Potenziamento dell’ossigeno nei forni a vento

Il vantaggio dell’ossigeno nella moderna produzione dell’acciaio

La produzione di ghisa nei forni a vento non è cambiata fondamentalmente da secoli. Coke, minerale di ferro e fondente entrano dalla sommità; ferro fuso e scoria escono dalla base; aria calda viene soffiata attraverso le lance. Tuttavia, i dettagli si sono evoluti in maniera significativa, e l’arricchimento con ossigeno rappresenta una delle modifiche più incisive degli ultimi cinquant’anni.

L'iniezione di ossigeno nel vento d'altoforno — ovvero l'aumento del contenuto di ossigeno nell'aria di combustione dal 21% al 25% o superiore — trasforma il comportamento termico e chimico del forno. L'effetto immediato è un aumento della temperatura della fiamma, che accelera le reazioni di riduzione che convertono l'ossido di ferro in ferro metallico. Gli effetti secondari includono un incremento della produttività, una riduzione del consumo di coke e minori emissioni di CO₂ per tonnellata di ferro prodotto.

Come l'ossigeno modifica la termodinamica del forno

Il calcolo è semplice, ma le implicazioni sono profonde. L'aria contiene circa il 79% di azoto, che attraversa il forno senza partecipare alle reazioni. Tale azoto assorbe calore — calore che potrebbe invece essere utilizzato per ridurre il minerale di ferro. Quando l'ossigeno sostituisce l'azoto nel vento, si spreca meno calore nel riscaldamento di gas inerti. La temperatura della fiamma aumenta e il forno può trattare una maggiore quantità di minerale con lo stesso tasso di consumo di coke.

Per ogni incremento dell'1% di ossigeno, la temperatura della fiamma aumenta di circa 50 °C. Con una concentrazione di ossigeno del 25%, la temperatura della fiamma si avvicina ai 2.200 °C, rispetto ai circa 2.000 °C del 21%. Questa fiamma più calda consente diversi miglioramenti operativi: maggiori portate di carbone pulverizzato iniettato, riduzione del consumo di coke e aumento della produttività.

Il compromesso è che l'arricchimento con ossigeno accresce anche la sensibilità del forno alle perturbazioni. Un forno funzionante al 25% di ossigeno possiede minore inerzia termica rispetto a uno al 21%. Gli operatori devono esercitare un controllo più stringente sulla distribuzione del carico, sulla temperatura dell'aria di soffio e sul contenuto di umidità per garantire un funzionamento stabile.

Guadagni di produttività: cosa indicano i dati

L’impatto della ossigenazione sull’efficienza produttiva è ampiamente documentato. I dati industriali provenienti da acciaierie integrate mostrano che ogni incremento dell’1% nell’ossigenazione comporta un aumento approssimativo del 3–4% della portata produttiva, a condizione che la temperatura del vento caldo rimanga stabile e la qualità del carico sia costante. Con il 25% di ossigeno, ciò corrisponde a un guadagno di efficienza del 12–16% rispetto al funzionamento con aria naturale.

La riduzione del consumo di coke è particolarmente vantaggiosa. Il coke è il materiale grezzo più costoso nel processo altofornario e la sua produzione genera notevoli emissioni di CO₂. Ridurre il consumo di coke del 5% in un’acciaieria da 2 milioni di tonnellate all’anno comporta un risparmio annuo di circa 5 milioni di dollari statunitensi sui costi del coke e una corrispondente riduzione dell’impronta carbonica.

Un’applicazione pratica: acciaieria integrata del Nord della Cina

Un grande impianto siderurgico integrato nel nord della Cina ha implementato un programma graduale di arricchimento con ossigeno su un periodo di 18 mesi. L'impianto disponeva già di un'unità di separazione dell'aria che produceva ossigeno per altri processi, ma non iniettava precedentemente ossigeno nel flusso d'aria del forno a vento. Il progetto ha comportato l'installazione di lance per l'iniezione di ossigeno a livello dei soffioni, l'aggiornamento del sistema di controllo per gestire il flusso aggiuntivo di ossigeno e la formazione degli operatori sui nuovi parametri operativi.

I risultati sono stati misurabili già nel primo trimestre. La produzione è aumentata del 11% con un arricchimento di ossigeno al 24,5%, mentre il consumo di coke è diminuito del 7%. L'impianto ha conseguito questi miglioramenti senza ingenti investimenti in capitale: l'ossigeno era già prodotto e le modifiche apportate al forno a vento sono state relativamente limitate. Il periodo di recupero, calcolato confrontando i costi di produzione e iniezione di ossigeno con i risparmi sul coke e il valore aggiunto derivante dall'aumento della produzione, è stato inferiore a dodici mesi.

