ITUD980194A1 - Dispositivo integrato per l'iniezione di ossigeno e gas tecnologici e per l'insufflaggio di materiale solido in polvere e procedimento di utilizzo di detto dispositivo integrato per il trattamento metallurgico di bagni di fusione metallica - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"DISPOSITIVO INTEGRATO PER L'INIEZIONE DI OSSIGENO GAS TECNOLOGICI E PER L'INSUFFLAGGIO DI MATERIALE SOLIDO IN POLVERE, E PROCEDIMENTO DI UTILIZZO DI DETTO DISPOSITIVO INTEGRATO PER IL TRATTAMENTO METALLURGICO DI BAGNI DI FUSIONE METALLICA"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato un dispositivo integrato per l'iniezione di ossigeno e gas tecnologici in genere, nonché per 1'insufflaggio di materiale solido in polvere, come espresso nella relativa rivendicazione principale.

Forma altresì oggetto del trovato il procedimento che utilizza detto dispositivo integrato per il trattamento metallurgico di un bagno di fusione metallica.

Nel seguito della descrizione si parlerà prevalentemente di ossigeno intendendo comunque che il dispositivo di cui al trovato è utilizzabile anche per l'iniezione di un qualsiasi altro gas tecnologico, ad esempio aria, argon, azoto od altri, ovvero miscele degli stessi, in un processo metallurgico che preveda la presenza di un bagno di metallo liquido.

Il dispositivo secondo il trovato è idoneo ad insufflare, unitamente al getto gassoso di ossigeno o di altri gas tecnologici, anche un getto di materiale solido in polvere, quali ad esempio polvere di calce, di carbone o simile.

Il trovato si applica di preferenza, anche se non esclusivamente, nell'industria siderurgica ed è particolarmente indicato per l'applicazione nei procedimenti di fusione dell'acciaio, ad esempio nei forni elettrici ad arco.

STATO DELLA TECNICA

E' pratica comune e consolidata nei forni elettrici ad arco, ed in altre applicazioni dell'industria siderurgica e metallurgica, l'iniezione al di sopra ed all'interno del bagno metallico in fusione di gas tecnologici, nonché di materiale solido in polvere.

Per gas tecnologici si intendono generalmente ossigeno, azoto, argon, metano, propano, aria od altri gas aventi caratteristiche analoghe.

Per materiale solido in polvere si intendo generalmente polveri di coke , di carbone , ferroleghe , di calce , di dolomite o di altri materiali aventi caratteristiche analoghe .

Gli scopi di questa iniezione sono molteplici , tra i quali i più importanti sono :

- fornire un apporto energetico per la fusione;

- attivare la fase ossidante ed influenzare la defosforizzazione e la desulfurazione del metallo liquido;

- favorire lo schiumaggio della scoria;

- agevolare la fusione ed il taglio dei rottami;

- favorire l'agitazione del bagno, accelerando in questo modo il tempo di attivazione delle reazioni chimiche;

- attuare la decarburazione, ossia la regolazione del contenuto di carbonio, ed il controllo della temperatura di spillaggio;

- ottenere il modo di funzionamento a bruciatore, in cui ossigeno od aria arricchita con ossigeno agiscono come comburenti di gas naturale, metano, olio, propano, butano, carbone o di altri combustibili solidi o gassosi.

Nella tecnica nota vengono adottate due soluzioni principali per iniettare ossigeno od altri gas all'interno di un bagno liquido:

a) mediante lance raffreddate ad acqua e dotate terminalmente di un ugello, ad esempio del tipo convergente-divergente, idoneo a produrre in uscita un getto supersonico;

b) mediante lance di tipo consumabile.

L'utilizzo di lance raffreddate ad acqua determina i seguenti inconvenienti:

- la necessità di manipolazione;

- la perdita di energia del getto gassoso dovuta alla distanza dal bagno, il che spesso implica l'impossibilità del getto di penetrare all'interno del bagno;

la necessità di utilizzare elevate quantità d'acqua di raffreddamento per impedire la distruzione dell'estremità della lancia a causa del calore e delle sollecitazioni meccaniche;

- il pericolo di esplosioni causato dalle possibili perdite d’acqua;

- se la lancia viene portata molto vicina al bagno vi sono rischi di danneggiamento dovuti al calore, di lavaggio della sua estremità, di formazione di incrostazioni di acciaio e di erosione;

- se la lancia viene portata molto vicina ai rottami il getto gassoso può essere deviato ed anche riflesso contro l ' estremità od il lato della lancia e quindi provocarne il danneggiamento;

- è necessaria un ' altra lancia per la combustione del CO che evade dal bagno;

sono necessari altri dispositivi per l'insufflaggio di materiale solido in polvere.

Gli inconvenienti delle lance di tipo consumabile sono i seguenti:

- elevati costi delle parti che si consumano;

- è difficile determinare l'esatto posizionamento dell’estremità della lancia;

- è poco efficace nel distribuire il punto di impatto del getto;

a causa del surriscaldamento la lancia può incurvarsi e piegarsi;

- è necessario aggiungere nuovi segmenti di lancia mano a mano che essa si consuma e ciò richiede un ampio uso di attrezzature e manipolatori che sono costosi ed ingombranti;

- sono necessari ulteriori dispositivi per la postcombustione e per 1'insufflaggio di materiale solido in polvere.

