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Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale

Corso di laurea in Ingegneria Chimica

Produzione del Carburo di Ferro

Martina Caldaroni

Academic Year 2013/2014

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INDICE

1.Introduzione…………………………………………………………….pag. 3

2.Il carburo di ferro……………………………………..………………pag. 7

2.1 Proprietà……………………………………………………….....pag 7

2.2 Vantaggi metallurgici e benefici ambientali……….pag 9

3. Il carburo di ferro per i forni ad arco elettrico………..pag. 11

3.1.Introduzione ai forni ad arco elettrico……………pag. 11

3.2Utilizzo del carburo di ferro negli EAF……………..pag. 12

4. Storia dei processi produttivi………………………………..pag. 16

4.1. Nucor Corporation…………………………………………..pag. 17

4.2. Qualitech Steel…………………………………………………pag. 20

4.3. Miglioramento del processo…………………………...pag. 21

5. Processo di produzione…………………………………………..pag. 23

5.1. Introduzione ai letti fluidizzati…………………………..pag. 24

5.2. Panoramica del processo…………………………………..pag. 26

5.3. Stoccaggio del minerale…………………………………….pag. 28

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5.4. Riscaldamento del minerale……………………………….pag. 28

5.5. Alimentazione al reattore….………………………..……..pag. 29

5.6. Reattore a letto fluidizzato………………………………..pag. 29

5.7. Trattamenti del prodotto…………………….……………..pag. 32

5.8. Sistema di trattamento del gas…………………………..pag. 33

5.9. Acqua di processo .................................. ……….…..pag. 34

6. Conclusioni………………………………………………. ……………pag. 35

Bibliografia…………………………………………………………..…………pag. 36

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Introduzione

Lo scopo di questa tesi è illustrare il processo innovativo, ancora allo stato sperimentale, per

la produzione di carburo di ferro a partire da ematite a bassa temperatura, allo scopo di

produrre acciai di elevata purezza ed a bassi costi.

Attualmente, la produzione di acciaio si ottiene fondamentalmente con due cicli di

fabbricazione: ciclo elettrico o da rottame e ciclo integrale o da minerale.

Nello schema successivo (fig.1) è riportata una schematizzazione dei due cicli di produzione

dell’acciaio.

Fig.1 : Schema riassuntivo dei cicli produttivi dell’acciaio [1]

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Come possiamo vedere, il primo prevede la formazione della ghisa nell’altoforno e di

conseguenza la decarburazione nel convertitore ad ossigeno “BOF” , basic oxygen furnace,

che ha lo scopo di convertire la ghisa in acciaio grezzo liquido tramite l’insufflazione di

ossigeno, mentre l’altro metodo forma l’acciaio nel forno elettrico dalla spugna di ferro

derivata dalla riduzione diretta.

Approfondiamo quindi, il secondo ciclo di produzione.

Sono denominati, alquanto impropriamente, processi di riduzione diretta quei processi che

portano direttamente dal minerale al prodotto ferroso non carburato, o poco carburato,

senza passaggio del metallo allo stato liquido.

Il prodotto è, come già detto,una spugna di ferro (DRI, Direct Reduced Iron), intendendosi

con questo termine una struttura metallica di porosità elevata, contenente inclusioni e

abbondanti fasi non metalliche provenienti dalla ganga e da ossidi non ridotti. Nei processi di

riduzione diretta la temperatura di processo è inferiore a quella di liquidus del prodotto e,

quindi, non c'è quella possibilità di separazione tra metallo fuso e scoria che avviene nei

processi in cui si ottiene la fusione del metallo. La pezzatura della spugna è strettamente

dipendente da quella dei materiali trattati. La spugna di ferro è caratterizzata da un’elevata

reattività nei confronti dell’ossigeno, con reazioni di tipo piroforico.

I processi di riduzione diretta, a causa della loro principale caratteristica, che è quella di

svolgersi a temperature inferiori a quella di fusione del prodotto metallico ottenuto, non

consentono di realizzare nessuna separazione della ganga né alcun vero processo di

affinazione.

