ITUD980095A1 - Procedimento di fusione perfezionato e dispositivo idoneo a concretizzare detto procedimento - Google Patents

Procedimento di fusione perfezionato e dispositivo idoneo a concretizzare detto procedimento Download PDF

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ITUD980095A1
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Description

Descrizione del trovato avente per titolo:
"PROCEDIMENTO DI FUSIONE PERFEZIONATO E DISPOSITIVO IDONEO A CONCRETIZZARE DETTO PROCEDIMENTO"
CAMPO DI APPLICAZIONE
Formano oggetto del presente trovato un procedimento di fusione perfezionato, ed un dispositivo idoneo a concretizzare detto procedimento, come espressi nelle rispettive rivendicazioni principali .
Il trovato si applica nel settore della fusione dei metalli in cui si prevede l'iniezione, all'interno del contenitore di fusione e nel corso del ciclo di fusione, di gas tecnologici e materiali solidi combustibili in polvere o particelle.
Detta iniezione di materiali aggiuntivi permette di costituire sorgenti di energia alternativa alla sorgente principale, normalmente l'energia elettrica, e di concretizzare specifiche reazioni chimiche e tecnologiche che migliorano il rendimento del ciclo di fusione e la qualità del prodotto ottenuto .
STATO DELLA TECNICA
Attualmente nei processi fusori , ad esempio ma non solo nei forni elettrici ad arco , è nota la pratica di insufflare all ' interno del contenitore di fusione gas tecnologici comburenti e combustibili , quali ossigeno , metano , gas naturali ed altri , ed iniettare particelle o polveri solide di materiali combustibili contenenti carbonio .
Tale pratica ha multiple funzioni ed effetti sul processo di fusione .
Una prima funzione è quella di produrre energia supplementare a quella primaria, ad esempio l'energia elettrica nel caso dei forni elettrici ad arco.
Una seconda funzione è quella di generare reazioni chimiche di formazione della scoria, nonché ottenere lo schiumaggio della scoria stessa, ciò aumentando l'effetto di schermatura dell'arco elettrico e quindi il suo rendimento.
Ulteriore funzione è quella di esercitare ed attivare le necessarie operazioni metallurgiche.
L'iniezione e l'insufflaggio di gas e materiali solidi vengono realizzati mediante l'impiego di specifiche macchine dedicate, quali lance supersoniche o consumabili per quanto riguarda l'ossigeno, bruciatori per ossigeno e combustibili gassosi, e lance per quanto riguarda l'iniezione delle particelle di carbone.
Sono note nella tecnica macchine che realizzano insieme la funzione di lancia supersonica e di bruciatore.
L 'iniezione del carbone avviene invece mediante appositi dispositivi iniettori, o lance, disposti in punti distribuiti sulle pareti del contenitore di fusione oppure attraverso aperture, ad esempio la porta di scorifica.
Pur essendo tale pratica molto diffusa nelle operazioni comunemente svolte in ambito metallurgico e pur appartenendo ampiamente allo stato della tecnica nota, ciò nonostante essa comporta notevoli problematiche di carattere processuale, meccanico ed impiantistico.
In primo luogo, il numero delle macchine installate sulle pareti del contenitore di fusione è molto elevato e di conseguenza comporta notevoli problematiche di installazione, regolazione, messa a punto, controllo e gestione sia a livello di processo che di manutenzione.
In secondo luogo, alcune di tali macchine devono essere inserite nel volume fusorio, comportando notevoli aggravi termomeccanici e spesso rotture improvvise o difetti di funzionamento.
