenziale della variazione della portata. Va notato che nella tecnica nota le tubiere vengono poste sostanzialmente simmetricamente sulla suola del forno, e spesso in corrispondenza delle lance di emissione ossigeno; dette lance di emissione ossigeno vengono peraltro collocate nella parte alta del forno.

Una tale disposizione delle tubiere e delle lance di ossigeno e di altri gas non porta forti miglioramenti dell'efficienza e della produttività dell'impianto di fusione, in quanto detti gas vanno a bruciare nella parte vuota del forno e spesso finiscono di bruciare nel condotto evacuazione fumi. Lo stato della tecnica sopra evidenziato non è pertanto idoneo a fotografare la realtà della tecnica e tecnologia nota, sì che, di fatto attualmente non vi è ancora alcun forno elettrico ad arco che utilizzi su vasta scala energia alternativa e che funzioni in modo efficiente e continuativo con risultati apprezzabili.

Le esperienze note sono tutte abortite con risultati poco soddisfacenti sì che, di fatto, forni elettrici ad arco, assistiti da energia alternativa, che funzionano industrialmente, ad ora non ce ne sono.

La proponente si è quindi posta da tempo il compito di mettere a punto un procedimento ed un forno elettrico che, nella pratica normale di acciaieria, forniscano una continuità di produzione con effettivo ed efficace uso di energia alternativa e con tempi tap-to-tap estremamente ridotti, sì da permettere anche fino a 24/26 colate al giorno con un forno elettrico ad arco.

Allo scopo di ottenere elevata produttività d'impianto, tempi di fusione ridotti, consumi di energia contenuti ed omogeneizzazione del bagno, la proponente ha quindi lungamente studiato e sperimentato e successivamente realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rispettive rivendicazioni principali.

Le rivendicazioni secondarie espongono varianti all’idea di soluzione principale.

Il presente trovato utilizza in modo innovativo la tecnologia delle tubiere e dei dispositivi soffiatori per l’iniezione di gas e di combustibili all'interno del forno.

Detta iniezione di ossigeno e di combustibili a base di carbonio ha lo scopo di determinare un rapido avvio delle reazioni chimiche esotermiche di ricombinazione, per ossidazione, degli elementi chimici presenti nel bagno liquido, subito sopra di esso e nei rottami durante il progredire della fusione.

Secondo il trovato, detta iniezione di ossigeno e di combustibili è effettuata in modo da aumentare l'area superficiale interessata dalla reazione, sì I da avere una ampia distribuzione diretta del calore, una notevole riduzione del consumo di energia elettrica e dei tempi di fusione della carica.

La proponente ha sorprendentemente scoperto che i migliori risultati si ottengono quando si riesce a concretizzare le reazioni di ricombinazione CO 0 = C02 nell'area compresa tra la superficie del bagno di metallo liquido e l'area subito soprastante la scoria, sì da sfruttare da una parte l'effetto di trattenimento e distribuzione della conformazione schiumosa della scoria, e dall'altra l'effetto di trasmissione diretta del calore che la scoria ha nei confronti del bagno di metallo liquido.

Il ciclo di produzione secondo il presente trovato l è applicabile a qualunque tipologia di carica anche se, a titolo indicativo, nella presente descrizione ci soffermeremo sostanzialmente su tre tipologie di materiale di partenza per arrivare all'acciaio liquido.

La prima tipologia esemplificativa di materiale di partenza prevede l'utilizzo di soli rottami.

caricando il forno con più cariche, cioè introducendo nel forno la quantità voluta di rottami in più fasi; tipicamente, nei casi nel seguito considerati, il numero di cariche è pari a due.

La seconda tipologia esemplificativa di materiale di partenza prevede una miscela di rottami e ghisa liquida, in percentuali volute e vantaggiosamente con cariche alternate, tipicamente una carica di rottame, una carica di ghisa liquida ed una successiva carica di rottame.

La terza tipologia esemplificativa di materiale di partenza prevede una miscela di rottame e ferrospugna (ferro pre-ridotto), in percentuali volute, vantaggiosamente con una prima ed unica carica di rottame unitamente ad una quantità di ferrospugna ed una successiva carica continua della restante quantità di ferrospugna.

Il trovato prevede di iniettare all'interno del forno:

gas ossidante dal fondo mediante tubiere d'ossigeno poste nella suola del forno, detto gas essendo inviato con basse pressioni e con portate elevate;

- ossigeno ed ossigeno più combustibile (in funzione delle fasi di lavoro del forno), dall'alto verso il basso, mediante bruciatori posti sulle pareti del forno in cooperazione con i pannelli raffreddati presenti subito al di sopra dello strato di refrattario; detto invio avviene con un angolo, rispetto all'orizzonte, compreso tra.20° e 45°;

- ossigeno all'interno del bagno liquido mediante lance supersoniche operanti appena al di sopra della superficie del metallo liquido ed invianti l'ossigeno con un angolo, rispetto all'orizzonte, compreso tra 40° e 50°, vantaggiosamente 45°;

- combustibili carboniosi su veicolo gassoso, sullo strato di scoria, mediante lance carbone poste appena al di sopra della superficie della scoria ed invianti detto combustibile carbonioso dall'alto verso il basso con un angolo, rispetto all’orizzonte, compreso tra 20° e 35°, vantaggiosamente 30°;

- combustibili carboniosi su veicolo gassoso mediante tubiere carbone che inviano detti combustibili tra il metallo liquido e lo strato di scoria.