Si sono verificati problemi operativi. Il altoforno richiedeva un monitoraggio più frequente della distribuzione del carico per prevenire il canale di flusso, una condizione in cui i gas scorrono preferenzialmente attraverso determinate aree, causando una riduzione non uniforme e potenziali formazioni di strutture a graticcio. Il team operativo ha modificato i modelli di caricamento in cima privi di campana per compensare tale fenomeno, e l'altoforno si è stabilizzato entro sei settimane dall'iniezione iniziale di ossigeno.

Considerazioni relative all'approvvigionamento di ossigeno per l'iniezione nell'altoforno

L'ossigeno per l'arricchimento dell'altoforno proviene tipicamente da un'impianto di separazione dell'aria in loco oppure da un approvvigionamento tramite tubazione. Il requisito di purezza è modesto rispetto ad altre applicazioni dell'ossigeno: il 90–95% di ossigeno è sufficiente per l'iniezione nell'altoforno, mentre applicazioni mediche o per i semiconduttori richiedono purezze pari o superiori al 99,5% .

Questo requisito di purezza inferiore amplia le opzioni di approvvigionamento. I sistemi a vuoto con variazione di pressione (VPSA) possono produrre ossigeno al 90-95% con costi di investimento e di esercizio inferiori rispetto alla separazione criogenica dell’aria, sebbene siano generalmente limitati a capacità più ridotte. Per gli impianti di maggiori dimensioni, le unità di separazione dell’aria criogeniche (ASU) rimangono lo standard, producendo ossigeno con purezze superiori al 99,5% e con la flessibilità di produrre anche azoto e argon.

Il sistema di iniezione dell’ossigeno richiede un’ingegnerizzazione accurata. L’ossigeno deve essere erogato a una pressione sufficiente per superare la contropressione del altoforno, tipicamente tra 3 e 5 bar. Le lance di iniezione devono essere progettate per resistere alle elevate temperature al livello delle soffiette — circa 2.000 °C — e il flusso di ossigeno deve essere controllato con precisione per mantenere il livello desiderato di arricchimento.

Considerazioni sulla sicurezza nella manipolazione dell’ossigeno

L’arricchimento con ossigeno introduce considerazioni di sicurezza che meritano attenzione. L’ossigeno sostiene la combustione in modo più vigoroso rispetto all’aria, e qualsiasi perdita o contatto non intenzionale con idrocarburi può creare un rischio d’incendio. Le tubazioni per l’iniezione di ossigeno devono essere progettate secondo gli standard per servizi ossigeno, con rigorosi requisiti di pulizia e materiali adeguati.

Gli standard di settore affrontano direttamente queste preoccupazioni. La norma CGA G-4.1 dell’Compressed Gas Association fornisce indicazioni complete sulla pulizia e progettazione dei sistemi ossigeno. ASME B31.3 definisce i requisiti per le tubazioni destinate a servizi ossigeno, inclusa la selezione dei materiali e la progettazione dei giunti.

Gli impianti che implementano l’arricchimento con ossigeno devono effettuare una revisione approfondita dei rischi prima dell’avviamento, coprendo potenziali scenari di perdita, procedure di arresto d’emergenza e formazione degli operatori. I rischi sono gestibili grazie a opportuni controlli ingegneristici e procedure operative.

Quando l’arricchimento con ossigeno ha senso — e quando non ne ha

L'arricchimento con ossigeno non è universalmente vantaggioso. La sua convenienza economica dipende dal costo dell'ossigeno, dal prezzo della coke e dal valore della produzione aggiuntiva. Gli impianti dotati di produzione interna di ossigeno — in particolare quelli con capacità eccedente dell'unità di separazione dell'aria (ASU) — sono i candidati naturali. Gli impianti privi di un approvvigionamento esistente di ossigeno devono prendere una decisione di investimento: installare un'unità ASU o un sistema VPSA, oppure accettare la minore produttività derivante dal funzionamento con aria naturale.

Esistono anche considerazioni specifiche per ogni tipo di altoforno. Gli altiforni che operano vicino alla loro capacità produttiva massima potrebbero trarre benefici limitati dall'arricchimento con ossigeno: il collo di bottiglia si sposta verso processi a valle, come i convertitori a ossigeno basico o la colata continua. In tali casi, l'arricchimento con ossigeno potrebbe non generare il miglioramento di produttività atteso.

Per gli altiforni con vincoli sull'approvvigionamento di coke o con costi elevati della coke, la convenienza economica diventa più interessante. Ogni tonnellata di coke risparmiata corrisponde a una tonnellata che non deve essere acquistata, trasportata né caricata nell'altoforno.

GreenFir fornisce impianti criogenici di separazione dell'aria per la produzione di ossigeno nelle acciaierie, con una consolidata esperienza in installazioni presso impianti integrati di produzione siderurgica in tutta l'Asia.