Laltoforno è un tipo di impianto utilizzato nell'industria siderurgica per la produzione della ghisa a partire dal minerale ferroso. Si tratta di un enorme contenitore verticale di acciaio rivestito internamente di materiale refrattario; l'altoforno produce ghisa grigia, ovvero una lega binaria di ferro e carbonio, attraverso un processo in cui concorre la combustione di carbon coke, la fusione di minerali e riduzione degli ossidi metallici (ad esempio Fe2O3) presenti in natura come minerale ferroso, attraverso un'atmosfera riducente. La produzione di un moderno altoforno può essere compresa tra le 2.000 e le 8.000 tonnellate di ghisa al giorno.
L'altoforno deve il suo nome alle dimensioni; può infatti raggiungere un'altezza di 11 metri (più di 50 m considerando anche il sovrastante sistema di caricamento) ed un diametro massimo di circa 12 metri..
Storia I più antichi altiforni conosciuti furono impiantati a Dürstel (Svizzera), nella Sauerland (Germania) e a Lapphyttan (Svezia), dove il complesso rimase attivo tra il 1150 e il 1350. Al 1340 risale invece quello di Liegi. I Cistercensi contribuirono alla sua diffusione in Europa, in particolare nella Champagne (Francia) e a Laskill (Gran Bretagna). Un passo importante fu fatto nel 1776, quando l'applicazione del motore a vapore al mantice consentì di raggiungere temperature più elevate. Nel 1828 James Beaumont Neilson brevettò il processo che insufflava aria calda, aumentando l'efficienza.
Descrizione e generalità L'altoforno è un forno a tino, la cui forma è costituita da due tratti troncoconici, di cui il "tino" costituisce il cono superiore, il cono inferiore è detto "sacca", uniti da una sezione cilindrica centrale (detta "ventre"). La carica avviene dall'alto, ed è formata da coke e minerale ferroso che vengono caricati a strati alterni.
È un forno a funzionamento continuo: gli strati della carica scendono lentamente mentre il forno viene alimentato introducendo nuovi strati a intervalli regolari.
È un forno ventilato: perché per raggiungere tali valori di temperatura è necessario insufflare dal basso aria preriscaldata, alla quale può essere addizionato ossigeno. L'iniezione di aria detta "vento caldo" (1100-1200 °C), anch'essa continua, avviene attraverso una corona di tubi (detti tubiere) in corrispondenza del ventre del forno.
Contemporaneamente al vento caldo può essere insufflato carbone fossile micronizzato (circa 100 micron), con lo scopo di ridurre l'utilizzo del più costoso carbon coke (che non potrà però essere del tutto eliminato in quanto necessario per mantenere la carica permeabile ai gas).
La struttura del forno è costituita esternamente da una corazza di acciaio speciale, rivestita internamente da mattoni refrattari su un sostrato di cemento refrattario. Le pareti del forno più sollecitate termicamente, sono raffreddate internamente da scambiatori di rame raffreddati, a loro volta, da acqua che li percorre internamente.
Il forno è composto, partendo dall'alto, dalle seguenti parti:
Bocca di carico È la parte superiore con gli apparecchi di caricamento, apertura, chiusura e raccolta dei fumi. Nella bocca la temperatura del gas in uscita è inferiore a 200-300 °C.
Tino Costituisce la parte più grande dell'altoforno ed è a forma di tronco di cono con la base maggiore in basso. L'allargamento verso il basso facilita la discesa delle cariche e tiene conto anche della loro dilatazione per l'aumentata temperatura. Viene realizzato utilizzando refrattari silico alluminosi (a carattere acido). La temperatura è generalmente di 800 C°
Ventre È la parte cilindrica tra il tino e la sacca; talvolta questa parte dell'altoforno può ridursi alla semplice circonferenza di collegamento della sacca al tino. Qui inizia la fusione delle cariche, a temperature tra 1.350 e 1.500 °C.
Sacca È la parte conica con sezione crescente verso l'alto. Nella parte inferiore sono disposti gli ugelli per l'introduzione dell'aria calda di alimentazione dall'altoforno. Nella sacca si completa la fusione delle cariche con temperatura tra i 1.800 °C e i 2.000 °C. Per ridurre il consumo di coke, alcuni altiforni prevedono l'insufflaggio di polvere di carbone (più economico del coke) insieme all'aria calda (polveri inferiori ad i 100 micron).