Tra le due soluzioni, negli ultimi anni si è particolarmente sviluppato l'utilizzo delle lance supersoniche, con le quali è possibile iniettare la quantità di ossigeno necessaria mediante un getto S avente una velocità superiore alla velocità sonica del fluido nelle condizioni di temperatura e pressione di alimentazione.

Tuttavia, con l'attuale tecnologia l'insufflaggio dell 'ossigeno non viene eseguito in modo ottimale e funzionale al processo di fusione.

Infatti, nei sistemi noti l'impulso del getto di ossigeno è insufficiente a penetrare nel bagno di metallo liquido per una profondità sufficiente ad assicurare una dispersione adeguata nel bagno stesso (ad esempio pari a metà dell'altezza complessiva del bagno).

Tale getto, al momento dell'impatto con la superficie del bagno, genera onde d'urto di compressione di intensità molto elevata che determinano una dissipazione del getto ed una dispersione del gas sulla superficie del bagno, così che solo una minima parte del gas penetra nel bagno liquido di metallo fuso.

Tale impatto contro la superficie del bagno determina anche la perdita di coerenza e di parallelismo dei filetti fluidi del getto, con conseguente minore capacità di penetrazione.

Inoltre, tale sistema impone di montare la lancia supersonica su un manipolatore, o su altro organo meccanico che ne permetta la movimentazione, allo scopo di poter regolare la distanza di uscita rispetto alla superficie del bagno, in quanto il getto di ossigeno tende a disperdersi dopo pochi centimetri, dell’ordine di qualche decina, dall'uscita dall'ugello supersonico.

A causa di ciò, la pratica consolidata prevede di inserire la parte terminale della lancia supersonica all 'interno dello strato di scoria soprastante il bagno per garantire una sufficiente efficienza di introduzione dell'ossigeno nel bagno liquido, ma ciò non rappresenta comunque una soluzione ottimale.

Per risolvere tutti questi inconvenienti e per ottenere ulteriori vantaggi, la proponente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

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

Le rivendicazioni secondarie espongono altre caratteristiche dell'idea di soluzione principale. Lo scopo del trovato è quello di realizzare un dispositivo integrato per 1'insufflaggio di gas tecnologici all'interno di un bagno metallico che possa garantire una efficienza ed un rendimento massimi, una minima usura ed una complessità di utilizzo e manipolazione estremamente ridotti.

Altro scopo del trovato è quello di integrare in un unico dispositivo le funzioni di insufflaggio di gas, di iniezione di combustibili solidi in polvere o particelle, di bruciatore, di addizionatore di comburente nel processo di post-combustione e di iniettore di polveri per la passivazione della scoria.

Con il dispositivo secondo il trovato, un modulo unico permette di realizzare tutte le fasi del processo di fusione, ossia il riscaldo del materiale da fondere, la fusione ed il taglio dei rottami mediante iniezione di ossigeno ad alta densità, la decarburazione e lo schiumaggio della scoria, l'iniezione di combustibili solidi in polvere o particelle, la post-combustione e l'apporto energetico nella fase di decarburazione.

Le funzioni sopra menzionate possono essere, tutte od in parte, eseguite contemporaneamente.

In altre parole, il dispositivo secondo il trovato, in funzione delle necessità e della specifica fase del ciclo, può essere fatto funzionare come bruciatore a rapporto stechiometrico variabile ed a lunghezza di fiamma variabile, come iniettore di solo ossigeno o di altro gas tecnologico con alta resa di dispersione del flusso gassoso nel bagno liquido, o come iniettore simultaneo di gas tecnologici e di combustibili in polvere, ad esempio per ottenere la produzione di scoria schiumosa o per ottenere la passivazione della scoria stessa.

Il dispositivo secondo il trovato permette quindi, in un unico corpo, di integrare le funzioni che nella tecnica nota vengono normalmente svolte da tre dispositivi differenti, ossia una lancia supersonica per l'iniezione di un getto gassoso, una lancia subsonica o bruciatore per la post-combustione ed una lancia di iniezione di combustibile solido quale polvere di carbone od in generale polveri combustibili.

L'utilizzo del dispositivo secondo il trovato permette di ottenere vantaggi operativi sostanziali, quali ad esempio la riduzione della mano d'opera richiesta, una maggior sicurezza per gli addetti, condizioni di lavoro migliorate ed una maggiore controllabilità del processo.

