Lo sviluppo dei forni elettrici ad arco è stato accompagnato da numerose innovazioni tecnologiche che hanno influito notevolmente sulla produttività e sulla qualità dell’acciaio. Come evidenziato in Figura 16, dal 1965 si assiste a una continua evoluzione dell’acciaieria elettrica caratterizzata dalle seguenti tappe fondamentali [23]- [24]:
• 1965: Affermazione del forno Ultra High Power (UHP), forno elettrico ad alta potenza; • 1965-1970: Introduzione dell’impiego di ossigeno e affermazione della metallurgia fuori forno; • 1975: Affermazione del raffreddamento delle pareti con pannelli ad acqua;
• 1976: Esercizio con arco lungo;
• 1977: Controllo computerizzato delle operazioni di fusione e della marcia del forno; • 1978: Utilizzo delle scorie schiumose (foamy slag);
• 1979: Introduzione di bruciatori ossi-combustibile e applicazione di volte raffreddate ad acqua; • 1981: Colata dal foro centrale sul fondo;
• 1982: Introduzione del forno siviera;
• 1983: Sviluppo del forno EBT (spillaggio dal fondo con foro eccentrico) e colata senza scoria; • 1984: Preriscaldamento del rottame;
• 1986: Elettrodi raffreddati a spruzzo e stirring con gas inerte della suola; • 1988: Iniezione di combustibili fossili.
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Come evidenziato anche in Figura 16, l’evoluzione tecnologica degli ultimi quarant’anni ha permesso il raggiungimento di importanti traguardi in termini di riduzione del tempo TTT (inferiori all’ora; 30-40 minuti nei forni veloci) e riduzione del consumo di energia specifica del forno (da 630 kWh/t a 350 kWh/t negli anni ’90 ai 260 kWh/t attuali nelle soluzioni più efficienti) [14]- [15].
Ne consegue un aumento della produttività attraverso:
• Riduzione dei tempi di power-off mediante minimizzazione del numero di ceste; • Incremento delle taglie di colata e della potenza dei trasformatori;
• Incremento dell’energia chimica e maggior controllo della stessa.
Inoltre è aumentata l’efficienza e si sono ridotti i costi di processo attraverso:
• Maggiore efficienza dell’arco elettrico (miglioramento del controllo a tensioni elevate, ottimizzazione della pratica con l’impiego di scorie schiumose);
• Riduzione del consumo elettrodi;
• Recupero energetico attraverso il preriscaldamento del rottame.
In base anche a quanto riportato nel nuovo documento BREF (Best Available Technologies Reference documents) sulle migliori tecniche disponibili nell’ambito degli impianti siderurgici, vengono brevemente descritte le tecniche più efficienti e avanzate, adottate o da adottare, per ottimizzare il processo di fusione nell’EAF e conseguendo nel contempo efficienze e riduzione dell’impatto ambientale [6, pp. 449-450].
Forni elettrici UHP 2.6.1
Gli Ultra Hight Power, UHP, sono forni ad alta potenza, 450-550 kW/t fino a 950 kW/t. Grazie all’installazione di trasformatori più potenti, si raggiunge una grande concentrazione di potenza nella fase di fusione che permette di fondere la carica metallica in minor tempo. Tali forni presentano un alto grado di utilizzazione (≥ 0,7) e consentono dunque un aumento della produttività, un minor consumo degli elettrodi e la riduzione del volume specifico di fumi emessi; tuttavia aumenta anche l’usura del refrattario del forno.
2.6.2 Pannelli raffreddati ad acqua (water jacket)
Le pareti interne e il tetto della volta sono ricoperte con pannelli raffreddati ad acqua (water jacket) anziché refrattario per prevenirne l’usura, potendo utilizzare anche i forni UHP, e consentendo anche il riutilizzo del calore disperso adottando opportune tecniche di recupero di energia.
