Perché la produzione dell’acciaio con forno elettrico è ad alta intensità energetica

Perché la produzione di acciaio in forno elettrico ad arco è ad alta intensità energetica

Un Forno elettrico ad arco (EAF) è un recipiente metallurgico che utilizza l'intenso calore generato dagli archi elettrici formati tra elettrodi di grafite e la carica metallica per fondere e raffinare l'acciaio. Durante questa scarica di gas, l'energia è altamente concentrata, con temperature dell'arco superiori a 3000°C. Rispetto ad altri processi di produzione dell'acciaio, l'EAF offre una maggiore flessibilità del processo, eccelle nella rimozione di impurità come zolfo e fosforo, fornisce un controllo preciso della temperatura e ha un ingombro fisico relativamente piccolo, rendendolo ideale per la produzione di acciai legati di alta qualità. Tuttavia, una caratteristica distintiva delle operazioni EAF è il loro significativo consumo di energia elettrica.

L'elevato consumo di energia nella produzione di acciaio in EAF non è attribuibile a una singola causa, ma è il risultato di molteplici fattori interconnessi, principalmente relativi alle materie prime, alle pratiche operative e alle condizioni esterne.

1. Condizioni delle materie prime

La qualità e la natura della carica metallica (principalmente rottami di acciaio) sono determinanti fondamentali dell'efficienza energetica. L'uso prevalente di rottami leggeri e sottili e di bricchette densamente compattate porta spesso a cariche elevate e irregolari. Ciò può causare difficoltà di alimentazione, tempi di fusione prolungati e frequenti interruzioni del "tallone caldo" (arresti dopo la fusione parziale), con conseguente sostanziale perdita di calore nell'ambiente del forno. Una carica iniziale insufficiente può richiedere un'alimentazione secondaria o addirittura terziaria, ciascuna delle quali aggiunge tempo e costi energetici significativi. Ogni ciclo di carica aggiuntivo (in media 5 minuti) può aumentare il consumo specifico di energia di circa 7-12 kWh/tonnellata.

Inoltre, se la materia prima contiene alti livelli di carbonio (C) e fosforo (P), il successivo periodo di ossidazione richiesto per rimuovere questi elementi diventa prolungato e ad alta intensità energetica.

2. Abilità e pratiche operative

Il periodo di fusione rappresenta in genere il 60-70% del consumo totale di energia e si verificano sprechi significativi se le operazioni non sono ottimizzate. Un'inefficienza comune è la gestione impropria della scoria durante la defosforazione, che porta a una schiumatura incontrollata ("cieca") della scoria. Ciò spreca sia i materiali di flusso (come la calce) che l'energia necessaria per produrli e riscaldarli. L'abilità dell'operatore influisce direttamente sull'efficienza dell'immissione di energia, sul controllo della chimica della scoria e sulla tempistica complessiva del processo.

3. Limitazioni delle condizioni esterne

I vincoli della rete elettrica esterna possono influire gravemente sull'efficienza. Interruzioni di corrente impreviste, interruzioni di carico o cali di tensione improvvisi costringono il forno a una modalità di attesa. Se prolungato, il bagno fuso può iniziare a solidificarsi, richiedendo un massiccio apporto di energia aggiuntiva per rifonderlo, aumentando drasticamente il consumo totale di elettricità.

4. Incidenti e interruzioni del processo

Incidenti imprevisti portano a sprechi diretti di energia:

   Rottura dell'elettrodo: un funzionamento improprio che causa la rottura dell'elettrodo comporta una significativa perdita di calore durante l'arresto e il processo ad alta intensità energetica di inserimento di un nuovo elettrodo.

   Inversione della chimica: se un campione prelevato durante il periodo di riduzione mostra composizione, è necessario eseguire un costoso passaggio di "ri-ossidazione", sprecando l'energia precedentemente utilizzata per la riduzione.

   Guasti alle apparecchiature: perdite d'acqua nei sistemi ausiliari (ad esempio, bruciatori ossi-combustibili) o accumulo di materiale ("ponteggio") sulle pareti del forno richiedono interruzioni del processo. Spegnere il forno per risolvere questi problemi ritarda l'intera colata, aumentando le perdite di calore in stand-by.

In sintesi, sebbene l'EAF sia uno strumento di produzione dell'acciaio versatile ed efficace, la sua intrinseca dipendenza dall'elettricità come principale fonte di energia rende il suo consumo altamente sensibile alla qualità degli input, alla competenza delle operazioni e alla stabilità delle infrastrutture di supporto. Ridurre al minimo il consumo di energia richiede un'attenta attenzione alla preparazione dei rottami, al controllo qualificato del processo e a servizi pubblici affidabili.

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