In termini di processo, l'utilizzo del dispositivo secondo il trovato permette di ottenere i seguenti miglioramenti;

- riduzione del tempo tap-to-tap;

- riduzione del consumo di energia elettrica;

- riduzione del consumo degli elettrodi;

- miglior penetrazione del getto gassoso nel bagno di metallo;

- più accentuata turbolenza nel bagno, la quale comporta una temperatura più uniforme ed un più rapido scioglimento dei rottami;

- maggiore intensità di fusione;

- maggiore produttività e maggior efficienza nell'utilizzo dell'ossigeno nel bagno;

- minor concentrazione di ossigeno nel bagno liquido e quindi migliore qualità di acciaio;

- in accoppiamento con agitatori elettromagnetici permette, in alcuni casi, di eliminare la funzione delle tubiere di fondo;

- riduzione dell'erosione del refrattario;

maggiore efficienza di post-combustione e riduzione dell'ossido di carbonio nei gas di scarico dal forno;

- riduzione del raffreddamento ad acqua dei mezzi di iniezione;

- utilizzo più efficace della pratica di schiumaggio della scoria.

Il dispositivo secondo il trovato permette l'emissione simultanea di due getti sostanzialmente autonomi ed indipendenti, il che garantisce una elevata flessibilità e versatilità di funzionamento. Il dispositivo secondo il trovato è montato in modo fisso sulla parete del forno, e pertanto non richiede alcuna manipolazione, sostituzione di tubi, inserimento di attrezzature attraverso aperture del forno, con la necessità, ad esempio, di tenere aperta la porta di scorifica.

Detto dispositivo viene montato in modo che la sua inclinazione rispetto alla superficie del bagno liquido può essere variata per adattarsi alle mutevoli condizioni che si concretizzano all'interno del forno durante il ciclo.

Ad esempio, l'inclinazione del dispositivo può essere variata durante il processo allo scopo di seguire la diminuzione del livello del bagno liquido in modo da mantenere sostanzialmente costante l'angolo di incidenza del getto, con ciò evitando fenomeni indesiderati di riflessione del getto stesso .

Il dispositivo secondo il trovato può essere utilizzato in un sistema modulare che prevede una pluralità di punti di iniezione distribuiti sulla periferia del forno, ciò rendendo il sistema di iniezione estremamente flessibile e versatile e diminuendo i rischi di schizzi di metallo liquido contro le pareti del forno grazie al fatto di poter utilizzare portate minori per ciascun dispositivo.

Il dispositivo secondo il trovato permette l'emissione di un getto gassoso estremamente energetico e ad alta densità specifica, ciò favorendo la penetrazione nel metallo liquido ed aumentando l'efficienza anche in presenza di portate di gas ridotte.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Questi ed altri scopi e vantaggi del presente trovato appariranno chiari dalla descrizione della so luz ione pre f erenz iale fat ta a t i to lo esemplificativo , non limitativo , con riferimento alle tavole allegate, in cui :

- la fig. 1 illustra schematicamente un dispositivo integrato secondo il trovato;

- la fig. 2 illustra, in scala ingrandita, la sezione dell'ugello terminale associato al dispositivo di fig. 1;

- la fig. 3 illustra la disposizione dei canali in corrispondenza della sezione divergente dell'ugello di fig. 2;

- la fig. 4 illustra uno schema operativo del funzionamento a fiamma lunga nel modo bruciatore del dispositivo di fig. 1; - la fig. 5 illustra una variante di fig. 4;

- la fig. 6 illustra frontalmente uno schema di funzionamento della soluzione di fig. 5; - la fig. 7 illustra uno schema di funzionamento nel modo bruciatore del dispositivo secondo il trovato con iniezione di combustibile dal canale secondario;

- la fig. 8 illustra uno schema di funzionamento del dispositivo secondo il trovato utilizzato per l’insufflaggio di materiale solido in polvere e particelle;

- le figg. 9, 10, 11, 12 e 13 illustrano varianti di fig. 8.

DESCRIZIONE DELLE REALIZZAZIONI PREFERENZIALI DEL

TROVATO

Con riferimento alle figure allegate, il dispositivo secondo il trovato è indicato, nel suo complesso, con il numero 10.

Detto dispositivo 10 è idoneo ad essere montato sulle pareti di un forno per la fusione dei metalli, o di un recipiente in genere utilizzato per eseguire trasformazioni metallurgiche, e presenta terminalmente un ugello, od elemento di emissione, 23 la cui bocca di uscita 11 si colloca ad una definita distanza dal livello superiore del bagno liquido ed al di sopra dello strato soprastante di scoria.

In fase operativa, la bocca di uscita è collocata ad una altezza, rispetto alla superficie del bagno, compresa tra circa 0,5 m e 2,5 m.

L'angolo di incidenza del getto è compreso tra circa 30° e circa 70°, vantaggiosamente tra 40° e 50°.

Il dispositivo 10 è costituito da un corpo metallico 12 (fig. 1), idoneo ad essere inserito in una opportuna apertura, sigillata con mezzi di tenuta stagna, ricavata sulla parete del forno ed a cooperare con opportune attrezzature, di per sé note, per la sua manipolazione e per eventuali operazioni di inserimento, estrazione, orientamento, ecc.

La sigillatura stagna delle aperture presenti sulle pareti del forno permette di poter manovrare gli organi mobili di insufflaggio presenti, riducendo drasticamente la formazione di ossidi di azoto o dei precursori di essi (i cosiddetti NOx), e limitando in tal modo anche le dissipazioni e le dispersioni di energia della macchina.

