Impianto di separazione dell'aria per applicazioni nell'industria siderurgica

Perché le acciaierie integrate fanno affidamento su soluzioni in loco Unità di separazione dell'aria

Fattori operativi determinanti: esigenze di grandi volumi e alta purezza di ossigeno, azoto e argon

Gli impianti siderurgici necessitano di enormi quantità di gas industriali che devono soddisfare standard di purezza estremamente rigorosi. Prendiamo ad esempio un grande altoforno: può consumare oltre 300 tonnellate di ossigeno ogni ora. Il processo del convertitore a ossigeno di base richiede ossigeno con una purezza di almeno il 99,5% per ottenere una combustione efficiente e gestire correttamente la scoria. Per le operazioni di colata continua, invece, è richiesto argon con livelli di purezza superiori al 99,999% durante i processi di spurgo con azoto; ciò contribuisce a prevenire la formazione di difetti di ossidazione indesiderati nei lingotti di acciaio. Data l’enorme entità dei volumi richiesti e la stringenza delle specifiche, la fornitura di tutti questi gas in forma sfusa non risulta praticabile. È pertanto per questo motivo che la maggior parte degli impianti installa sistemi di produzione in loco. unità di separazione dell'aria (ASU). Questi sistemi forniscono agli operatori dell’impianto un controllo immediato sulla quantità di gas prodotta, sulla pressione di erogazione e, soprattutto, sulla sua purezza. Questo tipo di flessibilità consente loro di soddisfare esattamente le proprie esigenze di gas in funzione delle richieste quotidiane della linea di produzione.

Vantaggi economici e di affidabilità degli ASU criogenici rispetto alla consegna di gas in bulk

Gli impianti criogenici di separazione dell'aria offrono notevoli vantaggi a lungo termine rispetto all'approvvigionamento di gas da fornitori esterni. Quando le aziende producono i gas in loco, eliminano tutti i costi aggiuntivi legati al trasporto di materiali criogenici, oltre a non aver più bisogno di strutture specializzate per la movimentazione o lo stoccaggio. E, francamente, nessuno vuole che le proprie operazioni siano ostaggio di problemi della catena di approvvigionamento. Gli impianti che necessitano di oltre 2.000 tonnellate di ossigeno al giorno ritengono generalmente che l’investimento in un impianto criogenico di separazione dell’aria (ASU) dia risultati eccellenti. Studi dimostrano che tali impianti possono ridurre i costi per i gas del 40–60% nel corso di dieci anni, rispetto all’approvvigionamento mediante consegne in bulk. Alcuni sistemi più recenti recuperano addirittura energia grazie a soluzioni come il recupero termico durante i processi di compressione, riducendo il consumo complessivo di energia elettrica di circa il 15%. Ma ciò che conta davvero di più è disporre di un approvvigionamento affidabile di gas esattamente dove serve. Gli impianti integrati in questo modo evitano quelle catastrofiche fermate dei forni a coke, che possono costare milioni di euro ogni singola ora di fermo.

Applicazioni fondamentali degli impianti di separazione dell'aria nella produzione dell'acciaio

Arricchimento di ossigeno nel forno a coke: aumento della produttività e riduzione del consumo di coke

I moderni altiforni soffiano normalmente aria arricchita con ossigeno, con una concentrazione di O2 pari a circa il 25–30 %, aumentando così sensibilmente la quantità di coke che brucia all’interno. Qual è l’effetto? La produzione di ghisa liquida aumenta del 15–25 %, ma contemporaneamente il consumo di coke si riduce di circa 200–300 chilogrammi per ogni tonnellata prodotta. Ciò comporta costi inferiori per il funzionamento dell’altoforno e minori emissioni di anidride carbonica per ogni tonnellata di ferro prodotta. Quando le aziende installano sul posto unità di separazione dell’aria, ottengono un controllo più preciso di questo processo di arricchimento con ossigeno. Tali sistemi mantengono stabili quelle intense fiamme a temperature superiori ai 2200 °C, evitando problemi legati alle fluttuazioni termiche. Un migliore controllo della temperatura consente una scorrimento più regolare della scoria e una minore usura dei materiali del rivestimento dell’altoforno. Esperti del settore provenienti da organizzazioni come l’American Iron and Steel Institute hanno evidenziato questi vantaggi nelle loro linee guida operative, spiegando perché molti produttori siderurgici stanno effettuando questo passaggio.

Soffiatura di ossigeno nel forno a ossigeno di base (BOF): controllo di precisione con purezza del 99,5%

Il processo di produzione dell'acciaio nel forno a ossigeno di base (BOF) richiede ossigeno estremamente puro, tipicamente superiore al 99,5%, per ottenere risultati coerenti ed efficaci di decarburazione. Piccole quantità di impurità, come azoto o umidità, possono causare reazioni di ossidazione imprevedibili che riducono effettivamente i rendimenti e compromettono negativamente la qualità della superficie. Gli impianti criogenici di separazione dell'aria forniscono questo ossigeno ad alta purezza a una pressione di circa 12–15 bar tramite lance appositamente progettate. Queste lance consentono agli operatori di controllare con maggiore accuratezza il modello e la posizione della soffiatura. La maggiore precisione riduce le perdite accidentali di ossidazione del ferro di circa il 3–5% rispetto all’uso di ossigeno con purezza inferiore. Ciò è particolarmente rilevante nella produzione di acciai che devono soddisfare rigorosi requisiti chimici per applicazioni quali componenti automobilistici e materiali per tubazioni, dove la coerenza è assolutamente fondamentale.

