A Forno di sabbiatura a caldo è un altoforno per la produzione del ferro alimentato con aria preriscaldata, in genere a 900–1.300 ° C, prima di essere soffiata nel forno attraverso ugelli chiamati tuyeres, anziché essere alimentata con aria a temperatura ambiente ("colpo di freddo"). Il preriscaldamento stesso avviene in un'apparecchiatura separata chiamata stufa a getto caldo (nota anche come stufa Cowper) e l'aria riscaldata risultante è quella che viene definita "cottura a caldo". Quasi tutti gli altiforni oggi operativi utilizzano questo sistema, perché l'aria preriscaldata riduce drasticamente il consumo di carburante e aumenta la produzione rispetto agli altiforni a freddo utilizzati prima del 1830.
La distinzione è importante perché l'esplosione a caldo non è solo una piccola modifica: è una delle poche innovazioni che hanno reso economicamente sostenibile la produzione di ferro su larga scala, alimentata da coke. Gli altiforni alimentati con aria preriscaldata a 900–1.250°C possono generare temperature di fusione di circa 1.650°C, riducendo significativamente il consumo di coke per tonnellata di ferro prodotto. Capire come funziona il sistema di soffiatura a caldo – e perché la temperatura dell’aria è così importante – è la chiave per comprendere l’efficienza dei moderni altiforni.
Il sistema dell'altoforno caldo è costruito attorno a due apparecchiature collegate che lavorano insieme: l'altoforno stesso, dove avviene la reazione di fusione, e la/e stufa/e ad altoforno caldo/i, dove l'aria viene riscaldata prima che raggiunga il forno.
La stufa è essenzialmente un guscio cilindrico verticale in acciaio rivestito di mattoni refrattari, con l'interno separato in due camere: una camera di combustione, dove vengono bruciati i gas dell'altoforno e altre fonti di combustibile, e una camera rigenerativa riempita con una scacchiera di mattoni refrattari riscaldati dal gas bruciato. Questi "mattoni a scacchiera" refrattari sono il mezzo di accumulo del calore: assorbono il calore durante la combustione e lo rilasciano successivamente quando l'aria fresca viene spinta attraverso di essi.
Una stufa ad aria calda non funziona continuamente in una modalità: alterna due fasi. Durante il periodo di accensione del gas (accensione), il gas combustibile viene bruciato per riscaldare l'accumulo termico del mattone a scacchiera; durante il periodo di accensione, l'aria viene riscaldata facendola scorrere attraverso l'accumulo termico. Durante il periodo di scarico in fase di scoppio, l'aria fresca viene spinta da un ventilatore a pressione elevata attraverso i mattoni riscaldati e, dopo essere stata riscaldata fino a 1.200°C, quest'aria - ora chiamata aria calda - viene immessa nel fondo dell'altoforno per la fusione del minerale di ferro.
Poiché una stufa non può riscaldare il gas e riscaldare l'aria contemporaneamente, la maggior parte degli altiforni sono serviti da tre stufe: mentre due vengono riscaldate, il getto d'aria passa attraverso la camera rigenerativa della terza stufa per raggiungere l'altoforno. Questa rotazione è ciò che consente all'altoforno di ricevere una fornitura continua e ininterrotta di aria calda 24 ore su 24.
L'aria riscaldata viaggia dalla stufa al forno attraverso un tubo trambusto, che la distribuisce agli ugelli di soffiaggio caldo, o tubiere, montati attorno alla base del forno. Poiché la temperatura dell'aria calda deve essere mantenuta costante per una buona efficienza del forno e la temperatura diminuisce naturalmente quando la stufa si raffredda, l'aria calda viene miscelata con una proporzione controllata di aria fredda in una camera di miscelazione per mantenere costante la temperatura di mandata anche quando il calore immagazzinato nella singola stufa viene esaurito.