Sulla parte terminale di detto corpo metallico 12 viene alloggiato detto elemento di emissione 23, il quale è internamente definito da una configurazione a doppio ugello.

In particolare, è presente un primo ugello 13, interno e sostanzialmente coassiale, per l'emissione di un getto supersonico di ossigeno, gas contenente ossigeno, o di altri gas tecnologici, ed un secondo ugello 14 anulare e sostanzialmente coassiale al primo ugello 13, per l'emissione di un getto subsonico, di ossigeno o di altre sostanze, ad esempio combustibili solidi o di altra natura.

Gli ugelli, primo 13 e secondo 14, sono opportunamente dimensionati in base a criteri matematici per ottenere la massima efficienza operativa e tecnologica, secondo il metodo di calcolo descritto e rivendicato in una domanda parallela a nome della proponente.

L'elemento di emissione 23 è fissato al corpo 12 in modo da poter essere facilmente e rapidamente montato-smontato sì da garantirne la sostituibilità in caso di usura o rottura anche senza interrompere il funzionamento del forno.

Il materiale di costituzione degli ugelli 13 e 14 è vantaggiosamente rame, acciaio inossidabile od altro metallo simile.

Secondo una variante, gli ugelli 13 e 14 sono realizzati, interamente od in parte, in materiale ceramico, in modo da ridurre la necessità del raffreddamento anche nelle fasi in cui il dispositivo 10 non è in funzione, si da facilitare la sostituzione di detti ugelli 13 e 14.

I due ugelli 13 e 14 sono disposti all'interno di un guscio di contenimento 15 all’interno del quale sono ricavati i canali 16 di circolazione dell'acqua di raffreddamento.

Secondo il trovato, il primo ugello 13, o ugello supersonico, presenta una conformazione convergente/divergente (o di Lavai) definita da una strozzatura 20 ricavata in una posizione a monte della sezione terminale 21 di detto ugello 13; detta strozzatura 20 definisce una parte a monte convergente 13a ed una parte a valle divergente 13b che a sua volta forma la sezione terminale 21.

Il secondo ugello 14, o ugello subsonico, esterno e concentrico al primo 13, presenta una forma convergente in cui la sezione terminale 22 converge verso l'asse 17 di detto primo ugello 13.

In una soluzione realizzativa , le rispettive sezioni terminali 21 e 22 degli ugelli 13 e 14 sono disposte interne rispetto alla bocca di uscita 11 dell'elemento di emissione 23 in modo che i rispettivi flussi interagiscano e si espandano all'interno dell'elemento 23 stesso prima dell’immissione nell'atmosfera del forno.

Il getto gassoso primario emesso dal primo ugello 13 assume una velocità di uscita che può essere regolata agendo sulla pressione del gas direttamente a monte dell'ugello 13 stesso.

Nella soluzione di fig. 1, tale pressione viene regolata da una valvola di strozzamento 18 disposta sulla mandata di alimentazione del gas a detto primo ugello 13. Tale valvola di strozzamento 18 viene regolata in retroazione da un gruppo di controllo 19 in base ai segnali relativi alla pressione istantanea del gas rilevata rispettivamente a monte ed in corrispondenza della strozzatura 20.

Tale sistema di regolazione in retroazione assicura il mantenimento delle caratteristiche del getto indipendentemente dalle condizioni di pressione/temperatura/densità all ' interno del forno affinché l ' espansione del getto supersonico avvenga completamente all ' interno dell ' elemento di emissione 23 .

Il passaggio del gas attraverso la strozzatura 2 determina un'accelerazione del flusso da subsonico a supersonico in corrispondenza della sezione di uscita 21 del primo ugello 13.

Detto flusso supersonico risulta termicamente ed operativamente protetto dall'anello esterno creato dal flusso secondario subsonico emesso dal secondo ugello 14, sì che detto flusso supersonico risulta meno influenzato ed influenzabile dalle condizioni operative all'interno dell'atmosfera del forno e del bagno.

Inoltre, tale flusso di gas secondario permette di ridurre i gradienti di velocità e dunque di diminuire le perdite di energia del getto primario .

In tal modo , la quantità di moto del getto pr imar io vi ene pre s erva ta e s c ludendo contemporaneamente la sua interazione con i gas circostanti.

Secondo la variante illustrata con un particolare in fig. 3, nella parte terminale divergente del primo ugello 13 vengono realizzate una pluralità di scanalature 24 circonf erenziali che hanno la funzione di stabilizzare il sottostrato di parete del flusso uscente da detto primo ugello 13.

Il getto primario emesso dal primo ugello 13 ha sostanzialmente la funzione di penetrare il bagno fino a circa metà della sua profondità complessiva e di disperdersi al suo interno, assicurando un efficienza di utilizzo sostanzialmente del 100%.

Tale iniezione avviene sostanzialmente senza spruzzi in quando la penetrazione del getto è determinata soltanto dalla quantità di moto posseduta dal getto erogato e non da reazioni chimiche.