In particolare, è nota la configurazione in cui l'ossigeno tecnologico viene insufflato nel bagno di metallo liquido e superiormente viene iniettata la polvere di carbone; tale polvere di carbone reagisce solo in piccola parte con l'ossigeno, sia esso in forma gassosa o in forma di ossido di ferro, non sfruttando l'intero potenziale energetico e chimico. Inoltre, la velocità delle reazioni chimiche che si instaurano è condizionata dalla velocità di diffusione di ciò che viene introdotto a causa dei gradienti di concentrazione presenti nella regione superiore del bagno di metallo liquido e nello strato di scoria soprastante che costituiscono il principale vettore di ossido-riduzione; solo in modo limitato la velocità delle reazioni chimiche è condizionata dal trasferimento fluidodinamico dovuto al trasporto di massa.
Per trovare una soluzione alle limitazioni ed alle problematiche delle configurazioni sopra descritte, nonché per ottenere ulteriori vantaggi evidenziati nel seguito della descrizione, le proponenti hanno studiato, sperimentato e concretizzato l'oggetto del 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.
Lo scopo del trovato è quello di concretizzare un processo fusorio perfezionato mediante l'utilizzo di uno o più moduli combinati lancia supersonicabruciatore-lancia carbone.
In altre parole, il trovato prevede di utilizzare moduli che assiemano in un dispositivo sostanzialmente monocorpo almeno un gruppo iniettore di ossigeno, ed eventualmente di combustibile gassoso, ed almeno un gruppo iniettore di particelle combustibili solide contenenti carbonio.
I vantaggi che l'utilizzo di detti moduli combinati permette di ottenere sono molteplici.
In primo luogo, si ottiene il raggiungimento della fase operativa in tempi limitati, dell'ordine di 2÷5 minuti, senza la necessità di operare da aperture praticate sulla periferia del volume fusorio, quale ad esempio la porta di evacuazione della scoria.
In secondo luogo, viene ottenuto un maggior apporto di energia in fase di fusione, con conseguenti maggiori rendimenti.
Inoltre, vi è una maggiore resa di fusione, intesa come rapporto tra il peso del metallo liquido ottenuto e quello del materiale caricato.
Ulteriori vantaggi tecnologici ottenuti derivano dalla maggiore resa dell'ossigeno iniettato, dall'incremento delle velocità di reazione con conseguente minore durata del processo, dalla maggiore creazione di scoria schiumosa con conseguenti vantaggi sull'efficienza dell'energia elettrica, dal maggiore trasferimento di energia dalla fase liquida a quella solida, grazie al meccanismo di trasferimento di energia mediante trasferimento di massa.
Dal punto di vista operativo si ottiene un abbattimento delle operazioni di installazione e di manutenzione ed una minore probabilità di fermate accidentali.
In una soluzione esemplificativa, la pratica operativa del ciclo di fusione utilizzando uno o più dispositivi secondo il trovato è articolata nelle seguenti fasi:
1) fase di riscaldo della fase solida, ad esempio rottami, pellets o simili, contenuta all'interno del forno.
Mediante l'attivazione del solo bruciatore, ad esempio del tipo ossi-metano con rapporti stechiometrici dell'ordine di 1:2+2,5, si porta in qualche minuto il materiale solido affacciato ai moduli combinati secondo il trovato alla temperatura di fusione.
2) fase ossidante.
Incrementando progressivamente l'insufflaggio dell'ossigeno e/o diminuendo quello del combustibile, si crea lo spazio per l'iniezione del materiale solido contenente carbonio; allo stesso tempo viene ottenuta una quantità sufficiente di metallo liquido fortemente ossidato che facilita l'innesco delle reazioni che determinano la formazione della scoria schiumosa
3) fase fusoria.
L'insufflaggio dell'ossigeno viene portato al valore nominale e parallelamente viene avviata l 'iniezione della polvere di carbone in modo tale che i due getti si intersechino in un punto soprastante il bagno liquido.
La possibilità di ottenere la miscelazione ossigeno-combustibile solido al di sopra del bagno liquido, ed eventualmente al di sopra dello strato di scoria, permette di ottimizzare l'apporto energetico da trasferire al bagno di fusione.