2.6.3 Bruciatori ossi-combustibile e lancia a ossigeno
Lungo la circonferenza del forno, specie in prossimità degli elettrodi, si formano dei “punti caldi” in cui si concentra la fusione che non avviene in modo uniforme. Da qui l’utilizzo di bruciatori ossi-combustibile, alimentati da gas naturale (e un tempo da carbone) e che usano ossigeno o una miscela di ossigeno e aria; vengono disposti all’interno della circonferenza in posizioni tali da indirizzare le
loro fiamme in corrispondenza dei “punti freddi”. Portano a un aumento della potenza del forno di circa 50 kWh/t. Si utilizzano anche lance che iniettano un getto di ossigeno nel rottame in fusione e sono inserite dalla porta di scorifica o dalla parete.
L’energia sviluppata attraverso l’impiego delle lance o dei bruciatori, nel contesto del bilancio energetico del forno, contribuisce a sostituire parte dell’energia elettrica diminuendone i consumi.
Forno EBT 2.6.4
Il forno Eccentric Bottom Tapping (EBT) presenta un foro eccentrico, opportunamente rivestito di materiale refrattario, sul fondo del tino; questo consente da un lato di colare l’acciaio fuso senza inclinare eccessivamente (circa 12°) il forno, dall’altro previene il trascinamento della scoria durante lo spillaggio. Si ottiene una riduzione del tempo di colata, un minor consumo del refrattario, minori perdite di energia e la semplificazione delle operazioni di captazione dei fumi.
Formazione della scoria schiumosa 2.6.5
La scoria viene gonfiata iniettando carbone insieme all’ossigeno mediante apposite lance che producono delle bolle (scoria schiumosa). I vantaggi sono nel seguito elencati:
• Migliora il passaggio del calore alla carica: si ha quindi una maggior efficienza termica e di conseguenza un miglioramento del rendimento elettrico, di circa il 60-90%;
• Si riduce il consumo di energia, degli elettrodi e del rumore;
• Protegge il refrattario del forno dall’arco elettrico consentendo di lavorare con voltaggi elevati; • Porta a vantaggi anche in diverse reazioni metallurgiche.
Tale processo non è applicabile nella produzione di alcuni acciai come acciaio inox e altri acciai alto legati.
Forno siviera e metallurgia secondaria 2.6.6
Alcune operazioni non vengono svolte nel forno (come la desolforazione o l’omogeneizzazione del bagno), ma si ricorre in particolare al forno siviera. Ne derivano benefici in termini di risparmi energetici (10-30 kWh/t), riduzione del TTT (di 5-20 minuti), aumento della produttività, miglior controllo della temperatura dell’acciaio inviato alla colata continua, possibile riduzione del consumo degli elettrodi (fino a 0.1-0.74 kg/t), risparmio di leghe e riduzione delle emissioni da EAF. Un inconveniente è l’aumento delle sorgenti emissive inquinanti che richiedono investimenti maggiori per l’utilizzo di sistemi di captazione come le cappe10.
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Controllo e automazione del processo 2.6.7
Il processo al forno elettrico è regolato e automatizzato tramite calcolatore con l’obiettivo di ottimizzare le prestazioni del forno e di minimizzare i consumi energetici e i costi di esercizio. Nella pratica, è possibile programmare le varie fasi del ciclo, regolando l’immissione di energia elettrica e di energia alternativa (insufflazione di ossigeno, bruciatori ossi-combustibile) in funzione del progredire della fusione; registrare i dati caratteristici a partire dal materiale in entrata, quelli di ogni colata e i parametri metallurgici (composizione, temperatura); fornire all’operatore informazioni sul processo in corso, lasciando la possibilità di effettuare operazioni manuali a discrezione. Inoltre esistono programmi dedicati al monitoraggio delle emissioni che consentono di intervenire in tempo reale sul processo per migliorare l’utilizzo dell’energia chimica (EFSOP®).
Preriscaldamento 2.6.8
Come verrà ampiamente descritto nel paragrafo 5.5.1., tale tecnica consiste nel recupero del calore dai fumi in uscita dal forno per effettuare un preriscaldamento del rottame prima del suo ingesso al forno. Le principali tecniche utilizzate sono il Consteel® e la Shaft Furnace, che portano a numerosi vantaggi quali la riduzioni del consumo di energia (circa 100 kWh/t), delle emissioni di CO2 (10-30%), delle polveri (20%) e del ciclo TTT (fino a 35’).