OTTIMIZZA IL PROCESSO DI CONTROLLO DEI FORNI DI TRATTAMENTO TERMICO 

Acciaieria/Impianto BOS

Cos'è l'acciaio?

L'acciaio è costituito per la maggior parte di ferro in cui vengono aggiunti livelli di carbonio (ad esempio il 4%) che vengono poi successivamente controllati nelle fasi di trattamento termico. La percentuale di carbonio presente nell'acciaio è estremamente importante per ottenere un materiale con caratteristiche metallurgiche e meccaniche di un certo tipo. La tabella 1 fornisce alcune indicazioni in merito a queste proprietà. (Tabella 1 L'effetto del carbonio su applicazioni dell'acciaio)

Cos'altro si aggiunge all'acciaio?

Per migliorare le proprietà metallurgiche dell'acciaio oltre al carbonio si utilizzano vari additivi; ad esempio il molibdeno, utilizzato per migliorare la resistenza a caldo e la durezza, il nichel per migliorare la solidità e la duttilità. Le diverse proprietà che l'acciaio deve possedere a seconda delle varie applicazioni (ad esempio, testa del martello, carrozzeria delle auto) determineranno il tipo di acciaio da utilizzare e le modalità di trattamento termico mediante riscaldamento controllato e laminazione a caldo e a freddo. La tabella 2 fornisce ulteriori dettagli sugli additivi dell'acciaio. (Tabella 2 Additivi dell'acciaio)

Impianto BOS (Acciaieria a ossigeno)

Dall'altoforno il ferro fuso viene trasportato in speciali "contenitori" rivestiti di mattoni refrattari su vetture a rotaia (capacità variabile compresa tra 200 e 450 tonnellate) nell'impianto BOS dove il ferro viene raffinato per ottenere acciaio della qualità e composizione desiderate.

Nell'impianto BOS il ferro viene sottoposto ad un trattamento composto di due fasi: per prima cosa occorre rimuovere il carbonio in eccesso e in secondo luogo si aggiungeranno gli additivi che andranno a modificare le proprietà dell'acciaio.

Nella prima fase al ferro vengono aggiunti rottami metallici, poi questa miscela viene agitata insieme a gas inerte e bruciata in presenza di ossigeno fino al raggiungimento dei livelli di carbonio richiesti, che vengono misurati con sonde di campionamento a immersione. Il processo di "soffiatura" dell'ossigeno ha luogo in ampi condotti inclinabili detti convertitori. Nelle moderne acciaierie i condotti BOS sono in grado di convertire anche 350 tonnellate di metallo con una sola "soffiata". Un convertitore, si veda figura 1, può raggiungere da solo un peso di 650 tonnellate. In genere in un impianto BOS vengono utilizzati due o tre convertitori per la trasformazione del ferro in acciaio. Normalmente uno o due funzionano contemporaneamente mentre è più raro che siano in funzione tutti i convertitori assieme. (Figura 1 Convertitore BOS)

Nella seconda fase, all'acciaio grezzo vengono aggiunti additivi attraverso condotti più piccoli e la miscela viene sottoposta ad un breve ciclo di "soffiatura" prima della colata nell'impianto CONCAST (CONtinuous CASTing - Colata continua).

Le impurità presenti all'interno del ferro, a causa dell' atmosfera riducente che caratterizza l'altoforno, devono essere rimosse mediante ossidazione. Il carbonio e il silicio residui vengono ossidati con l'ausilio di sostanze che vengono aggiunte al processo.

Il BOS è sostanzialmente un processo sequenziale che si basa sul posizionamento dei convertitori e sulla lavorazione del materiale. L'automazione dell'intero processo è resa possibile grazie ad informazioni contenute in ricette di processo conservate centralmente rispetto alla strumentazione front-end mentre restano tuttavia possibili, interventi manuali e fasi di rilavorazione.

Il convertitore è un recipiente che si inclina di 180° rispetto alla posizione verticale sul lato di carico e di oltre 90° sul lato di spillatura. Durante la sequenza il convertitore viene inclinato secondo una delle varie angolazioni predeterminate come mostrato nella figura 2. (Figura 2 Posizioni dei convertitori)

Il convertitore viene ruotato sulla posizione di carico da cui vengono aggiunti scarti metallici (50 tonnellate), ferro fuso (300 tonnellate), calce (15 tonnellate) e fondenti "base" quali magnesio e calcare (6 tonnellate).