Una particolare caratteristica da tener presente nel manipolare ed immagazzinare le spugne

di ferro è la loro alta reattività ai processi ossidativi, che può assumere carattere di

piroforico, e che, per i prodotti ottenuti da processi che si sono svolti a basse temperature

(<600°C) è particolarmente spiccata anche a temperatura ambiente. La combustione della

spugna di ferro è dovuta all’esotermicità delle reazioni ossidative del ferro metallico, avviene

senza produzione di fiamma e può raggiungere la temperatura di fusione del ferro; il

contatto con l’acqua può accelerare il processo e renderlo più pericoloso rendendo

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disponibile idrogeno prodotto dalla decomposizione della molecola d’acqua. Si può

prevedere, prima di una spedizione via mare, un “invecchiamento”, che produce un sottile

strato di ossido e il bricchettaggio della spugna per compressione meccanica, cosicché il

prodotto, che prende il nome di HBI (Hot Briquetted Iron), può essere inviato alle acciaierie

utilizzatrici in forma di bricchette ad alto peso specifico, di bassa porosità e di elevate

caratteristiche meccaniche

Una delle più importanti caratteristiche di questi prodotti è il loro grado di metallizzazione:

per grado di metallizzazione si intende il rapporto fra ferro metallico e ferro totale. La

differenza fra i due (ferro totale meno ferro metallico) è ferro non ridotto nel corso del pro-

cesso e rimasto allo stato di ossido. Ad esso è quindi legato un tenore di ossigeno residuo

presente nella spugna.

I prodotti provenienti da questi processi di riduzione possono trovare due principali tipi di

impiego in siderurgia: a parziale sostituzione dei minerali negli altiforni per la produzione di

ghisa o nei forni elettici o nei forni di acciaieria a sostituzione parziale o totale del rottame.

Nel primo caso è accettabile un contenuto di ferro ad un grado di metallizzazione

relativamente basso. I principali risultati che ci si può attendere dall'impiego dei preridotti

negli altiforni sono aumenti di produttività ed economie nel consumo di coke.

L'impiego dei preridotti per la produzione di acciaio è stato sperimentato principalmente nel

forno elettrico ad arco. In questo impiego, il preridotto si pone in competizione con i rottami

di ferro e la valutazione dei risultati delle prove è generalmente svolta prendendo come

riferimento la normale carica basata sul rottame. Per il suo impiego in acciaieria viene

richiesto al preridotto una maggiore purezza, un alto tenore in ferro, un alto grado di

metallizzazione. L'ossigeno residuo difatti richiede di essere eliminato nel corso del processo

di fabbricazione dell'acciaio principalmente come ossido di carbonio. Se il tenore di ossigeno

in carica è elevato, occorre aumentare la carica di carbone o di ghisa e si può verificare un

aumento nei tempi di affinazione e nel consumo di energia, a causa del lavoro di riduzione

richiesto nel trattamento di preridotti contenenti un residuo di ossigeno elevato. [2]

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In questi ultimi anni si sta, quindi, studiando il modo di produrre carburo di ferro. Un

prodotto più vantaggioso e ideale per l'alimentazione dei forni ad arco elettrico.

La reazione di formazione del suddetto si svolge su un letto fluidizzato e prevede

un’interazione tra polverino di ematite (0,1 – 1 mm) in un flusso di idrogeno e metano. Il

processo si svolge in due stadi: quello della riduzione dell’ematite a ferro metallico e quello

della cementazione del ferro metallico appena formato da parte del metano. Le temperature

previste per la formazione di carburo di ferro sono inferiori a quelle dei processi DRI,

tipicamente attorno a 600 - 700 °C. Il carburo di ferro ha il vantaggio, rispetto alla spugna di

ferro, di non essere piroforico. Se usato come materiale di carica nei forni elettrici ad arco, il

carburo di ferro, decomponendosi, fornisce carbonio e contribuisce alla diminuzione dei

consumi di energia elettrica. [2]

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Il carburo di ferro

Proprietà:

Il carburo di ferro Fe3C è composto di tre atomi di ferro e uno di carbonio ed è noto anche

come cementite. È un composto intermetallico duro e fragile, è metastabile perché tende a

decomporsi in ferrite (oppure austenite) e grafite secondo la reazione:

Fe3C → 3 Fe + C (1)

In effetti, questa trasformazione non si manifesta che a temperature sufficientemente

elevate e per lunghe permanenze. Infatti, è stabile a temperature inferiori a 200°C.