La veicolazione della polvere di carbone con il flusso di ossigeno permette inoltre di ottenere un effetto di trasporto meccanico nel corpo del getto di ossigeno e permette di ottenere una trasformazione sostanzialmente completa del carbonio in biossido di carbonio.
Questa trasformazione in biossido di carbonio permette lo sfruttamento intensivo dell'intero potenziale energetico che viene interamente trasferito al materiale solido residuo che circonda la regione in cui tali reazioni hanno luogo.
Il processo di trasferimento termico viene oltretutto promosso dalla formazione di ingenti volumi di scoria schiumosa e dal vigoroso rimescolamento di essa, cui si accompagna un ulteriore trasferimento di energia dalla fase liquida e gassosa alla fase solida.
4) fase di affinazione.
Durante tale fase l'intensità del getto supersonico di ossigeno viene, in caso di necessità, sfruttata per agitare ed omogeneizzare il bagno e per ottenere il desiderato tenore di carbonio nel bagno liquido.
Secondo il trovato, la posizione dei moduli combinati, lancia supersonica-bruciatore-lancia carbone, sulle pareti del contenitore di fusione nonché l'orientamento reciproco dei relativi getti, è opportunamente studiata di volta in volta in modo da garantire l'appropriato l'angolo di incidenza della fiamma, del getto di ossigeno e del getto di carbone.
La funzionalità di bruciatore e quella di lancia supersonica possono, in una soluzione di variante, essere integrate in un unico gruppo, la cui tipologia è nota allo stato dell'arte; quella di lancia a carbone viene realizzata mediante un gruppo dedicato disposta in posizione adiacente, affiancata, sottoposta o sovrapposta, rispetto al primo e costituente sostanzialmente una macchina integrale con esso.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Le f igure allegate sono fornite a t itolo esemplificativo , non limitativo , ed illustrano alcune soluzione preferenziali del trovato.
Nelle tavole abbiamo che :
- la fig. 1 illustra parzialmente in sezione e dall ' alto un forno di fusione dotato del disposi t ivo combinato secondo il trovato;
- la fig. 2 illustra, con una sez . X-X di fig . 1 , la soluzione con i gruppi disposti uno sopra l'altro;
la fig. 3 illustra una vista parzialmente dall'alto, e dall'esterno del forno, del dispositivo combinato secondo il trovato in cui i gruppi sono posti adiacenti fra loro;
la fig. 4 illustra una vista parzialmente dal basso, e dall'esterno del forno, del dispositivo di fig. 3;
le figg. 5 e 6 illustrano, rispettivamente, le sezioni A-A e B-B di fig. 3
le figg. 7a, 7b, 7c e 7d illustrano, rispettivamente da dietro, di fianco, dall’alto e di fronte, un modulo combinato secondo il trovato in una prima realizzazione con gruppi sovrapposti;
le figg. 8a, 8b, 8c e 8d illustrano rispettivamente da dietro, di fianco, dall'alto e di fronte, un modulo combinato secondo il trovato in una seconda realizzazione con gruppi adiacenti;
la fig. 9 illustra un diagramma temporale delle fasi del procedimento secondo i l trovato .
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Nelle figure allegate con il numero 10 viene identificato un dispositivo, o modulo combinato, per l'iniezione all'interno di un forno 11, od altro contenitore di fusione, di ossigeno e gas tecnologici nonché di carbone in polvere o particelle.
Uno o più di detti dispositivi combinati 10 vengono disposti sulle pareti 12 del forno 11, prevedendo un passaggio tra i pannelli di raffreddamento 13, sul quale viene applicata una flangia di montaggio 14.
Nella fig. 1 con 15 sono identificati gli elettrodi del forno elettrico 11, mentre in fig. 2 il numero 16 identifica il livello del bagno liquido ed il numero 17 identifica il livello dello strato soprastante di scoria.
