L'importanza della sigillatura del forno negli impianti DRI

In un forno rotativo DRI, l'ingresso di aria causa la riossidazione del prodotto e la perdita di metallizzazione: il ferro già ridotto torna allo stato di ossido, rendendo il ferro spugnoso non conforme alle specifiche. In un forno da cemento, l'aria parassita degrada l'efficienza termica; in un forno DRI, distrugge il prodotto stesso. Comprendere questa distinzione è il punto di partenza per qualsiasi valutazione seria della tenuta negli impianti di ferro spugnoso e riduzione diretta.

Cosa differenzia la tenuta del forno DRI da quella del forno da cemento

Il forno rotativo DRI opera sotto un involucro di gas riducente: una miscela ricca di CO con un rapporto CO/CO2 tipicamente superiore a 3:1 nella zona di riduzione attiva [1][2]. Questa atmosfera gassosa guida l'equilibrio termodinamico che converte gli ossidi di ferro in ferro metallico. Tale equilibrio è estremamente sensibile alla pressione parziale dell'ossigeno.

Atmosfera riducente: un ambiente gassoso in cui la pressione parziale dell'ossigeno è mantenuta sufficientemente bassa da spingere termodinamicamente gli ossidi di ferro verso il ferro metallico. Nei forni rotativi DRI, ciò significa una miscela ricca di CO nel letto solido, con il bordo libero (freeboard) gestito separatamente tramite bocchette dell'aria controllate lungo il mantello del forno.

Anche una piccola infiltrazione d'aria alla cappa di ingresso o di uscita sposta l'atmosfera locale verso condizioni ossidanti. Il ferro già ridotto nel letto di prodotto, che è poroso e altamente reattivo, inizia a regredire. Questa è la riossidazione: la metallizzazione che il processo ha impiegato 8-12 ore a costruire viene degradata in pochi minuti se l'ossigeno incontra il ferro spugnoso caldo [2][3].

Nel cemento, la domanda standard è quanta aria parassita aumenti il consumo specifico di combustibile. Nel DRI, la domanda è quanta metallizzazione sia andata persa nel prodotto finito. La prima costa combustibile; la seconda costa ferro commerciabile.

Dove entra l'aria in un forno DRI e perché ogni punto è importante

I due punti a maggior rischio di ingresso d'aria sono la tenuta di ingresso (lato alimentazione, dove entrano minerale di ferro grezzo e carbone riducente) e la tenuta di uscita (lato scarico, dove il ferro spugnoso caldo esce verso il refrigeratore rotativo) [1][3].

Lato ingresso. L'interno del forno è solitamente in leggera pressione negativa vicino al lato alimentazione poiché il ventilatore ID aspira il gas attraverso il processo. Qualsiasi fessura nella tenuta di ingresso aspira aria atmosferica nel forno, dove si miscela con il gas riducente. Il lato alimentazione opera a temperature di riduzione di picco (950-1.050°C), quindi l'ingresso di ossigeno qui compete direttamente con le reazioni di riduzione.

Lato uscita e transizione al refrigeratore. Il ferro spugnoso esce a 200-400°C verso un refrigeratore rotativo, dove il raffreddamento indiretto ad acqua lo porta a circa 100-120°C prima dello scarico [2]. A 200-400°C, il ferro spugnoso è ancora altamente reattivo. La sua area superficiale interna è circa 10.000 volte superiore a quella del ferro solido [3], poiché la microstruttura porosa creata durante la riduzione espone un'enorme superficie attiva di ferro a qualsiasi ossidante presente. Una tenuta difettosa all'interfaccia cappa-refrigeratore consente all'aria atmosferica di entrare in contatto con questo materiale reattivo.

Tenuta del refrigeratore. Molti operatori DRI trattano l'uscita del forno e l'ingresso del refrigeratore rotativo come due posizioni di tenuta distinte, ciascuna richiedente il proprio gruppo di tenuta. In pratica, una configurazione a doppia tenuta in questa interfaccia critica sta diventando lo standard nei nuovi progetti di impianti.

Come il cedimento della tenuta si traduce in perdita di metallizzazione

Una perdita persistente della tenuta del 5-10% di aria parassita all'uscita del forno può ridurre la metallizzazione finale di 2-4 punti percentuali [1][2]. Un prodotto che registrava una metallizzazione del 92% potrebbe uscire dal refrigeratore all'88-90%, valore inferiore alla soglia di Grado 1 secondo la norma IS 15774:2018, la specifica del Bureau of Indian Standards per il ferro spugnoso/DRI [4].