Detto getto supersonico ha inoltre la funzione di creare una depressione nel bagno idonea ad aumentare la velocità di decarburazione, nonché di promuovere l'agitazione nel bagno con scambio di massa e di energia, favorendo l'omogeneizzazione e l'uniformazione del bagno.

Nello stesso tempo, si ottiene un incremento dell'effetto di schiumaggio e di omogeneizzazione della scoria soprastante.

Il flusso secondario emesso dal secondo ugello 14 convergente, creando un anello esterno e concentrico al getto emesso dal primo ugello 13, ha la funzione principale di circondare il flusso supersonico, proteggendolo termicamente e fluidodinamicamente dagli agenti perturbanti circostanti; con ciò viene aumentata 1 'indipendenza del getto supersonico rispetto alle condizioni presenti nell'atmosfera del forno.

La forma della sezione di uscita 22 del secondo ugello 14 può essere scelta in modo opportuno, ad esempio circolare, ellittica od altra, in funzione della posizione e direzione voluta del flusso.

Il flusso secondario emesso dal secondo ugello 14 raggiunge lo strato soprastante di scoria, avviando e stimolando la combustione del CO emergente dal bagno e fornendo un contributo energetico aggiuntivo per la fusione.

Con gli ugelli 13 e 14 conformati secondo il trovato, il getto supersonico uscente dal primo ugello 13 mantiene i filetti fluidi sostanzialmente paralleli per una lunghezza maggiore rispetto a quanto avviene con i sistemi tradizionali, senza che si abbia la dispersione del tubo di flusso causata dal rientro di altro gas entro il volume del getto stesso.

Inoltre, quando il getto viene introdotto in sistemi fluidi ad alta densità (ad esempio acqua, metallo liquido od altro) il getto supersonico del primo ugello 13 raggiunge profondità superiori, essendo detto getto dotato di maggiore quantità di moto e completamente circondato dal getto subsonico emesso dal secondo ugello 14.

Ciò a differenza di quanto accade con i sistemi tradizionali, in cui il flusso primario di gas, essendo già turbolento all'uscita dalla lancia, genera una cavità in corrispondenza della zona di penetrazione nel bagno, facendo sì che gran parte dell'ossigeno iniettato esca dalla regione di iniezione senza esercitare il desiderato'effetto nel bagno di metallo liquido e determinando così una riduzione del rendimento.

Il dispositivo 10, grazie alle caratteristiche di emissione sopra descritte, permette di lavorare ad una maggior distanza dal bagno e di non richiedere necessariamente un manipolatore come attualmente utilizzato, con conseguente minor usura e consumo delle sue parti meccaniche.

Secondo il trovato, il dispositivo 10 può operare nel modo bruciatore a rapporto stechiometrico e lunghezza di fiamma variabili, in cui il primo ugello 13 convergente/divergente viene utilizzato come tubo di Venturi per la miscelazione di una sostanza combustibile e di una sostanza comburente, quale ad esempio ossigeno o aria arricchita con ossigeno (fig. 4).

Nell 'utilizzo come bruciatore, il secondo ugello 14 può essere impiegato, in una variante, per emettere un getto di ossigeno, o di aria arricchita con ossigeno, allo scopo di ottenere una combustione a stadi, e quindi mantenere il rapporto combustibile/comburente nel flusso primario nelle condizioni sub-stechiometriche ed utilizzare il comburente secondario per completare la combustione. La configurazione a doppio ugello 13 e 14, nell'utilizzo come bruciatore, permette l'ottenimento di una pluralità di vantaggi, riducendo pure la formazione degli NOX.

In primo luogo permette di aumentare l'efficienza di trasferimento del calore convettivo e minimizza l 'eccesso di comburente totale per completare la combustione.

Inoltre, garantisce una elevata stabilità della fiamma in una ampia gamma di condizioni operative, permettendo di regolare le caratteristiche della fiamma stessa sia in termini di lunghezza che in termini di diametro in funzione del tipo di forno e dei parametri di processo richiesti.

La fig. 4 illustra una modalità di funzionamento a fiamma lunga, con il getto secondario esterno 25 anulare costituito da gas ricco di ossidante che circonda il getto primario interno 26 ricco in gas combustibile; tale funzionamento è particolarmente utile per abbattere, nelle fasi iniziali del ciclo, i rottami che si trovano di fronte alla bocca di uscita 11 del dispositivo 10.

In funzione delle condizioni operative del processo di trasformazione metallurgica, le prestazioni del bruciatore possono essere recrolate per modificare la lunghezza della fiamma ed anche i rapporti stechiometrici nelle varie zone della fiamma.

Le figg. 5 e 6 illustrano una variante in cui, in corrispondenza della sezione terminale 22 del secondo ugello 14 sono presenti elementi di deflessione 27.

Detti elementi 27, ruotando attorno ad un perno 29, possono assumere una prima posizione sostanzialmente orizzontale (indicata tratteggiata in fig. 6), in cui non interagiscono con i getti 25 e 26 permettendo la configurazione di funzionamento a fiamma lunga nel modo bruciatore, ed una seconda posizione almeno parzialmente inclinata (illustrata in linea continua), in cui parzializzano l'uscita del secondo ugello 14, generando un movimento vorticoso del getto secondario esterno (indicato con le frecce 28).