L'esplosione a caldo non è un'invenzione moderna: risale all'inizio del XIX secolo e rappresenta una delle scoperte cruciali nella storia della produzione del ferro industriale. Fino al 1820, si pensava che l’aria fredda producesse ferro di migliore qualità rispetto all’aria calda, soprattutto perché la ridotta umidità nell’aria fresca invernale era considerata benefica.
L'esplosione a caldo fu inventata e brevettata per le fornaci di ferro da James Beaumont Neilson nel 1828 presso Wilsontown Ironworks in Scozia. Neilson scoprì che aumentando la temperatura dell'esplosione a soli 300° F (149° C), avrebbe potuto ridurre il consumo di carburante da 8,06 tonnellate di carbone a 5,16 tonnellate per tonnellata di ferro prodotto, con ulteriori riduzioni ottenibili a temperature più elevate. I risultati sono stati drammatici e rapidamente verificabili su larga scala: dati documentati della Clyde Iron Works tra il 1829 e il 1833 mostrano che la fusione del coke con esplosione a freddo utilizzava 8,2 tonnellate di carbone per tonnellata di ferro e produceva 37,5 tonnellate di ghisa per forno a settimana, mentre l'esplosione a caldo con coke riduceva l'uso di carbone a 5,3 tonnellate e aumentava la produzione a 54,9 tonnellate a settimana.
L'attrezzatura originale di Neilson aveva dei limiti reali. I tubi di ghisa supportati all'interno di un forno di mattoni avevano caratteristiche di dilatazione diverse, con conseguenti diversi tubi incrinati, e l'attrezzatura di consegna utilizzava tubiere solide e giunti flessibili in cuoio che non potevano resistere alle alte temperature. Fu solo nel 1860 che l'inglese Edward Alfred Cowper inventò la prima stufa a getto caldo di successo: il design rigenerativo a mattoni a scacchiera che, in forma raffinata, è ancora oggi lo standard del settore. La rapida adozione che ne seguì fu sorprendente: l'esplosione calda era di uso generale in tutta la Gran Bretagna nel 1835, appena sette anni dopo la scoperta originale di Neilson.
| Tipo di forno | Carbone utilizzato per tonnellata di ferro | Produzione di ghisa a settimana |
|---|---|---|
| Raffica di freddo con coca cola | 8,2 tonnellate | 37,5 tonnellate |
| Un'esplosione di coca cola | 5,3 tonnellate | 54,9 tonnellate |
| Esplosione calda con carbone | 3,0 tonnellate | 62,2 tonnellate |
Il motivo principale per cui l’esplosione a caldo funziona è semplice termodinamica: l’aria fredda che entra in una fornace deve essere riscaldata bruciando combustibile all’interno della fornace prima che possa fare qualcosa di utile, il che spreca coke semplicemente aumentando la temperatura dell’aria in entrata. Preriscaldando il getto d'aria prima che entri nel forno, l'apporto di calore aumenta sotto forma di calore sensibile che riduce direttamente la velocità del coke.
La ricerca moderna conferma che la relazione si mantiene a un ritmo molto prevedibile. Per ogni aumento di 100°C della temperatura dell’aria in uscita dall’aria calda, il rapporto di coke dell’altoforno può essere ridotto del 4–7%, la produzione può essere aumentata del 3–5% e la capacità di iniezione del carbone aumenta di conseguenza. Una stima separata del settore lo esprime in termini assoluti: ogni aumento di 10°C della temperatura dell'aria calda nel tubo del trambusto riduce la quantità di coke dell'altoforno di circa 4-6 kg per tonnellata di metallo caldo.
Questo è anche il motivo per cui l’esplosione a caldo è diventata essenziale anziché opzionale con l’avanzare della tecnologia dei forni. Il preriscaldamento a circa 1.200°C è oggi considerato essenziale quando il carbone polverizzato viene iniettato attraverso le tubiere, poiché il getto di aria calda garantisce un riscaldamento più rapido, la pirolisi del carbone e la combustione dei prodotti gassosi risultanti.