Crogiolo È un cilindro costituito da blocchi carboniosi di grafite e argilla. Si trova nella parte inferiore dell'altoforno. Sul crogiolo sono disposti, dall'alto al basso, due fori per la fuoriuscita delle loppe (o scorie d'altoforno), distanti circa 1,50 m dal fondo del crogiolo, e due fori di colata per la ghisa madre, anch'essi distanziati angolarmente e disposti appena sopra il fondo del crogiolo. Qui la temperatura raggiunge i 1.600 °C. Viene solitamente realizzato con rivestimento refrattario grafitico (neutro).
Alimentazione di un altoforno I minerali di ferro che costituiscono le cariche di un altoforno sono: Minerale Formula chimica Massa volumica () % teorica di ferro % media di ferro nel materiale Note Magnetite Fe3O4 5 72,4 45/70 Il rimanente 37,6% di minerale costituisce la ganga, cioè terra. Ematite rossa Fe2O3 5,2 69,9 45/60 È un buon minerale perché contiene poco fosforo. Limonite 2Fe2O33H2O 3,7 59,8 30/50 Siderite FeCO3 3,8 48,2 30/40
Oltre ai quattro suddetti minerali possono essere presenti tracce di altri elementi, la cui presenza può o meno essere utile:
zolfo: sempre indesiderabile; arsenico: sempre indesiderabile; manganese: generalmente ben accettato; fosforo: storicamente non desiderabile. La sua presenza non costituisce più un inconveniente grazie all'uso dei convertitori LD a ossigeno.
Preparazione dei minerali del ferro Frantumazione Con la frantumazione, effettuata per mezzo di frantoi rotativi a macina eccentrica, il minerale viene ridotto a una pezzatura di dimensioni variabili fra gli 8 e i 35 mm.
Arricchimento Il processo di arricchimento ha lo scopo di togliere, quanto più possibile, la ganga (terra) dal minerale. I metodi di arricchimento più diffusi avvengono per: separazione magnetica: il metodo è applicabile esclusivamente alla magnetite, dato che solo questo minerale è ferromagnetico; differenza di massa volumica: dopo essere stato macinato, con appositi crivelli il minerale viene separato dalla ganga; separazione per galleggiamento; separazione per flottazione; ecc.
Calcinazione La calcinazione è un'operazione di dissociazione che si effettua senza l'intervento di agenti estranei al minerale e con il solo riscaldamento. Essa viene eseguita in forni a una temperatura di 200/300°C e si effettua generalmente: sulle Limoniti di cui si provoca la separazione dell'acqua secondo la reazione: 2Fe2O3 \cdot 3H2O -> 2Fe2O3 \ + \ 3H2O sulle sideriti che si dissociano in ossido ferroso, liberando anidride carbonica, secondo la reazione: FeCO3 \cdot FeO \ + \ CO2
Arrostimento Lo scopo dell'arrostimento è quello di trasformare il minerale in un materiale più trattabile nell'altoforno, oppure quello di eliminare del tutto, o in parte, elementi nocivi. L'arrostimento può essere: arrostimento riducente: in un forno tubolare si carica l'ematite e una piccola quantità di carbone; avviene la seguente reazione: 3Fe2O3 \ + \ CO -> 2Fe3O4 \ + \ CO2 Una parte dell'ossido magnetico si trasforma però ulteriormente nel modo seguente: Fe3O4 \ + \ CO -> 3FeO \ + \ CO2
arrostimento ossidante: in un forno tubolare, o a griglia, riscaldato a temperatura inferiore ai 500 °C in presenza d'aria, si caricano magnetiti; avviene la seguente reazione: 4Fe3O4 \ + \ O2 -> 6Fe2O3
Agglomerazione e Pellettizzazione I minerali in pezzatura fine provenienti dalla frantumazione o dall'arricchimento magnetico o dei parchi di omogeneizzazione ecc. non possono essere caricati direttamente nell'altoforno. Per tutti questi materiali è necessario un processo di agglomerazione oppure di pellettizzazione. Si effettua l'uno o l'altro dei due processi, a seconda delle dimensioni granulometriche dei materiali e precisamente: agglomerazione per le polveri di dimensioni > 0,1 mm; pellettizzazione per le polveri di dimensioni < 0,1 mm.
