Secondo le Best Available Technologies (BAT)1 sono quattro i processi produttivi attualmente utilizzati a livello mondiale per la produzione dell’acciaio (Figura 3):
1. Ciclo integrale BF/BOF: comprende le operazioni di altoforno (Blast Furnace, BF) e del convertitore a ossigeno (Basic Oxygen Furnace, BOF) secondo il processo Linz-Donawitz (LD):
• BF: il minerale di ferro, dopo aver subito processi di frantumazione, vagliatura, arricchimento e agglomerazione, viene caricato e portato a fusione in altoforno unitamente a coke e calcare dove subisce un processo di riduzione indiretta: si ottiene ghisa, una lega di ferro-carbonio con un contenuto di carbonio intorno al 4-5%, definita anche come “pig-iron”, ovvero metallo caldo;
• BOF: la ghisa viene trasportata in acciaieria e nei forni di affinazione viene abbassato il suo il contenuto di carbonio (e di impurità, principalmente zolfo e fosforo) per ottenere l’acciaio. I forni di affinazione si basano prevalentemente sul convertitore a ossigeno, processo Linz-Donawitz, LD; si tratta di un processo basico all'ossigeno ed è infatti talvolta indicato mutandolo dal contesto anglosassone come BOS (Basic Oxygen Steelmaking), BOP (Basic Oxygen Process) o BOF (Basic Oxygen Furnace);
2. Forno elettrico ad arco (in inglese Electric Arc Furnace, EAF):
• La produzione di acciaio avviene attraverso la fusione del rottame (principalmente usato come carica metallica di base), opportunamente preparato e selezionato, che ha luogo nel forno in cui l’arco scocca tra gli elettrodi, portatori della corrente, e la carica metallica;
3. Riduzione diretta (Direct Reduction, DR):
• DR: processo di riduzione diretta del minerale di ferro senza il passaggio del metallo alla fase liquida, come accade invece negli altoforni. Il prodotto è una spugna di ferro (“sponge iron” in inglese) chiamato DRI (Direct Reduction Iron) che rappresenta un “rottame sintetico” a elevato tenore di ferro, omogeneità e purezza;
1 Le Best Available Techniques (BAT) sono state introdotte dalla Direttiva Europea IPPC 96/61/CE per la prevenzione e la riduzione integrata dell’inquinamento (ora accorpata nella nuova direttiva europea IED 2010/75/EU); le BAT rappresentano lo stadio più efficiente e avanzato delle tecniche o tecnologie correnti che permettano di evitare o ridurre i valori delle emissioni delle attività produttive e conseguente impatto ambientale [83].
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• EAF: il DRI viene utilizzato come carica negli EAF, utilizzando anche rottame, per la produzione dell’acciaio;
4. Smelting Reduction, SR secondo i processi Corex/Finex:
• SR: processo di produzione della ghisa a partire dal minerale di ferro, ma senza l’utilizzo del coke come avviene nel ciclo integrale BF/BOF. Si impiegano due unità: la prima in cui il minerale viene scaldato e ridotto dai gas prodotti dalla seconda unità che assolve al compito di fusione-gassificazione alimentata da carbone e ossigeno. Il minerale parzialmente ridotto viene fuso nella seconda unità ottenendo ghisa;
• BOF: la ghisa viene trasferita in acciaieria e trasformata in acciaio nei comuni BOF.
Figura 3 - Principali processi di produzione dell’acciaio. Adattato da: [6, p. 9]. In figura si evidenziano le fasi di:
• Preparazione del materiale (Raw material preparation) per i processi BF, DR, SR; • Riduzione del minerale di ferro (Ironmaking) mediante BF, DR o SR;
• Produzione dell’acciaio (Steelmaking) mediante BOF (a partire dalla ghisa di BF o SR) o EAF (a partire da rottame e/o DRI).
Il ciclo integrale e il forno elettrico ad arco sono i due principali sistemi utilizzati per la produzione di acciaio, mentre la direct e smelting reduction rappresentano i due principali metodi alternativi; in particolare si registra il crescente utilizzo del DRI come carica per gli EAF grazie alle sue caratteristiche di elevato contenuto di ferro, omogeneità e purezza che portano a migliori qualità di
acciaio, minori problemi di flikeraggio2 oltre a limitare i problemi legati alla variabilità del costo del rottame.
Il grafico di figura riporta i valori percentuali di produzione dell’acciaio prodotto nei BOF ed EAF; viene anche indicata la modesta quota dei cicli con altoforno che utilizzano il processo Martin-Siemens (Open Heart Furnace, OHF)3 anziché quello LD.
Figura 4 - Produzione percentuale dell'acciaio dai processi BF/BOF, EAF e OHF. Adattato da: [7].
In Figura 5 viene invece rappresentata la proiezione dell’utilizzo dei processi citati. La tecnologia adottata per la produzione dell’acciaio, infatti, varia continuamente, spinta soprattutto dalla necessità di minori consumi e minori inquinanti prodotti dal processo stesso. Dal grafico si evince che il forno elettrico ad arco potrebbe divenire predominante a discapito del convertitore BOF.
2 Il flicker rappresenta una variazione di tensione nella rete elettrica di alimentazione, molto sentita nei processi dell’EAF alimentato da rottame.
3 L’OHF è un forno a riverbero con un fondo di natura acida o basica. Per il suo funzionamento vengono bruciati metano, gasolio, gas naturale e gas di gasogeno. Il forno viene caricato con rottami di ghisa e acciaio; l'aria e il combustibile vengono preriscaldati tramite degli scambiatori di calore rigenerativi. Il forno Martin-Siemens produce acciai di buona qualità; il processo è molto lento e se da un lato questo ne permette un facile controllo, dall’altro si traduce in una forte anti-economicità che lo rende ormai in via di disuso [86].
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Figura 5 - Processi di produzione dell'acciaio e loro possibile evoluzione. Fonte: [8]
Nella trattazione viene indagato il processo di un EAF tradizionale e la possibilità del recupero di energia dai fumi che, come verrà spiegato nel capitolo 5, rappresenta una notevole fonte termica da considerare nell’ottica del raggiungimento di efficienze energetiche, economiche e ambientali nella produzione dell’acciaio.
2 IL FORNO ELETTRICO AD ARCO
Nel presente elaborato si fa riferimento a un forno elettrico ad arco diretto, a suola non conduttrice, a corrente alternata e alimentato da rottame come carica metallica principale. Nel seguito vengono illustrati il funzionamento e caratteristiche peculiari dei forni elettrici e la loro evoluzione negli anni.