Il trovato tende a concretizzare reazioni chimiche indotte e controllate, in una zona ben specifica del forno, sì da beneficiare del massimo sfruttamento delle potenzialità energetiche dei singoli elementi Detti ugelli posti sul fondo vengono utilizzati anche per agitare il bagno ed uniformare l'azione di soffiaggio delle lance in quanto, anche quando si utilizzano lance di tipo supersonico, il getto dei gas di combustione non riesce a pervenire ad una profondità superiore a 20-30 cm del bagno fuso, a meno di non utilizzare lance a perdere.

Gli ugelli e le tubiere della tecnica nota funzionano tipicamente con pressioni fino a 60 bar, normalmente tra 5 e 20 bar.

Tale pressione elevata fa sì che la reazione esotermica si verifichi per lo più nella parte vuota del forno, ciò comportando una sostanziale perdita di energia termica attraverso l'uscita fumi.

Detti ugelli o tubiere sul fondo, come si vede dall'US-A-3.902.889 e dall'EP-B1-257.450, presentano un diametro di emissione ossigeno compreso tra 3 e 6 mm e sono vantaggiosamente a doppio tubo, presentando un tubo centrale con emissione di O2 ed una fessura anulare con emissione di idrocarburi e/o gas inerti con scopo di raffreddamento.

L'utilizzo di tubiere, per l’insufflaggio dal fondo di ossigeno, ad esempio combinato con fluidi differenti quale l'argon, l'azoto ed il metano, permette di migliorare ed uniformare la reazione di ed in particolare del fenomeno della postcombustione con una elevata efficacia dal punto di vista energetico verso il bagno di metallo liquido.

In particolare, all'interno del bagno liquido, nello strato di scoria od appena sopra detto strato di scoria, il trovato tende ad indurre ed a favorire una pluralità di reazioni chimiche.

L'ossigeno iniettato dal fondo dalle tubiere ossigeno, salendo dal fondo secondo un ampio cono di dispersione, reagisce in gran parte con il Fe presente nel metallo liquido creando FeO, il quale va a ricombinarsi con il C proveniente dalla carica e comunque presente nel bagno.

Tale ricombinazione libera l'Fe e genera CO, il quale tende a salire al di sopra del metallo liquido e nella scoria.

L'ossigeno erogato dalla lancia supersonica, entrando in profondità nel bagno reagisce con l'Fe provocando sostanzialmente la stessa reazione generata dall'ossigeno delle tubiere ossigeno.

La lancia supersonica invia l'ossigeno in concordanza di fase con il verso di rotazione del bagno liquido, sicché si verifica una distribuzione del calore prodotto ed una omogeneizzazione su tutta la superficie del bagno stesso.

Le sostanze carboniose inviate dalle tubiere carbone riducono l'eccesso di FeO generando CO, il quale contribuisce alla voluta formazione di scoria schiumosa.

La lancia carbone, in concordanza con la lancia ad ossigeno supersonica, determina una zona fortemente riducente al di sopra dello strato di scoria e, per la rotazione della scoria stessa, tale zona riducente si distribuisce in un'area fortemente irrorata da ossigeno, contribuendo alla formazione di ulteriore CO che va ad aumentare la conformazione schiumosa della scoria.

L'ossigeno erogato dai bruciatori coinvolge il CO presente nella scoria schiumosa ed il CO fuoriuscente da essa generando una reazione di post-combustione con forte erogazione di calore in stretta prossimità della scoria schiumosa.

Detta scoria schiumosa determina il trasferimento della maggior parte di detto calore al metallo liquido.

Ciò permette di ottenere i migliori vantaggi in termini di trasmissione termica al bagno liquido e di uniformità del potenziale termico risultante sostanzialmente su tutta la superficie del bagno. Secondo il trovato, i dispositivi soffiatori operano sostanzialmente nella zona centrale del forno.

Un primo gruppo di detti dispositivi soffiatori agisce tangenzialmente ad una corona definita da una prima circonferenza esterna che ha un valore massimo di circa lo 0,70 del diametro interno superiore del forno, definito in corrispondenza dei pannelli raffreddati, e da una seconda circonferenza interna che ha un valore minimo di circa lo 0,25 del diametro interno superiore.

Un secondo gruppo di detti dispositivi soffiatori agisce direttamente verso il centro del forno.

Questa orientazione dei dispositivi soffiatori determina una uniformazione ed una omogeneizzazione del trasferimento di energia termica a tutta la massa di metallo liquido, senza ingenerare i problemi di usura che sorgono nella tecnica nota quando i getti dei soffiatori operano in prossimità o contro le pareti in refrattario del forno, contro gli elettrodi e contro la volta del forno ovvero quando la post-combustione avviene nel vano libero del forno.