Argon per la colata continua e la metallurgia secondaria: controllo delle inclusioni mediante gas ad ultra-alta purezza (99,999%)

Per le operazioni di metallurgia in crogiolo e di colata continua, l'argon ad ultra alta purezza, con livelli superiori al 99,999%, è semplicemente indispensabile. L'iniezione di questo gas nell'acciaio fuso contribuisce a rimuovere l'idrogeno e l'azoto indesiderati. Allo stesso tempo, spinge verso l'alto quelle fastidiose inclusioni non metalliche, come l'allumina e i silicati, che vengono quindi intrappolate nello strato di scoria. Anche i valori numerici sono fondamentali: mantenere le impurità totali al di sotto di 10 parti per milione fa tutta la differenza. Persino quantità minime di azoto possono causare fastidiose vesciche sub-superficiali sia negli acciai inossidabili che in quelli per applicazioni elettriche. Gli impianti che passano all'argon prodotto da unità di separazione dell'aria registrano miglioramenti significativi. Alcuni stabilimenti riferiscono di aver ridotto i rifiuti legati alle inclusioni di oltre il 40% nei loro blocchi e billette finiti. Questi risultati confermano quanto emerso dal recente studio di benchmarking sulla qualità del 2023 condotto dall’International Iron and Steel Institute.

Sfide relative all'efficienza energetica e all'integrazione del sistema per le unità di separazione dell'aria negli impianti siderurgici

Principali fonti di perdita energetica: distruzione di exergia nel compressore principale dell'aria e opportunità di recupero termico

Gli impianti di separazione dell'aria, comunemente denominati ASU, incontrano problemi di efficienza energetica quando vengono integrati negli impianti siderurgici. Una parte significativa del problema risiede nel funzionamento fondamentale di questi sistemi, con alcuni componenti che subiscono perdite di efficienza a causa di inevitabili perdite termodinamiche. Prendiamo ad esempio il compressore principale dell'aria: esso assorbe circa il 40% di tutta l'elettricità utilizzata da un ASU. Analizzando più da vicino, gran parte di questa energia sprecata deriva dal processo di compressione stesso, durante il quale l’energia utile viene dissipata sotto forma di calore. Ciò che accade successivamente è altrettanto inefficiente: il sistema genera calore di scarto ad alta temperatura, compreso tra 150 e 300 gradi Celsius, ma la maggior parte degli impianti lo lascia semplicemente disperdere nell’atmosfera anziché sfruttarlo in modo produttivo. Alcune aziende lungimiranti stanno ora installando soluzioni per il recupero del calore, come cicli Rankine organici oppure la produzione di vapore a bassa pressione a partire da questo calore di scarto. Questi approcci consentono effettivamente di recuperare circa due terzi dell’energia termica persa nell’intero impianto. Ciò non solo rende la produzione di ossigeno circa il 20% meno intensiva dal punto di vista energetico, ma riduce anche in misura significativa il fabbisogno di acqua di raffreddamento. Tuttavia, far funzionare correttamente questi sistemi rimane una sfida. I sistemi di controllo richiedono una coordinazione accurata affinché l’ASU possa regolare la propria produzione in base alle variazioni della domanda nel processo siderurgico. In particolare, durante i periodi critici in cui i forni a coke cambiano campagna o i laminatoi vengono sostituiti, anche piccole fluttuazioni di pressione possono compromettere intere fasi produttive.

Domande Frequenti

Perché gli impianti siderurgici necessitano di gas estremamente ad alta purezza?

Gli impianti siderurgici richiedono gas ad alta purezza per garantire precisione e controllo della qualità nella produzione. L’ossigeno, l’azoto e l’argon ad alta purezza assicurano una combustione ottimale, una gestione efficace delle scorie e prevengono difetti da ossidazione nei lingotti di acciaio.

Quali vantaggi offrono gli impianti di separazione dell’aria criogenici (ASU) rispetto alla fornitura di gas in bulk?

Gli impianti di separazione dell’aria criogenici (ASU) garantiscono affidabilità ed efficienza economica. Gli stabilimenti riducono i costi legati al trasporto e allo stoccaggio, evitando interruzioni della catena di approvvigionamento. Gli ASU consentono inoltre risparmi energetici e forniscono gas ad alta purezza in modo costante.

In che modo l’argon migliora le operazioni di colata continua?

L’argon ad ultra-alta purezza riduce le impurità e le inclusioni non metalliche nell’acciaio fuso, spingendo tali inclusioni nello strato di scoria e contribuendo a mantenere la qualità dell’acciaio. Ciò riduce le percentuali di scarto e migliora la coerenza produttiva.

Quali sfide in termini di efficienza energetica devono affrontare gli impianti di separazione dell’aria (ASU)?

Unità di separazione dell'aria affrontano sfide in termini di efficienza energetica a causa delle perdite termodinamiche, in particolare nel compressore d'aria principale. Le soluzioni per il recupero del calore vengono utilizzate per ridurre lo spreco di energia e migliorare l'efficienza complessiva dell'impianto.