Non tutte le stufe ad aria calda sono costruite allo stesso modo. In base alla diversa disposizione e struttura della camera di combustione e del rigeneratore, le stufe ad aria calda sono generalmente suddivise in tre forme strutturali fondamentali: combustione interna, combustione esterna e combustione superiore. La scelta tra questi è in gran parte una questione di quanto spazio è disponibile e a quale temperatura di picco dell’aria calda si rivolge l’operazione.
Nella versione a combustione interna la stufa è costituita da una parete refrattaria cilindrica con una parete divisoria interna verticale che divide il singolo involucro in una camera di combustione e una camera di quadratura contenente i mattoni di bugnatura. Questo è il layout più compatto e tradizionale, ma presenta una limitazione strutturale: il design della camera di combustione interna con una parete divisoria ha un noto punto debole agli angoli della camera di combustione.
Le stufe a combustione esterna sono composte da una camera di controllo e una camera di combustione separate, collegate da un incrocio anziché da una parete interna condivisa. La separazione delle due camere in gusci distinti rimuove il punto debole dello stress angolare del design interno e generalmente supporta temperature di picco più elevate.
Una nuova categoria di stufe non ha alcuna camera di combustione nel senso convenzionale del termine: sono conosciute come stufe a combustione a cupola, stufe senza albero o stufe Kalugin. Nel complesso, la tecnologia delle stufe a getto caldo, in particolare il design e la qualità dei suoi materiali refrattari, ha subito notevoli miglioramenti negli ultimi anni, raggiungendo un livello di maturità che garantisce una durata operativa di oltre 30 anni per una stufa ben costruita.
Poiché le diverse zone della stufa sono esposte a temperature molto diverse, non è possibile utilizzare un unico mattone refrattario ovunque. La selezione del materiale viene effettuata a strati in base a quanto calda diventa effettivamente ciascuna sezione della camera di controllo.
Questo approccio a più livelli – abbinando il grado refrattario al calore effettivo sperimentato da ciascuna zona – è ciò che consente a una singola stufa di gestire in sicurezza un gradiente di temperatura che si estende per centinaia di gradi dall’alto verso il basso.
Le stufe ad alto calore risparmiano enormi quantità di coke, ma sono esse stesse grandi consumatori di energia, un fatto spesso trascurato quando si valuta l’efficienza complessiva dell’altoforno. La quantità di gas d'altoforno richiesta dalle stufe rappresenta circa il 40% della produzione totale di gas d'altoforno e il consumo energetico delle stufe può raggiungere il 25% del consumo energetico totale dell'impianto.
Su base per tonnellata, i numeri sono altrettanto significativi: sulla base dei dati provenienti da sei efficienti sistemi di forni ad aria calda in tutto il mondo, il fabbisogno medio totale di energia primaria è di 1,8 GJ per tonnellata di metallo caldo per le stufe ad aria calda, rispetto a 11,6 GJ per tonnellata per l’altoforno stesso. Ciò significa che il sistema della stufa, sebbene più piccolo in termini energetici assoluti rispetto al forno, rappresenta comunque una quota significativa e controllabile del consumo energetico totale dell’impianto – e un sistema in cui i guadagni di efficienza si traducono direttamente in risparmi di coke.
I miglioramenti pratici negli impianti operativi lo hanno dimostrato in numeri reali piuttosto che in teoria. I risultati documentati dell’ottimizzazione delle batterie delle stufe presso i produttori integrati di acciaio statunitensi includono riduzioni del tasso di combustibile delle stufe da 8 a 15 kg per tonnellata di metallo caldo e aumenti della temperatura di soffiatura da 15°C a 30°C, che si traducono in una riduzione della quantità di coke di circa 6-12 kg per tonnellata di metallo caldo.
Per chiunque utilizzi o valuti un sistema di altoforno caldo, una manciata di parametri determinano costantemente il rendimento delle stufe e il punto in cui si guadagna o si perde efficienza.
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