Il procedimento di fusione secondo il trovato è sostanzialmente suddivisibile in almeno due fasi distinte che caratterizzano ogni singolo ciclo di carica del materiale più una terza fase che interviene quando la carica è fusa.

La prima fase corrisponde al caricamento del forno ed all'avvio della fusione della carica.

In questa prima fase vi è la necessità di un grosso apporto energetico per avviare la fusione della carica, in particolare nel caso di carica fredda.

Questa prima fase è caratterizzata da un utilizzo accentuato dei bruciatori nella loro funzione specifica, ossia in questa prima fase i bruciatori iniettano ossigeno e combustibile, generalmente metano, per innescare una reazione di combustione che genera una ingente quantità di calore.

In questa prima fase, secondo il trovato, almeno un bruciatore è utilizzato per contribuire alla liberazione rapida dai rottami della zona anteriore alla lancia supersonica ed alla lancia carbone, ciò per liberare lo spazio necessario all'introduzione di dette lance all'interno del forno sì che possano rapidamente essere messe in funzione.

Inoltre, detto bruciatore interessa una zona che altrimenti risulterebbe essere una zona fredda.

In questa prima fase, le tubiere ossigeno inviano gas ossidante dal fondo con alte portate e con pressione bassa.

Detta pressione dell'ossigeno può essere costante ovvero variabile, in continuo o con uno o più' gradini.

Si vuole infatti ottenere che l'ossigeno iniettato dal fondo si espanda in una ampia zona e si sposti lentamente nel metallo liquido per ottenere la migliore e più completa combinazione con le molecole di ferro.

In questa prima fase, l'emissione dell'ossigeno mediante le lance supersoniche non avviene subito ma quando è presente un minimo battente di metallo liquido e tutta la zona relativa è sgombra di rottami.

La seconda fase riguarda il completamento della fusione della carica.

In questa seconda fase, l'alimentazione di combustibile ai bruciatori viene interrotta e detti bruciatori vengono fatti funzionare sostanzialmente come lance ad ossigeno sub-soniche il più possibile operanti in prossimità della superficie della scoria schiumosa.

In questa seconda fase, si ha un intenso utilizzo delle lance supersoniche e dei mezzi di soffiaggio del carbone per intensificare le reazioni chimiche sopra indicate.

Secondo il trovato, la pressione di insufflaggio, ossigeno delle tubiere ossigeno può essere costante oppure può essere aumentata progressivamente (come detto in continuo o secondo uno o più gradini) anche per fornire una maggiore quantità di ossigeno in relazione alla richiesta del bagno.

Detta pressione di insufflaggio, tuttavia, rimane sempre nell'intorno di valori limitati, non superando mai un valore di 8+10 bar all'ingresso della tubiera ossigeno.

La portata dell'ossigeno nelle tubiere ossigeno, almeno nella prima e nella seconda fase di fusione, è variabile tra un valore minimo, per ogni singola tubiera ossigeno, di circa 2,8 Nm<3>/min ed un valore massimo di circa 4,2 NmVmin.

La bassa pressione di insufflaggio a cui l'ossigeno viene erogato non crea nè problemi di schizzi di acciaio liquido, nè soprattutto crea problemi del tipo lancia termica con consequenziale perforazione della volta.

Inoltre, la grande quantità di ossigeno e la bassa pressione di insufflaggio determinano la creazione di un'ampia zona di diffusione e di un forte rimescolamento nel metallo fuso.

Le reazioni esotermiche che ne derivano trasferiscono una sostanziale quantità di calore direttamente all 'interno della massa di metallo liquido ed in una vasta area dello stesso.

Il posizionamento e l’orientazione delle lance ad ossigeno subsoniche è tale da garantire un ampio effetto di copertura della superficie della scoria, anche tenendo presente i moti convettivi del bagno liquido e della scoria su un piano sostanzialmente orizzontale.

Va rilevato che la bassa pressione di insufflaggio dal fondo determina anche minor turbolenza nel bagno e quindi minori problemi all'arco elettrico, migliorandone di conseguenza la resa.

La terza fase del procedimento è la fase di affinazione.

In questa terza fase i bruciatori, sia in quanto tali che in quanto lance ad ossigeno subsoniche, sono normalmente disattivati in quanto la resa dei bruciatori diventa trascurabile.

Infine, vi è lo spillaggio del metallo liquido. In questa fase, se si lavora con il piede liquido, viene comunque mantenuta una quantità voluta e definita di metallo liquido all’interno del forno. Nel caso in cui sia presente un piede liquido, le tubiere sul fondo vengono mantenute in funzione con una pressione minima di insufflaggio, nell’intorni di 3+4 bar con una portata minima di 1,5+1,8 Nm<3>/min, eventualmente insufflando soltanto gas inerti.

Detta pressione minima è quella. sufficiente a vincere la pressione ferrostatica del detto piede liquido ed a contrastare l'azione dinamica che la carica esercita sul metallo liquido nel momento della sua introduzione.

Tale valore minimo è quindi calcolato affinchè non si verifichi un riflusso di metallo liquido all'interno delle tubiere, il che porterebbe all'occlusione delle stesse.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Le f igure allegate sono fornite a titolo esemplificativo non limitativo ed illustrano una soluzione preferenziale del trovato .