In funzione della maggiore o minore inclinazione di detti elementi di deflessione 27, e della conseguente maggiore o minore parzializzazione dell'uscita, si ottiene una regolazione della lunghezza e della forma della fiamma in funzione del risultato voluto.

Secondo un'ulteriore variante, almeno il primo ugello 13 è assialmente posizionabile rispetto alla bocca di uscita 11 del dispositivo 10, ad esempio retraibile, allo scopo di garantire la stabilità della fiamma indipendentemente dalle condizioni che si instaurano all'interno del forno.

Inoltre, tale retraibilità del primo ugello 13, se combinata con la retraibilità del secondo ugello 14, consente di creare una camera di precombustione interna all'elemento di emissione 23 che garantisce una efficace miscelazione dei due getti gassosi prima dell'introduzione nell'atmosfera del forno.

In un ulteriore modo di funzionamento, il secondo ugello 14 viene utilizzato per l’iniezione di materiale in polvere miscelato con un gas trasportatore o gas vettore (fig. 7).

Il materiale insufflato può anche essere un materiale combustibile di tipo solido in polvere o particelle, ovvero di tipo liquido atomizzato, ovvero ancora di tipo gassoso.

In questo caso, l'ugello primario 13 può essere utilizzato per l'iniezione di comburente secondario. Nella soluzione illustrata in fig. 8, il secondo ugello 14 viene utilizzato per iniettare materiale solido, quale polvere di carbone o calce, su veicolo fluido, ad esempio un gas inerte o simili.

Questa soluzione è particolarmente utile allo scopo di aumentare l'effetto di schiumaggio della scoria e la ricarburazione dell'acciaio liquido.

Inoltre, viene fornito un contributo di energia chimica, con conseguente risparmio nell'apporto di energia elettrica, e viene regolata la composizione della scoria ai valori più idonei per le volute condizioni operative all'interno del forno.

In tale modo di funzionamento, l'elemento di emissione 23 può essere sostituito per modificare la forma del secondo ugello 14 da una configurazione convergente (fig. 8), a configurazioni non convergenti (figg. 9, 12) con getto di uscita più o meno parallelo al getto primario emesso dal primo ugello 13.

La fig. 11 illustra un’ulteriore configurazione in cui il secondo ugello 14 presenta caratteristiche di elevata convergenza allo scopo dì favorire il trasporto del combustibile solido in polvere mediante il getto supersonico emesso dal primo ugello 13.

In un'ulteriore variante, il combustibile solido in polvere viene iniettato su veicolo fluido attraverso lo stesso primo ugello 13 (fig. 10), mentre il secondo ugello 14 può essere utilizzato per l'emissione di un getto subsonico a protezione del getto primario erogato dal primo ugello 13.

Il primo ugello 13 può essere utilizzato per tutta la sua sezione, oppure, come illustrato in fig. 12, all'interno di esso può essere ricavato un sottile canale assiale 30 per l'iniezione di combustibile solido, nel caso di specie estendentesi sostanzialmente fino alla bocca di uscita 11 del dispositivo 10.

I getti gassosi emessi dal primo ugello 13 e dal secondo ugello 14 formano corone anulari che proteggono e convogliano il getto di combustibile erogato attraverso detto canale assiale 30.

Secondo una realizzazione preferenziale, le pareti degli ugelli o canali utilizzati per l’iniezione di combustibile solido vengono rivestite, almeno in corrispondenza delle curvature, con materiale antiusura ed anti-erosione, ad esempio resine ad alta resistenza, rivestimenti ceramici o specifiche vernici di protezione.

Nelle configurazioni delle figg. 8-12, 1 'insufflaggio di polveri di carbone (per la produzione della scoria schiumosa e la limitazione del calo forno), oppure di polveri di calce od altro materiale di consumo di natura basica (per la passivazione della scoria) , può dunque avvenire anche contemporaneamente all'iniezione di O2 o di altro gas tecnologico necessario per il trattamento metallurgico dei bagni di fusione.

Da quanto sopra risultano chiare le caratteristiche ed i vantaggi che l’utilizzo del dispositivo 10 secondo il trovato permette di ottenere.

Il dispositivo 10 può essere montato fisso sulla parete del forno, anche con la propria bocca di uscita 11 a distanza dal bagno liquido, in modo da non richiedere manipolatori o sostituzione di parti che progressivamente si consumano.

Il funzionamento nel modo bruciatore alternato a quello di semplice lancia ad ossigeno consente di aprire la strada al getto supersonico, ad esempio abbattendo i rottami e creando un passaggio diretto verso il bagno di metallo liquido senza deviazioni e riflessioni che causano perdita di energia velocità del getto.

In funzione dell'effetto specifico da ottenere, l'inclinazione della lancia può essere variata, ad esempio mantenendo una inclinazione minore durante le fasi di preriscaldo, abbattimento rottami, e fusione, ed una inclinazione maggiore nelle fasi di decarburazione ed agitazione del bagno.