Grado di metallizzazione: (Fe_metallico / Fe_totale) × 100%. Per DRI a base carbone di Grado 1 secondo IS 15774:2018: minimo 90%. I produttori di acciaio EAF richiedono tipicamente il 90% per il prodotto a base carbone e il 92% per quello a base gas.

La conseguenza economica è diretta. Su un forno da 80 TPD, un calo di 2 punti di metallizzazione significa che circa 1,6 tonnellate al giorno di ferro metallico vengono sostituite da ossido residuo nella carica, che il forno elettrico ad arco (EAF) a valle deve rifondere con un costo energetico aggiuntivo. Ripetuti fallimenti qualitativi possono comportare una penale sul prezzo di 500-1.000 INR/t o il rifiuto del contratto. Ogni arresto non programmato del forno per riparazioni di emergenza alle tenute costa 3-5 giorni di produzione persa.

Vedere controllo qualità del ferro spugnoso per il quadro completo delle specifiche su tutti e cinque i parametri di qualità.

Requisiti di progettazione delle tenute specifici per i forni DRI

I forni DRI impongono vincoli che i design delle tenute per forni da cemento non sempre affrontano completamente [1][3]:

Profilo di temperatura. La zona di scarico del forno DRI opera a 200-400°C, inferiore ai 900-1.100°C dell'uscita di un forno da cemento. Sembra più semplice, ma una temperatura più bassa significa che il ferro spugnoso non è ancora inerte. I design delle tenute ottimizzati solo per la resistenza all'abrasione ad alta temperatura potrebbero non essere all'altezza del compito di controllo atmosferico che conta di più all'interfaccia del refrigeratore.

Fini abrasivi. Le particelle di char e i fini di minerale di ferro sono altamente abrasivi. Gli elementi di tenuta che non riescono a gestire l'abrasione continua da particelle fini svilupperanno micro-fessure che, cumulativamente, consentiranno un significativo ingresso d'aria durante una campagna.

Integrità dell'atmosfera, non solo riduzione del volume. Nel cemento, l'obiettivo è ridurre l'aria parassita a un livello accettabile. Nel DRI, l'obiettivo lato scarico è un ingresso di ossigeno prossimo allo zero. Si tratta di una specifica più rigorosa che richiede un design della tenuta in grado di mantenere la forza di contatto e la conformità durante i cicli termici.

Un sistema di tenuta duplex per forni fornisce una barriera di tenuta primaria e una secondaria in ogni posizione. Se la tenuta primaria si usura durante una campagna, la barriera secondaria mantiene il controllo dell'atmosfera fino alla successiva finestra di manutenzione programmata. Le tenute radiali ad alta temperatura vengono utilizzate laddove la geometria dell'interfaccia cappa-forno richiede una forza di contatto radiale anziché una compressione assiale.

Vantaggi operativi di un forno DRI ben sigillato

Una tenuta efficace in ingresso e in uscita in un impianto DRI offre tre vantaggi operativi misurabili oltre alla protezione della metallizzazione.

Controllo stabile dell'atmosfera. Una tenuta ermetica mantiene stabile il rapporto CO/CO2 nella zona di riduzione, riducendo la frequenza delle regolazioni manuali alle bocchette dell'aria e all'iniezione di carbone. Gli operatori riferiscono che un forno ben sigillato è più facile da gestire costantemente secondo le specifiche.

Minore consumo specifico di carbone. L'ingresso di aria causa la combustione parassita di CO e materia volatile dal carbone prima che raggiunga la zona di riduzione. Eliminare l'ingresso significa più gas riducente per tonnellata di carbone caricato, migliorando l'efficienza carbone-metallizzazione del processo.

Intervalli di campagna più lunghi. La manutenzione programmata delle tenute può essere pianificata in base al piano di campagna del forno. Gli arresti di emergenza per guasto alle tenute sono tra gli eventi più critici in un impianto DRI, poiché i tempi di inattività non pianificati interrompono lo stato stazionario termico di cui il forno ha bisogno per una qualità costante del prodotto.

Per gli impianti nella catena di fornitura dell'industria metallurgica, l'affidabilità delle tenute influisce direttamente sull'affidabilità delle consegne. Il servizio di installazione e retrofit di Oswal copre sia la specifica delle tenute per nuovi impianti che il retrofit di cappe di forni esistenti dove le prestazioni di tenuta sono degradate.