Esso è la seconda fase che si forma quando il carbonio supera il limite di solubilità che

definisce il punto dove la solubilità del carbonio nel ferro è al suo massimo come mostra il

diagramma in Fig.2 dove è rappresentato il diagramma di equilibrio per le combinazioni del

carbonio in una soluzione solida di ferro. Il diagramma Fe-Fe3C indica che il ferro e il

carbonio si combinano fino a una percentuale di 6.67% in C.

Fig.2 Diagramma

Fe-Fe3C [3]

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Questo fa intendere che un aumento di carbonio nel ferro cambia le proprietà di

quest’ultimo. Quando il carbonio viene aggiunto al ferro, esso migliora la durezza e la

resistenza, anche se ne aumenta la fragilità.[3]

Il carburo di ferro ha un punto di fusione relativamente alto del 1837 ° C (3339 ° F), che è in

genere superiore alla temperatura del bagno di ferro fuso a cui viene aggiunto. L’aggiunta di

carburo di ferro ad un bagno di ferro fuso è molto simile all’aggiungere lo zucchero al caffè.

Se il caffè fosse abbastanza caldo per fondere lo zucchero sarebbe troppo caldo da bere,

invece lo zucchero si scioglie nel caffè, non fonde. Analogamente, il carburo di ferro dissolve

nel ferro fuso senza fondere.

Il carburo di ferro ha una densità di 7,640 kg/m3 ed è quindi leggermente più denso del ferro

fuso, che ha una densità di 6,980 kg/m3.

È prodotto dai minerali di ferro fine che vengono filtrati per dimensioni minori di 1,0 mm a

maggiori di 0,1 mm. La dimensione di passaggio all’80% è di 0,4-0,5 mm. Esso non deve

essere pellettizzato e il prodotto non deve essere stabilizzato o bricchettato.[4]

I grani di carburo di ferro dissolvono istantaneamente in ferro e acciaio fuso, [5] inoltre

rimuovono più efficacemente azoto e idrogeno di qualsiasi altro mezzo. Il carburo di ferro è

completamente privo di zolfo e metalli residui, come: rame, zinco,stagno e cromo. Elementi

che disturbano molto la produzione dell’acciaio.

Tabella 1: tipica composizione del carburo di ferro a confronto con DRI e HBI[4]

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Queste proprietà chimico fisiche si traducono in interessanti applicazioni per la produzione

dell’acciaio.[4]

Vantaggi metallurgici e benefici ambientali

Il carburo di ferro è molto più efficace e meno costoso di qualsiasi altro mezzo per produrre

acciaio di alta qualità.[6] Un rapporto del 2004 del Dipartimento dell’Energy Technology

Roadmap Program ha riconosciuto il carburo di ferro come il miglior materiale per il

controllo dell’azoto nella produzione dell’acciaio EAF (forni ad arco elettrico).[7] Essendo

duro,denso,chimicamente stabile e granulare, è maneggevole e sicuro per il trasporto.

Essendo fine e pesante, le acciaierie possono facilmente immetterlo in forni ad arco elettrico

(EAF) usando lance sommerse.[6]

Il carburo di ferro offre anche interessanti vantaggi ambientali. Il processo raggiunge le

emissioni di carbonio più basse di tutti i processi di lavorazione del ferro-vergine,

producendo solo 1,09 kg di anidride carbonica CO2 per ogni kg di acciaio prodotto. È

notevolmente inferiore ai 2,01 kg per l’altoforno convenzionale al forno BOF (convertitore

ad ossigeno), 3,09 kg per il carbone a base DRI (riduzione diretta del ferro), come Corex, e

1,87 kg per il gas naturale a base DRI, come Midrex. Vedi tabella 2.