Agglomerazione Il processo consiste nel mescolare il materiale ferroso fine con polvere di coke e disporlo in appositi forni a griglia, riscaldati a temperature elevate: 1.000 / 3.000 °C.
Questo materiale così trattato o per incipiente fusione dei granelli di silice in esso contenuti, o per il verificarsi di una vera e propria ricristallizzazione, si trasforma in un agglomerato avente l'aspetto di una massa spugnosa.
Pellettizzazione Il processo di pellettizzazione si effettua per quei materiali troppo fini per i quali l'agglomerazione sarebbe eccessiva.
Il processo consiste nel mescolare il minerale, a piccolissima granulometria, con l'acqua, calce e un agglomerante, di solito la bentonite, dentro tamburi rotanti nei quali si ha la formazione di pallottole sferoidali di 10/25 mm di diametro dette dall'inglese pellet verdi. Successivamente si provvede a un essiccamento e cottura a 1.300 °C, in forni continui a griglia tipo dwight-lloyd.
Coke
Fondente Al minerale del ferro e al coke immessi nell'altoforno si aggiunge del materiale, chiamato fondente, che si unisce chimicamente, a una temperatura relativamente bassa, circa 1.200 °C, alla ganga del minerale e alle ceneri del coke formando delle sostanze che fondono facilmente.
Il fondente è solitamente un materiale roccioso del tipo calcareo, più raramente esso è costituito da dolomite, argilla, sabbia, ecc. Per diminuire il consumo di coke nell'altoforno, l'aggiunta di questo fondente deve essere in quantità e qualità tali da dar luogo al seguente indice di basicità :
Principali fasi di funzionamento L'altoforno è essenzialmente un impianto chimico in cui avvengono determinate reazioni. Le principali possono essere classificate in tre categorie.
Reazioni di riduzione del minerale di ferro e di carburazione del ferro La riduzione avviene sia per azione dell'ossido CO (riduzione indiretta), sia per azione del coke (riduzione diretta). Infatti l'ossigeno contenuto nell'aria introdotta a temperatura elevata e a pressione nell'altoforno reagisce con il coke rovente, formando dapprima anidride carbonica (CO2) e successivamente monossido di carbonio secondo le reazioni:
C \ + \ O2 -> CO2
CO2 \ + \ C -> 2CO
Nella colonna di gas che sale verso l'alto si ha, pertanto, ossido di carbonio (CO) che ha la duplice funzione di ridurre il minerale e di carburare il ferro così ottenuto, secondo le seguenti reazioni:
reazione di riduzione:
Fe2O3 \ + \ 3CO -> 2Fe \ + \ 3CO2
e se è presente della magnetite:
Fe3O4 \ + \ 4CO -> 3Fe \ + \ 4CO2
reazione di carburazione:
3Fe \ + \ 2CO -> Fe3C \ + \ CO2
Non tutto l'ossido di carbonio reagisce in tal modo; una parte resterà con i fumi che escono, cioè i gas d'altoforno. Altro ossido di carbonio si forma per riduzione diretta del minerale con il coke, secondo la reazione:
Fe2O3 \ + \ 3C -> 2Fe \ + \ 3CO
e se è presente della magnetite:
Fe3O4 \ + \ 4C -> 3Fe \ + \ 4CO
Contemporaneamente, altro ferro viene carburato per reazione diretta del coke:
3Fe \ + \ C -> Fe3C
Riduzione di altri ossidi Le principali reazioni che avvengono, sono tre:
MnO \ + \ C -> Mn \ + \ CO ;
SiO2 \ +\ 2C -> Si \ + \ 2CO ;
P2O5 \ + \ 5C -> P2 \ + \ 5CO ;
Mentre il manganese, ottenuto per riduzione del suo ossido (MnO), è molto utile per la desolforazione della ghisa, il silicio e il fosforo restano senza particolari reazioni nella ghisa stessa.
Desolforazione della ghisa L'eliminazione del dannoso zolfo è svolta dal manganese e dalla calce. Il manganese accompagna il minerale oppure è introdotto appositamente come minerale ausiliario, mentre la calce proviene dalla dissociazione del calcare che accompagna il minerale, oppure è introdotta appositamente con il fondente. Il manganese e la calce reagiscono nel modo seguente:
FeS \ + \ Mn -> MnS \ + \ Fe ;
MnS \ + \ CaO \ + \ C -> CaS \ + \ Mn \ + \ CO