Oltre a ciò, la quantità di moto del getto primario unita all'effetto di protezione determinato dal getto secondario emesso dal secondo ugello 14 fa sì che il getto primario supersonico emesso dal primo ugello 13 penetri nel bagno senza dispersioni e senza perdite di velocità, mantenendo una elevatissima efficienza, dell'ordine del 100%, ed evitando pericolosi e dannosi spruzzi di metallo liquido.

La depressione che si viene a creare nel bagno liquido determina, per effetto della pressione e dell'impulso dinamico creato dal getto supersonico, l'aumento della velocità di decarburazione per effetto dell'aumento dell'agitazione locale e globale del bagno e del conseguente aumentato scambio di massa ed energia.

Tale migliorata agitazione ed uniformazione del bagno che deriva dalla turbolenza determinata dal getto supersonico incrementa il processo diffusivo in corrispondenza dell'interfaccia scoria/metallo, ciò comportando una minor richiesta di energia elettrica ed un aumento delle velocità di decarburazione.

L'incremento della decarburazione consente allora un maggiore utilizzo del dispositivo 10 per l'iniezione ad alta efficienza di polvere di carbone, determinando un ulteriore apporto di energia chimica con un migliorato effetto di schiumaggio della scoria e con conseguente maggior efficienza dell'arco, riduzione del consumo degli elettrodi, nonché riduzione delle perdite di energia attraverso gli elementi di raffreddamento del forno. Inoltre, la quantità di moto del getto primario supersonico erogato dal primo ugello 13 genera una zona in cui la post-combustione determinata dal getto secondario subsonico erogato dal secondo ugello 14 può essere eseguita senza contatto con la scoria od il metallo, ma in una zona di stretta prossimità alla scoria stessa, ciò aumentando l'efficienza di detta reazione da un valore nell'intorno del 35% ad un valore del 75% e più.

L'energia derivante dalla post-combustione si trasferisce alle gocce di metallo intrappolate la scoria per conduzione, invece che per irraggiamento come avviene tradizionalmente.

Quando le gocce di metallo ritornano nel bagno liquido trasferiscono ad esso il loro contenuto energetico, diminuendo ulteriormente la richiesta di energia elettrica.