Nelle tavole allegate abbiamo che :

- la fig. 1 illustra una vista dall'alto, parzialmente in sezione, del forno elettrico ad arco secondo il trovato; - la fig. 2 illustra schematicamente una sezione longitudinale del forno elettrico ad arco di fig. 1;

- la fig. 3 illustra parzialmente il forno elettrico in sezione longitudinale;

- la fig. 4 illustra un'altra sezione longitudinale del forno elettrico ad arco;

- la fig. 5 illustra un'ulteriore sezione longitudinale del forno elettrico ad arco;

- le figg. 6, 7 e 8 illustrano tre possibili differenti cicli di fusione del forno elettrico ad arco secondo il trovato; - la fig. 9 illustra in sezione una possibile forma di realizzazione della tubiera ossigeno secondo il trovato;

- la fig. 10 illustra schematicamente il sistema di alimentazione alle tubiere ossigeno secondo il trovato.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Il forno elettrico 10 illustrato nelle figg. da 1 a 5 comprende, nel caso di specie, tre elettrodi superiori 11, rispettivamente 11a, 11b e 11c, per la generazione dell'arco elettrico.

La descrizione che segue riguarda quindi un forno elettrico ad arco funzionante a corrente alternata con piede liquido, ma resta valida anche nel caso di forno elettrico a corrente continua ovvero di forno senza piede liquido.

Il forno elettrico ad arco 10 è attrezzato con tubiere ossigeno 13 poste nella suola 14, nel caso di specie in numero di quattro.

Le tubiere ossigeno 13 sono poste, secondo il trovato, all'interno di una corona che circonda il cerchio 34 che racchiude gli elettrodi 11 ed è esterna ad esso.

Detta corona, che in funzione della struttura della suola 14 del forno 10 può essere circolare ovvero presentare un’altra configurazione assimilabile, risulta definita da un perimetro esterno e da un perimetro interno.

Il perimetro esterno è definito da un diametro che è vantaggiosamente pari a circa 0,50+0,70 del diametro interno superiore come definito nella parte alta del forno 10 ove sono presenti i pannelli raffreddati 31, mentre il perimetro interno è definito da un diametro che è vantaggiosamente pari a circa 0,25+0,35 del detto diametro interno superiore.

Secondo il trovato, l'asse verticale della tubiera ossigeno 13, rispetto alla parete verticale in refrattario 30 più vicina, deve distare di un valore compreso tra almeno 0,7 e 1,4 volte l’altezza del battente liquido in corrispondenza della specifica tubiera ossigeno 13.

Nel caso di specie, illustrato in fig. 1, le tubiere 13 sono disposte sostanzialmente lungo una circonferenza pari a circa 0,55 del diametro interno superiore e sono poste nel semicerchio anteriore della suola 14 verso il foro di colata 32.

Detto semicerchio è definito dal piano verticale posto ortogonale al piano verticale longitudinale che passa per il foro di colata 32 e per l'asse centrale del forno 10 stesso.

E' presente almeno una tubiera ossigeno 13 in una posizione di sostanziale cooperazione con il foro di aspirazione fumi 36 posto sulla volta del forno 10 ed indicato tratteggiato in fig. 1.

Secondo il trovato {fig. 9), le tubiere ossigeno 13 presentano un condotto centrale 18 di adduzione ossigeno ricavato mediante foratura di un profilo poligonale 19 in rame.

Detto profilo poligonale 19 viene circoscritto con un condotto cilindrico 20 in modo da creare una pluralità di settori 21 tra ogni lato 17 del profilo poligonale stesso 19 e la circonferenza interna del condotto cilindrico 20.

I settori 21 costituiscono i passaggi per la miscela gassosa di raffreddamento.

Il condotto centrale 18 di adduzione ossigeno presenta vantaggiosamente un diametro compreso tra 10 e 20 mm, preferenzialmente tra 10 e 14 mm.

La miscela di raffreddamento passante nei settori 21 è costituita da almeno un gas ad alto potere raffreddante, nel caso di specie metano, e da un gas di diluizione, o di "riempimento", nel caso di specie C02.

La fig. 10 illustra, con uno schema a blocchi, il sistema di regolazione istantanea della percentuale dei detti componenti della miscela di raffreddamento.

La regolazione della percentuale viene eseguita per mantenere fisso, o sostanzialmente fisso, e con 11 valore determinato a priori quale indispensabile per assicurare il necessario e voluto raffreddamento della tubiera 13, il rapporto fra le quantità di gas raffreddante presente nella miscela e la portata di ossigeno.

Nel caso di specie, la regolazione primaria avviene, tramite il circuito di regolazione 27, sulla pressione dell'ossigeno iniettato attraverso il condotto di adduzione 18 della tubiera ossigeno 13.

Detta regolazione di pressione influenza la portata dell'ossigeno, detta portata venendo letta in continuo dal lettore di portata 23 ed inviata al regolatore 24.

Detto regolatore 24 agisce sulla valvola 25, posta sulla linea di alimentazione del C02 in modo da variarne la pressione.