Detti livelli 16 e 17 rappresentano una situazione di sostanziale regime, o livello nominale, dopo la almeno parziale fusione della massa metallica all'interno del contenitore di fusione 11.
Il dispositivo 10 comprende un primo gruppo 18 avente, nel caso di specie, funzione di bruciatore e lancia supersonica di ossigeno, ed un secondo gruppo 19 avente funzione di lancia di iniezione di carbone su veicolo gassoso.
Detti gruppi 18 e 19 sono assemblati sulla flangia di montaggio 14 in posizione ravvicinata a costituire sostanzialmente una macchina unica ed in modo tale che i rispettivi flussi di materiale, indicati con 21 e 22 si incontrino all'interno del forno in un punto o zona 20 posto in posizione voluta, vantaggiosamente in una posizione soprastante lo strato di scoria 17.
In una prima soluzione, illustrata nelle figg. 7a-7d, i gruppi 18 e 19 sono disposti sovrapposti uno all'altro.
Nel caso di specie, il gruppo 18 avente funzione di bruciatore-lancia supersonica è posto al di sopra del gruppo 19 avente funzione di iniettore di carbone, essendo analogo il caso in cui il gruppo 19 sia posto al di sopra del gruppo 18.
Nella soluzione illustrata nelle figg. 8a-8d, i gruppi 18 e 19 sono posti affiancati sostanzialmente sullo stesso piano.
I gruppi 18 e 19 sono, nella loro struttura, sostanzialmente di tipo noto.
II gruppo 18 (fig. 6) comprende una coppia di entrate 23a e 23b per l ' alimentazione dell ' ossigeno ed una entrata 24 per l ' alimentazione del gas combustibile, ad esempio metano (CH4) , od altro gas avente caratteristiche analoghe .
Dette entrate 23a, 23b e 24 confluiscono in un condotto adduttore 25 il cui asse longitudinale 26 è inclinato di un angolo di incidenza a rispetto al piano definito dal bagno liquido 16(fig. 7b).
II gruppo 19 (fig. 5) comprende una entrata assiale 27 per l'alimentazione del carbone e due entrate periferiche, rispettivamente 28 e 29, per l'alimentazione dell'ossigeno e del gas combustibile, detti gas costituendo il veicolo gassoso per l'invio del combustibile solido contenente carbonio all'interno del contenitore di fusione 11.
L'asse 31 del condotto di adduzione 30 presenta un angolo di incidenza β rispetto al bagno liquido 16. Sia il gruppo 18 che il gruppo 19 presentano vantaggiosamente circuiti di raffreddamento indipendenti, costituiti da tubature 32, associati a rispettive entrate ed uscite dell'acqua, indicate genericamente con 33.
I circuiti di raffreddamento servono anche per raffreddare la flangia 14, e vengono qui dati per noti in sè e non ulteriormente descritti.
Nel caso di specie, entrambi i gruppi 18 e 19 sono montati sulla flangia di montaggio 14 per mezzo di giunti sferici 34 associati fori 35 (figg. 7d e 8d). Detti giunti sferici 34, di per sè noti, consentono di orientare i gruppi 18 e 19, e quindi i relativi flussi 21 e 22, sia rispetto al bagno di metallo liquido 16, sia l'uno rispetto all'altro, ottenendo di volta in volta regolazioni ed effetti correlati al tipo di fusione in corso, alla fase specifica del ciclo ed al risultato perseguito.
Secondo il trovato, nella soluzione preferenziale, l'altezza dei gruppi 18 e 19 rispetto al livello nominale del bagno liquido 16 è compresa fra 500 e 1500 min.
L'angolo di incidenza a dell'asse 26 del condotto 25 adduttore di ossigeno e metano rispetto al bagno di metallo liquido 16 è compreso tra 25° e 55° e preferenzialmente tra 38° e 43°.
L'angolo di incidenza β formato dall'asse 31 del condotto 30 adduttore di carbone rispetto al bagno 16 è compreso tra 8° e 35° e preferenzialmente compresa tra 10° e 15°.