La possibilità di iniettare carbone o calce attraverso il dispositivo 10, in modo anche autonomo ed indipendente rispetto al getto supersonico di ossigeno, aumenta la flessibilità e la versatilità del dispositivo 10 nei confronti delle condizioni variabili del forno per l'ottenimento della voluta qualità del prodotto finale.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Dispositivo integrato per l'iniezione di ossigeno, gas contenenti ossigeno e gas tecnologici e per l'insufflaggio di materiale solido in polvere, in un forno utilizzato in processi siderurgici e metallurgici che prevedono la presenza di un bagno di metallo liquido, comprendente un corpo (12) idoneo ad essere montato fisso in una apertura ricavata sulla parete del forno, su detto corpo (12) essendo terminalmente alloggiato un elemento di emissione (23) presentante una bocca di uscita (11) disposta, in posizione operativa, ad una certa distanza rispetto al livello superiore del bagno liquido, detto elemento di emissione (23) presentando un asse (17), caratterizzata dal fatto che l'elemento di emissione (23) è internamente configurato a doppio ugello, rispettivamente primo ugello (13) interno e secondo ugello (14), anulare ed esterno a detto primo ugello (13), il primo ugello (13) presentando una conformazione convergente/divergente definita da una strozzatura (20) ricavata in una posizione a monte della sua sezione terminale (21) ed essendo predisposto per l'emissione di un getto gassoso a velocità supersonica. 2 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il secondo ugello (14) presenta una conformazione convergente verso l'asse (17) dell'elemento di emissione (23) ed è predisposto per l'emissione di un getto a velocità subsonica di gas o di materiale solido in polvere su veicolo gassoso o di liquido in forma atomizzata. 3 - Dispositivo come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che l'elemento di emissione (23) presenta un guscio di contenimento (15) esterno, all'interno del quale sono ricavati canali di circolazione (16) per un fluido di raffreddamento. 4 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il primo ugello (13) presenta una propria sezione terminale (21) ed il secondo ugello (14) presenta una propria sezione terminale (22), dette sezioni terminali (21, 22) essendo disposte interne rispetto alla bocca di uscita (11) dell'elemento terminale (23). 5 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il primo ugello (13) presenta, in prossimità della sua sezione terminale (21), scanalature circonferenziali (24) di stabilizzazione del sottostrato di parete del getto primario supersonico. 6 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la sezione di uscita (22) del secondo ugello (14) presenta forma circolare od ellittica. 7 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che in corrispondenza della sezione di uscita (22) del secondo ugello (14) sono presenti elementi di deflessione (27) presentanti almeno una posizione operativa idonea a parzializzare il flusso gassoso uscente da detto secondo ugello (14) per generare un movimento vorticoso di detto flusso avente lo scopo di regolare la lunghezza e/o la forma del getto uscente dal primo ugello (13). 8 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che almeno il primo ugello (13) è assialmente posizionabile rispetto alla bocca di uscita (11) dell'elemento di emissione (23). 9 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il secondo ugello (14) è assialmente posizionabile rispetto alla bocca di uscita (11) dell'elemento di emissione (23). 10 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che gli ugelli, primo (13) e/o secondo (14), sono almeno parzialmente internamente rivestiti con materiale anti-usura e/o anti-erosione. 11 - Dispositivo come alla rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che il materiale antiusura e/o anti-erosione è materiale ceramico o resine ad alta resistenza o vernice speciale. 12 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che all'interno del primo ugello (13) è presente un canale (30) per l'iniezione di combustibile solido in polvere o particelle. 13 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento di emissione (23) presenta il proprio asse (17) orientabile rispetto alla superficie del bagno liquido, detto asse (17) definendo un angolo compreso tra 30° e 70°, vantaggiosamente tra 40° e 50°, rispetto a detta superficie. 14 - Procedimento di utilizzo del dispositivo integrato di iniezione ossigeno o gas tecnologici e di insufflaggio di materiale solido in polvere come rivendicato in una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che prevede di utilizzare detto dispositivo (10) almeno in un primo modo che prevede l’iniezione di un getto gassoso a velocità supersonica attraverso detto primo ugello convergente-divergente (13) e di un getto gassoso di convogliamento e protezione a velocità subsonica attraverso detto secondo ugello (14), ed in almeno un secondo modo che prevede 1 ’iniezione di un getto gassoso a velocità supersonica attraverso detto primo ugello convergente-divergente (13) e di materiale solido in polvere attraverso detto secondo ugello (14). 15 - Procedimento come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che prevede di utilizzare il dispositivo (10) in un terzo modo che prevede il funzionamento come bruciatore con rapporti stechiometrici e lunghezza di fiamma variabile mediante iniezione di almeno un gas comburente attraverso uno dei due ugelli (13, 14) e di una sostanza combustibile attraverso l'altro di detti ugelli (14, 13). 16 - Procedimento come alla rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto che prevede di misurare la pressione del getto supersonico erogato dal primo ugello (13) almeno in una posizione a monte della strozzatura (20) ed in una posizione in corrispondenza di detta strozzatura (20), e di regolare in retroazione la pressione di emissione mediante una valvola di strozzamento (18) collocata a monte di detto primo ugello (13). 17 - Procedimento come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che nell‘utilizzo come bruciatore, il primo ugello convergente/divergente (13) viene utilizzato come tubo di Venturi per la miscelazione di una sostanza comburente, quale ossigeno od aria arricchita con ossigeno, con una sostanza combustibile. 18 - Procedimento come alla rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che nell'utilizzo come bruciatore, il secondo ugello (14) viene utilizzato per emettere un getto di ossigeno, od aria arricchita con ossigeno, allo scopo di mantenere il rapporto comburente/carburante nel flusso primario erogato dal primo ugello (13) in condizioni substechiometriche. 19 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni da 14 a 18, caratterizzato dal fatto che nelle fasi di inizio ciclo il dispositivo (10) viene utilizzato per erogare un getto supersonico attraverso il primo ugello (13) di un gas combustibile ed un getto subsonico attraverso il secondo ugello (14) di un gas ricco di ossidante, allo scopo di abbattere i rottami che si trovano di fronte alla bocca di uscita (11) dell'elemento di emissione (23). 20 - Procedimento come alla rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che prevede di regolare la lunghezza e/o la forma della fiamma emessa dal dispositivo (10) nel modo di funzionamento a bruciatore parzializzando , mediante elementi deflettori (27) a posizionamento regolabile, del flusso uscente dal secondo ugello (14). 21 - Procedimento come alla rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che prevede di regolare la lunghezza e/o la forma della fiamma emessa dal dispositivo (10) nel modo di funzionamento a bruciatore mediante variazione del posizionamento assiale del primo (13) e/o del secondo (14) ugello rispetto alla bocca di uscita (11) dell'elemento di emissione (23). 22 - Procedimento come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che nel secondo modo di funzionamento, il secondo ugello (14) viene utilizzato per l’iniezione di materiale solido quale polvere di carbone o calce od altro materiale analogo, su veicolo fluido, ad esempio un gas inerte, un liquido, o simili, mentre il primo ugello (13) viene utilizzato per emettere un getto gassoso supersonico di ossigeno od altri gas tecnologici. 23 - Procedimento come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che nel secondo modo di funzionamento, il secondo ugello (14) viene utilizzato per l'iniezione di un getto gassoso subsonico di protezione e/o convogliamento, mentre il primo ugello (13) viene utilizzato per l'iniezione di materiale solidi in polvere o particelle su veicolo fluido. 23 - Dispositivo integrato per 1 'iniezione di ossigeno, gas contenenti ossigeno e gas tecnologici e per 1'insufflaggio di materiale solido in polvere, in un forno utilizzato in processi siderurgici e metallurgici e relativo procedimento di utilizzo sostanzialmente come descritti con riferimento agli annessi disegni.