La variazione di pressione del C02 determina una variazione corrispondente della portata del C02, detta variazione di portata venendo compensata nel miscelatore 26 da una variazione del CH4.

Secondo il trovato, la portata minima di gas ossidante nella fasi di fusione, per ognuna delle dette tubiere 13, è pari a circa 2,8 Nm<3>/min, mentre la portata massima può arrivare a circa 4,2 Nm<3>/min. In fase di spillaggio, ovvero nelle fasi di attesa della carica, in particolare quando è comunque presente un piede liquido all'interno del forno, viene mantenuta una pressione di insufflaggio di circa 3+4 bar, con portate minime dell'ordine di 1,5+1,8 Nm<3>/min.

La pressione di insufflaggio, secondo la conformazione del forno, può essere uguale per tutte le tubiere ossigeno 13 o può essere caratteristica per ogni tubiera ossigeno 13, in funzione della relativa posizione.

Detta pressione non è mai superiore a 10 bar misurati all'ingresso della tubiera 13 per un’altezza del bagno di metallo liquido di 0,7+1,1 m sulla verticale della tubiera ossigeno 13.

Per 1'insufflaggio dell'ossigeno all'interno del bagno liquido 16 ed al di sopra di esso, è presente una lancia supersonica 12 abbinata ad una lancia carbone 29.

Detta lancia supersonica 12 e detta lancia carbone 29 operano nell'area antistante alla porta del forno 35.

Dette lance 12 e 29 operano inoltre tangenzialmente ad una circonferenza interna a.l cerchio 34 che contiene gli elettrodi 11 ed in concordanza di fase con il senso di rotazione del bagno di metallo liquido 16 e della scoria 22.

Nel caso di specie (fig. 3), la lancia supersonica 12 e la lancia carbone 29 presentano una prima rispettiva posizione di inattività 12a e 29a esterna al forno 10, una seconda rispettiva posizione di attesa 12b e 29b esterna al forno, ed una terza posizione di lavoro 12c e 29c posta all'interno del forno 10.

Nella loro terza posizione di lavoro 12c e 29c, la lancia supersonica 12 e la lancia carbone 29 sono inclinate verso il bagno di metallo fuso di un angolo di circa 30°, la lancia supersonica 12 presenta la bocca di uscita in stretta prossimità con la superficie del metallo liquido 16 mentre la lancia carbone 29 presenta la bocca di uscita in stretta prossimità con la superficie dello strato di scoria 22.

La lancia supersonica 12 invia l'ossigeno sul metallo fuso 16 con un angolo sull'orizzonte compreso tra 40° e 50°, vantaggiosamente 45°.

La lancia supersonica 12 inietta nel metallo liquido l’ossigeno attraverso un foro di uscita singolo e con un getto fortemente direzionato, definendo un'area 33a sulla superficie del bagno liquido 16; detto ossigeno iniettato dalla lancia supersonica 12, per la parte che non si combina con l'Fe, fuoriesce in un’area 33b posta generalmente all'interno del cerchio 34 che iscrive gli elettrodi 11.

La lancia supersonica 12 è orientata ad operare nel metallo fuso in una zona sprovvista di tubiere ossigeno 13.

In cooperazione con le pareti in refrattario 30, sostanzialmente a livello dello strato di scorie 22, sono presenti tubiere carbone 15, nel caso di specie in numero di due (fig. 1).

Dette tubiere carbone 15 sono vantaggiosamente costituite da tubi ceramizzati sostituibili, sono generalmente montate in modo fisso ed hanno la funzione di inviare le sostanze carboniose sul bagno liquido 16 al di sotto dello strato di scoria 22. Dette tubiere carbone 15 sono rivolte verso il centro del forno 10 e sono montate in posizione sostanzialmente orizzontale (15a, fig. 4).

Secondo una variante, dette tubiere di carbone 15 (15b, fig. 3) sono inclinate verso il basso di un angolo compreso tra circa 30° e 45° rispetto all'orizzonte.

Una di dette tubiere carbone 15 coopera con la lancia supersonica 12 per fornire sostanze carboniose sottoscoria.

L'altra tubiera carbone 15 coopera con una zona posta a lato del foro di spillaggio 32, in una zona fortemente irrorata dall'ossigeno proveniente dalle tubiere ossigeno 13.

Sulle pareti raffreddate 31 del forno elettrico 10 secondo il trovato sono installati i bruciatori 28. I bruciatori 28 agiscono dall'alto verso il basso e sono inclinati sull'orizzonte di un angolo compreso tra circa 20° e 45° .

Secondo il trovato, i bruciatori 28 emettono l’ossigeno ad una velocità sub-sonica.

Nel caso di specie, sono presenti sei bruciatori 28 di cui due bruciatori 28a e 28b sono orientati verso il centro del forno 10 a cooperare, nella prima fase di fusione, con gli elettrodi 11 e, nella seconda fase di fusione, con le sostanze carboniose della tubiera carbone 15 e con l'ossigeno delle tubiere ossigeno 13.

Vi è poi almeno un bruciatore, nel caso di specie il bruciatore 28e, il quale collabora anche per liberare il percorso della lancia supersonica 12 sì che detta possa rapidamente essere messa in posizione di lavoro 12c.