L'inclinazione azimutale dei due assi 26 e 31, cioè l’angolo γ (fig. 7c) formato dai due assi 26 e 31 con il piano radiale P passante per la parete del f orno in corri spondenza del l ' apertura di introduzione dei gruppi 18 e 19 , è compresa tra 0° e 35° .
L'inclinazione azimutale dell'asse 26 rispetto all’asse 31 è compresa tra 0° e 25°.
L'altezza o livello "1" (fig. 7b) del punto di intersezione 20 dei getti 21 e 22 rispetto al bagno liquido 16 è compresa, secondo il trovato, tra 150 e 300 mm.
La distanza radiale "R" del dispositivo 10 rispetto al punto di entrata dei getti 21 e 22 nel bagno liquido 16 è compresa tra 800 e 1500 mm.
La fig. 9 illustra un possibile diagramma temporale del processo di fusione realizzato secondo il trovato utilizzando uno o più dei dispositivi 10 sopra descritti.
Con la linea continua è indicato l'andamento temporale dell'emissione di ossigeno da parte del gruppo 18, con la linea tratteggiata è indicato l'andamento temporale dell'emissione del gas combustibile (CH4) sempre attraverso il gruppo 18 mentre con la linea tratto e punto è indicato l ' andamento temporale dell ' emissione del carbone attraverso il gruppo 19 .
Nella fase di riscaldo, dal tempo 0 al tempo t1, in cui viene utilizzato il solo gruppo 18 con funzione di bruciatore, il rapporto stechiometrico fra ossigeno e metano essendo compreso tra 1 e 2,5, e similmente al rapporto stechiometrico con altri combustibili gassosi.
Detta fase "serve per portare il materiale solido, posto all'interno del forno 11 ed in prossimità dei dispositivo 10, alla temperatura di fusione.
Nella successiva fase di ossidazione, dal tempo tl al tempo t2, viene incrementata la percentuale di ossigeno erogata dal gruppo 18 (secondo una variante, viene anche diminuita la percentuale di gas combustibile), creando un voluto spazio tra i rottami mediante loro fusione, detto spazio essendo propedeutico per l'iniezione del carbone.
Al tempo stesso si genera metallo liquido fortemente ossidato che innesca le reazioni chimiche che determinano la formazione di una scoria fortemente schiumosa, la quale favorisce la trasmissione dell'energia elettrica fornita dagli elettrodi, aumentando il rendimento dell'arco.
Nella successiva fase di fusione vera e propria, dal tempo t2 al tempo t3, viene attivato il gruppo 19 per l'iniezione del getto 22 di combustibile solido contenente carbonio.
Detto getto 22 va ad intersecare il getto 21 di ossigeno e gas, favorendo il trasporto meccanico del carbone verso il bagno di metallo liquido 16.
In questa fase, e grazie alla disposizione dei due gruppi 18 e 19, si ottiene la completa ossidazione del carbonio in biossido di carbonio, con intensivo sfruttamento del potenziale energetico che può essere completamente trasferito al bagno 16.
Si formano in questa fase ingenti volumi di scoria schiumosa fortemente agitata, con conseguente incremento del trasferimento di energia al bagno di metallo in formazione.
La fase di affinazione, che ha avvio dal tempo t3, può prevedere la graduale diminuzione del getto di ossigeno che non ha più la funzione di stimolare ed intensificare reazione chimiche ma ha sostanzialmente il compito di agitare ed omogeneizzare il bagno ed ottenere il desiderato tenore di carbonio.
E' ovvio che la durata delle singole fasi, così come la scelta progettuale dei corretti valori di portata e pressione dei flussi, dei corretti orientamenti dei gruppi 18 e 19 tra loro e rispetto al bagno, così come ogni altra scelta di processo operativa o tecnologica sono affidate agli operatori del settore in funzione, di volta in volta, delle specifiche del processo e dei risultati richiesti.