Il convertitore torna in posizione verticale e si abbassa la lancia principale che inietta ossigeno ad alta velocità sulla superficie del metallo fuso per 15 - 20 minuti.

Al termine dell'iniezione della quantità prestabilita di ossigeno, la "soffiata" è completata e la lancia principale torna in posizione. Secondo un modello termochimico a flussi di ossigeno pari all'80% e al 100% viene abbassata una sotto lancia che misura la temperatura a cui è associata la percentuale di carbonio desiderata.

Partendo dal presupposto che temperatura ed analisi del campione siano accettabili, il convertitore viene ruotato dalla posizione verticale alla posizione di spillatura.

Al termine della spillatura, il convertitore viene riportato nella posizione di caricamento scorie per l'eventuale svuotamento, poi torna nella posizione verticale per l'aggiunta di indurenti, quindi capovolto delicatamente per la rimozione mediante lavaggio delle scorie prima dello svuotamento che si effettua ruotando il convertitore nella posizione verticale opposta (rotazione di 180°).

In pratica esistono altre fasi intermedie che dipendono da altrettante variabili. Ad esempio:

  • potrebbe essere necessario ripetere la soffiata a seconda della temperatura o dell'analisi metallurgica
  • potrebbe essere necessaria un'interruzione per ridurre la formazione di residui aumentando per un certo periodo il flusso di gas inerte
  • potrebbe essere necessaria una maggiore miscelazione del flusso di gas inerte per ridurre la temperatura

Nel corso dell'intero ciclo, i gas inerti come azoto e argon (durante la soffiata e la risoffiata) circolano in modo continuo al fine di miscelare il contenuto del convertitore e tenere pulito l'agitatore del convertitore per l'intero utilizzo di quest'ultimo.

Il risultato è un tipo di acciaio a bassissimo contenuto di carbonio. La percentuale richiesta per il tipo di acciaio da produrre sarà superiore a questa, per cui per soddisfare le specifiche, viene aggiunto un quantitativo controllato di carbonio.

Una volta colato il metallo, il ciclo si avvia di nuovo e se l'acciaieria non presenta alcun ritardo sui tempi, in genere sono necessarie 8 "soffiate" per turno di 8 ore per produrre circa 3.000 tonnellate di acciaio.

 

Controllo dell'agitazione del bagno (gas inerte)

Per agitare il contenuto del convertitore si introduce argon o azoto attraverso una serie di serbatoi presenti sulla base del convertitore come mostrato nella figura 3. Il flusso complessivo e il tipo di gas di ciascuna fase della sequenza sono prestabiliti in base alla ricetta relativa al processo corrente. (Figura 3 Controllo dell'agitazione del bagno BOS).

Il flusso complessivo viene diviso equamente per un certo numero di regolatori, ciascuno dei quali è in grado di garantire una distribuzione uniforme e diventa il setpoint remoto del regolatore. Il flusso misurato viene compensato a massa, tramite calcolo, rilevando la temperatura e la pressione di ciascun serbatoio e per tipo di gas. Questo algoritmo entra in gioco nel processo di controllo. L'uscita di controllo 4 - 20 mA modula quindi la posizione della valvola.

Se la pressione del sistema aumenta oltre un certo limite prestabilito, il sistema di controllo passa da 'controllo di portata' a 'controllo di pressione' e la valvola quindi risponde ad un diverso algoritmo di controllo. In caso di riduzione della pressione (inferiore ad un valore di isteresi), il sistema di controllo torna a controllare la portata. La commutazione tra queste modalità è automatica e senza interruzioni. (Figura 3 Controllo dell'agitazione BOS)

Controllo dell'angolazione del convertitore

Il convertitore viene posizionato secondo l'angolazione desiderata confrontando l'angolo assoluto corrispondente desiderato con l'angolo assoluto effettivo e portando i motori di posizionamento nella giusta direzione.

I motori di posizionamento vengono spostati progressivamente a velocità prima crescenti e poi decrescenti in base all'entità dell'errore di posizionamento e agli intervalli di tempo impostati fin quando la posizione non viene a trovarsi entro la banda di tolleranza impostata.

 

Flussi di gas

Il processo BOS prevede l'utilizzo di gas costosi (argon, ossigeno e azoto). Quindi una misura accurata dei parametri di processo, un algoritmo di calcolo accurato della compensione dei gas, l'uso combinato di questi ultimi, consentirà di rendere il processo più economico con una migliore qualità e ripetibilità del prodotto finale.

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