Detto bruciatore 28e ha anche il compito di erogare ed uniformare il calore sul rottame nella zona antistante alla porta del forno 35 che altrimenti risulterebbe fredda.

Gli altri bruciatori 28c, 28d e 28f sono disposti secondo una configurazione ad inseguimento ed indirizzano il loro getto secondo una direzione sostanzialmente tangente ad una pluralità di circonferenze.

Due di detti bruciatori 28f e 28c operano in zone superficiali che sono poste sulla verticale delle tubiere ossigeno 13, mentre l'altro bruciatore 28o, ed in parte il 28e, servono di trasporto del calore e congiunzione per completare l'effetto inseguimento.

Secondo il trovato, le circonferenze lungo cui operano i bruciatori 28 sono esterne al cerchio 34 degli elettrodi 11 e presentano un diametro compreso sostanzialmente tra 0,25 e 0,70 del diametro interno superiore del forno elettrico 10, allo scopo di interessare una corona che sostanzialmente coincide con la corona di posizionamento delle tubiere ossigeno 13.

In una prima soluzione del trovato, i bruciatori 28c-28f agiscono in senso concorde al normale senso di rotazione del bagno liquido 16 e dello strato di scorie 22 durante il processo di fusione.

Secondo una variante, come si può vedere in fig. 1 in cui i bruciatori 28 operano in senso contrario al funzionamento della lancia ossigeno supersonica 12 e della lancia carbone 29, i bruciatori 28c-28f agiscono in senso discorde al senso di rotazione del bagno liquido 16 e dello strato di scorie 22.

I bruciatori 28 presentano una bocca di uscita attrezzata con un numero di fori di erogazione ossigeno che va da 6 a 10.

In questo modo, il getto di ossigeno emesso si espande a creare una vasta zona laterale interessata, indicata con H in fig. 1, che amplia il campo interessato dalle reazioni di ossidazione e migliora l'apporto energetico.

Le modalità di funzionamento dei bruciatori 28, della lancia supersonica 12, della lancia carbone 29, delle tubiere carbone 15 e delle tubiere ossigeno 13, nonché degli elettrodi 11, sono illustrate per tre possibili esempi applicativi nei diagrammi delle figg. 6-8.

In particolare, la fig. 6 illustra il caso applicativo di caricamento del forno con soli rottami in due cariche distinte; la fig. 7 illustra il caso di caricamento con rottami e ghisa liquida con una prima carica di rottami, una carica di ghisa liquida ed una seconda carica di rottami mentre la fig. 8 illustra il caso di caricamento con rottami e ferrospugna con una prima carica mista rottameferrospugna ed una seconda carica con solo ferrospugna.

I primi due casi illustrano anche una precisa fase di affinazione che segue la fase di fusione del metallo mentre nel terzo caso la fase di affinazione è continua.

I diagrammi illustrativi indicano che il trovato prevede, per ciascun ciclo di fusione della singola carica, di far funzionare i bruciatori 28, all’avvio della fusione, nella loro funzione specifica mediante emissione combinata di ossigeno e combustibile.

Nella seconda fase di fusione, o fusione avanzata, la percentuale di metallo fuso rispetto al totale del metallo presente all'interno del forno elettrico 10 ha raggiunto un valore significativo e ciò comporta una diminuzione del trasferimento del calore dai bruciatori 28 ai rottami ed al metallo liquido e quindi una sensibile riduzione dell'efficienza di detti bruciatori 28.

In questa seconda fase, viene interrotta l'alimentazione del combustibile ed i bruciatori 28 vengono fatti funzionare sostanzialmente come lance ad ossigeno sub-soniche.

Dai diagrammi, che si riferiscono a casi di funzionamento del forno elettrico 10 a piede liquido, si vede anche come le tubiere ossigeno 13 mantengano sempre una pressione minima di insufflaggio anche nelle fasi di pausa tra una carica e la successiva.