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI 1 - Dispositivo per erogare ossigeno e/o gas comburenti, quali metano o simili, e/o combustibili solidi in polvere o particelle contenenti carbonio all'interno di un contenitore di fusione (11) per metalli, caratterizzato dal fatto che comprende un gruppo (18) con asse di erogazione (26), avente funzione di bruciatore e/o di lancia supersonica per l'erogazione di ossigeno e/o gas comburenti, ed un gruppo (19) con asse di erogazione (31), avente funzione almeno di lancia di carbone, detti gruppi (18, 19) essendo assemblati sulla parete del contenitore di fusione (11) mediante un elemento di montaggio (14) comune a costituire un dispositivo integrato monocorpo. 2 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il gruppo (18) ed il gruppo (19) presentano i rispettivi assi (26, 31) di erogazione inclinati rispetto al bagno di metallo (16) presente all'interno del contenitore di fusione (11) ed orientati uno rispetto all’altro in modo che l'intersezione (20) dei rispettivi getti (21, 22) giaccia al di sopra di detto bagno di metallo (16). 3 - Dispositivo come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il livello ("1") dell'intersezione (20) rispetto al bagno di metallo (16) è di almeno 150 mm. 4 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'angolo (a) formato dall'asse (26) di erogazione del gruppo (18) rispetto al bagno di metallo (16) è compreso tra 25° e 55°, preferenzialmente tra 38° e 43°. 5 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'angolo (β) formato dall'asse (31) di erogazione del gruppo (19) rispetto al bagno di metallo (16) è compreso tra 8° e 35°. 6 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'angolo γ formato dai due assi (26, 31) con il piano radiale (P) passante per la parete del contenitore di fusione (11) in corrispondenza dell'apertura di introduzione dei gruppi (18, 19) è compreso tra 0° e 35°, preferenzialmente tra 10° e 15°. 7 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'angolo formato fra l'asse (26) e l'asse (31) è compreso tra 0° e 25°. 8 - Dispositivo come ad una o l ’ altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'altezza di montaggio dei gruppi (18, 19) rispetto al bagno di metallo (16) è di almeno 400 mm. 9 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il gruppo (18) è posto affiancato sostanzialmente sullo stesso piano del gruppo (19). 10 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti fino a 8, caratterizzato dal fatto che i gruppi (18, 19) sono posti uno sopra l'altro. 11 - Dispositivo come ad una o l’altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i gruppi (18, 19) sono associati a rispettivi circuiti di raffreddamento indipendenti. 12 - Procedimento di fusione di metalli in un contenitore di fusione (11), in cui uno o più dispositivi (10) di cui ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti sono montati sulle pareti (12) del contenitore di fusione (11) , caratterizzato dal fatto che prevede una prima fase di riscaldo (0-tl) in cui viene attivato il solo gruppo (18) avente funzione di bruciatore con erogazione di ossigeno e gas comburenti con un rapporto stechiometrico compreso tra 1 e 2,5, una seconda fase di ossidazione (t1-t2) in cui la percentuale di ossigeno viene aumentata e/o la percentuale di gas comburenti viene diminuita per creare una forte ossidazione nel metallo parzialmente fuso all'interno del-contenitore di fusione ed una terza fase (t2-t3) di fusione in cui viene attivato il gruppo (19) avente funzione di lancia di carbone per l’instaurarsi delle reazioni chimiche di ossidazione del carbonio in biossido di carbonio. 13 - Procedimento come alla rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la fase di fusione è seguita da una fase di affinazione in cui la quantità di ossigeno erogata viene fortemente diminuita. 14 - Dispositivo come ad una o l'atra delle rivendicazioni precedenti da 1 a 11 e procedimento come alle rivendicazioni 12 e 13, caratterizzato dal fatto che adottano i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni.
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