Ancora, si vede come la lancia supersonica 12 e la lancia carbone 29 vengano attivate soltanto in uno stadio di fusione avanzata, anche in questo caso quando la percentuale di metallo fuso rispetto al totale del metallo ha raggiunto un valore corrispondente alla presenza di un minimo battente liquido.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Procedimento di fusione per forno elettrico ad arco con sorgenti alternative di energia per la fusione di leghe a base ferro, detto forno elettrico (10) presentando tubiere ossigeno (13) poste sul fondo per l'erogazione di ossigeno, almeno una tubiera carbone (15) per erogare sostanze carboniose nell'intorno dell'area di contatto tra il bagno di metallo fuso (16) e lo strato di scoria (22), almeno una lancia supersonica (12) ad ossigeno cooperante con una lancia carbone (29) erogatrice di sostanze carboniose posta a lato o sopra detta lancia supersonica (12), dette lance (12, 29) presentando almeno una posizione di attesa (12b, 29b) esterna al forno ed una posizione di lavoro (12c, 29c) in cui la lancia supersonica (12) è posta in stretta prossimità alla superficie del metallo fuso (16) e la lancia carbone (29) è posta in prossimità della superficie dello strato di scoria (22), una pluralità di bruciatori (28) posti sulle pareti raffreddate (31) del forno (10) in prossimità del bordo superiore del materiale refrattario (30) sottostante, ed orientati verso il basso, eroganti gas a base ossigeno e sostanze combustibili, in cui almeno due primi bruciatori (28) lavorano ad inseguimento, detto forno (10) venendo caricato con una o più cariche, per ogni carica venendo prevista una prima fase di avvio della fusione ed una seconda fase di fusione, essendo prevista, dopo la fase di fusione dell'ultima carica, una fase di affinazione ed una fase di spillaggio, in cui: - nella prima fase di avvio della fusione, almeno un secondo bruciatore (28e) collabora per rapidamente liberare il percorso di introduzione all'interno del forno (10) della lancia supersonica (12) e della lancia carbone (29) per portare rapidamente dette lance (12, 29) nelle loro posizioni di lavoro (12c, 29c); - almeno un terzo bruciatore (28a) è direzionato verso il centro del forno (10) in cooperazione con almeno parte dell'area di uscita in superficie del bagno dell'ossigeno erogato da una tubiera ossigeno (13); - i bruciatori (28) operano nella prima fase come bruciatori, nella seconda fase come lance ad ossigeno sub-soniche e nella terza fase vengono sostanzialmente spenti; - le tubiere ossigeno (13) erogano ossigeno in grande quantità ed a bassa pressione; - l’erogazione delle sostanze carboniose è orientata verso il centro del forno (10) ed interviene in cooperazione con la scoria (22) sia al di sopra di essa che tra essa ed il metallo liquido; - le reazioni vengono fatte avvenire all’interno del bagno di metallo liquido (16), appena al di sopra della superficie del detto metallo liquido (16) e nell'intorno dello spessore della scoria (22) la quale viene elaborata per essere scoria schiumosa; - la reazione CO 0 = CO2 viene fatta avvenire appena al di sopra della superficie del metallo liquido (16) e nell'intorno dello spessore della scoria (22) per concretizzare il processo di postcombustione con massimo trasferimento di calore al metallo presente all'interno del forno (10). 2 - Procedimento come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno nella prima e nella seconda fase ogni tubiera ossigeno (13) eroga una portata minima di ossigeno pari a circa 2,8 Nm3/min mentre la pressione misurata all'ingresso della tubiera ossigeno (13) è al massimo di 10 bar, dette tubiere ossigeno (13) presentando un foro (18) di erogazione compreso tra 10 e 20 mm, le tubiere ossigeno (13) essendo poste rispetto alla specifica parete in refrattario (30) del forno ad una distanza minima compresa tra 0,7 e 1,4 volte l'altezza del battente liquido. 3 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la lancia supersonica (12) e la lancia carbone (29) operano verso il basso con un angolo compreso tra 20° e 35° ed operano nell'area antistante alla porta (35), almeno una lancia supersonica (12) ed una lancia carbone (29) operando in concordanza di fase con la rotazione del metallo fuso e tangenzialmente ad una circonferenza interna al cerchio (34) che racchiude gli elettrodi (11). 4 - Procedimento come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'ossigeno dalla lancia ossigeno supersonica (12) viene inviato nel metallo fuso (16) con un angolo compreso tra 40° e 50°. 5 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti , caratterizzato dal fatto che, nel caso di funzionamento a piede liquido, le tubiere ossigeno (13 ) presentano in ogni fase una pressione minima di insufflaggio funzionale al valore della pressione ferrostatica del detto piede liquido ed all ' azione dinamica della carica sul bagno di metallo liquido (16) nel momento della sua introduzione all’interno del forno, detta pressione minima alla tubiera (13) essendo pari ad almeno 3 bar con una portata minima di almeno 1,5 Nm<3>/min. 6 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la portata della miscela di raffreddamento in ogni singola tubiera ossigeno (13) viene regolata in funzione della portata del gas ossidante erogato attraverso la tubiera ossigeno (13) stessa. 7 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'erogazione dell'ossigeno da parte delle tubiere ossigeno (13) avviene sostanzialmente nella metà anteriore del forno (10) verso il foro di spillaggio (32) e la pressione di erogazione è uguale per tutte dette tubiere ossigeno (13). 8 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 6, caratterizzato dal fatto che l'erogazione dell'ossigeno da parte delle tubiere ossigeno (13) avviene sostanzialmente nella metà anteriore del forno (10) in cui è presente il foro di spillaggio (32) e la pressione di erogazione è caratteristica per almeno parte delle singole tubiere ossigeno (13). 9 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno una tubiera carbone (15) eroga carbone in una zona cooperante con l'area (33a) di introduzione ossigeno da parte della lancia supersonica (12). 10 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno una tubiera carbone (15) eroga carbone in una zona cooperante con il foro di spillaggio (32) ed in prossimità della zona operativa di almeno un terzo bruciatore (28) direzionato verso il centro del forno (10). 11 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno una tubiera carbone (15) eroga carbone in una zona cooperante con il foro di spillaggio (32) ed in prossimità dell'area soprastante di una tubiera ossigeno (13). 12 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i primi bruciatori (28) operanti ad inseguimento agiscono entro una sostanziale corona circolare definita da un diametro interno pari a circa 0,25 il diametro interno superiore del forno (10) e da un diametro esterno pari a circa 0,70 il diametro interno superiore del forno (10). 13 - Forno elettrico ad arco con sorgenti alternative di energia per la fusione di leghe a base ferro, detto forno elettrico (10) presentando tubiere ossigeno (13) poste sulla suola (14) per l'erogazione di ossigeno, almeno una.tubiera carbone (15) per erogare sostanze carboniose nell'intorno dell'area di contatto tra il bagno di metallo liquido (16) e lo strato di scoria (22), almeno una lancia supersonica (12) erogante ossigeno e cooperante con una lancia carbone (29) erogatrice di sostanze carboniose posta a lato o sopra detta lancia supersonica (12), dette lance (12, 29) presentando almeno una posizione di attesa (12b, 29b) esterna al forno ed una posizione di lavoro (12c, 29c) in cui la lancia supersonica (12) è posta in estrema prossimità alla superficie del bagno di metallo fuso (16) e la lancia carbone (29) è posta in prossimità della superficie dello strato di scoria (22), una pluralità di bruciatori (28) posti sulle pareti raffreddate (31) del forno (10) in prossimità del bordo superiore del materiale refrattario (30) sottostante ed orientati verso il basso, eroganti gas a base ossigeno e sostanze combustibili, in cui almeno due primi bruciatori (28) lavorano ad inseguimento, in cui almeno un secondo bruciatore (28e) è direzionato per operare nella zona antistante la lancia ad ossigeno supersonica (12), almeno un terzo bruciatore (28a) è direzionato verso il centro del forno (10), essendo l'area operativa (H) di detto terzo bruciatore (28a) cooperante con l'area operativa di almeno una tubiera ossigeno (13), i bruciatori (28) presentando una prima condizione di funzionamento in cui erogano ossigeno unitamente a materiale combustibile ed una seconda condizione di funzionamento in cui erogano solo ossigeno e svolgono la funzione di lance ad ossigeno sub-soniche, le tubiere ossigeno (13) presentando un foro di erogazione di almeno 10 m m essendo presenti almeno tre di dette tubiere ossigeno (13) nella semi area anteriore del forno (10). 14 - Forno elettrico ad arco come alla rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che le tubiere ossigeno (13) sono poste in una corona circolare definita da un perimetro esterno presentante un diametro pari a 0,70 del diametro interno superiore del forno (10) e da un perimetro interno presentante un diametro pari a 0,25 del diametro interno superiore del forno (10), dette tubiere ossigeno (13) essendo poste ad una distanza minima dalla rispettiva parete in refrattario (30) del forno compresa tra 0,7+1,4 volte il battente di metallo fuso. 15 - Forno elettrico ad arco come alla rivendicazione 13 o 14, caratterizzato dal fatto che le tubiere ossigeno (13) sono poste in una circonferenza definita da un diametro posto nell'intorno di 0,55 del diametro interno superiore del forno. 16 - Forno elettrico ad arco come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 13 in poi, caratterizzato dal fatto che ogni tubiera ossigeno (13) è costituita da un profilo poligonale cavo in rame (19) definente il condotto centrale (18) di passaggio ossigeno avente un diametro compreso tra 10 e 20 mm, e da un condotto cilindrico (20) circoscrivente detto profilo poligonale (19), detto condotto cilindrico (20) definendo tra la sua superficie interna e la superficie esterna del profilo poligonale (19) una pluralità di passaggi di transito (21) per la miscela di raffreddamento. 17 - Forno elettrico ad arco come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 13 in poi caratterizzato dal fatto che almeno una lancia , supersonica (12) e la rispettiva lancia carbone (29) sono orientate in concordanza di fase con la rotazione del metallo fuso e tangenti ad un cerchio interno al cerchio (34) che racchiude gli elettrodi (11) e verso il basso, essendo l'ossigeno inviato nel metallo fuso con un angolo compreso tra 40° e 50° rispetto all'orizzonte. 18 - Forno elettrico ad arco come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 13 a 17, caratterizzato dal fatto che le tubiere carbone (15a) sono montate orizzontali in cooperazione con le pareti in refrattario (30) e presentano la bocca di uscita posta sotto il livello superficiale dello strato di scoria (22). 19 - Forno elettrico ad arco come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 13 in poi fino a 17, caratterizzato dal fatto che le tubiere carbone (15b) sono montate orientate verso il basso con un angolo compreso tra 30° e 45° e presentano la bocca di uscita posta sotto il livello superficiale dello strato di scoria (22). 20 - Forno elettrico ad arco come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 13 in poi, caratterizzato dal fatto che le tubiere carbone (15) sono costituite da tubi ceramizzati sostituibili. 21 - Forno elettrico ad arco come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 13 in poi, caratterizzato dal fatto che i bruciatori (28) sono montati sulle pareti raffreddate (31) del forno, sono inclinati verso il basso di un angolo compreso tra 20° e 45° e presentano un numero di fori di uscita compreso tra sei e dieci,