Tabella 2: Emissioni di carbonio per i vari processi di produzione di acciaio dal

ferro grezzo.[10]

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Solo gli acciai interamente realizzati da rottami raggiungono emissioni minori. Questo è

possibile solo quando si producono le classi più basse di acciaio e quando si utilizzano

rottami molto costosi.

Il carburo di ferro è molto conveniente per la tutela dell’ambiente anche aggiungendolo al

DRI nel forno ad arco elettrico, ottenendo solo 0,98 kg di emissioni di CO2 rispetto a 1,87 kg

per Fastmet (riduzione dell’ossido di ferro che produce metallo caldo ad elevata purezza).

Come ulteriore vantaggio, il carburo di ferro produce gran parte dell’anidride carbonica in un

flusso concentrato, che è quindi facile da espellere e utilizzare vantaggiosamente per altri

scopi.[6]

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Carburo di ferro per i forni ad arco elettrico

Introduzione ai forni ad arco elettrico:

I forni elettrici ad arco sono costituiti da un crogiolo cilindrico ad asse verticale, composto

di un fasciame in lamiera internamente rivestito in refrattario. Il crogiolo è ricoperto da una

volta, che nella versione dei forni moderni è mobile, consentendo così di scoprire

completamente il crogiolo e di caricare rapidamente il forno dall'alto mediante carroponte e

ceste di carica. Vi sono una o due porte, disposte lateralmente nell’involucro del crogiolo,

che consentono l'accesso al suo interno per tutte le operazioni inerenti alla condotta del

forno e della colata. Il crogiolo è oscillante attorno ad un asse orizzontale; esso quindi

appoggia su culle e guide a settore circolare ed il movimento è realizzato mediante

servomeccanismi di tipo elettromeccanico o idraulico. Il basculamento del crogiolo serve,

oltre che per spillare la colata e versarla in siviera (attraverso un foro ed un canale di colata),

anche per agevolare le operazioni di scorifica, che sono effettuate attraverso le porte.

Fig. 3: Forno ad arco elettrico [9]

I forni ad arco sono normalmente di tipo trifase; sono quindi muniti di tre elettrodi di grafite,

che penetrano entro il crogiolo attraverso tre aperture di passaggio circolari previste nella

volta disposte secondo i tre vertici di un triangolo equilatero. L'arco scocca fra l'estremità di

ciascuno dei tre elettrodi e la carica metallica; questa è percorsa dalla corrente ed il circuito

secondario si chiude attraverso la carica. L'arco elettrico è un plasma ad alta densità

generato per ionizzazione parziale dell’aria e di vapori metallici provenienti dalla carica; il

calore è trasmesso alla carica principalmente per irraggiamento.

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Caratteristica dell'arco elettrico è quella di convertire in calore una grande quantità di

energia confinata entro un limitato volume, nel quale quindi si raggiungono temperature

elevate (dell'ordine di 10 000°C). L’energia elettrica impegnata nel sostenimento dell’arco

produce la ionizzazione del mezzo, ed un aumento della temperatura e della conducibilità

del mezzo stesso.

Attualmente, i materiali di carica del forno elettrico con carica solida sono di due tipi:

processo ghisa-rottame e carbone-rottame. Le differenze fra i due sono abbastanza

trascurabili, poiché il quantitativo di ghisa in carica in genere non supera quello minimo

necessario per la carburazione, cioè per raggiungere a fine fusione il tenore di carbonio più

conveniente per la successiva condotta dell'affinazione: la ghisa in carica difficilmente supera

il 10-15% della carica totale. Il tipo di processo più diffuso è quello carbone-rottame, dato

che questa carica risulta in molte circostanze la più economica. Per carburare il metallo si

impiega per lo più coke o antracite.

Un materiale di carica interessante per l'impiego nei forni elettrici sono i preridotti di

ferro, sotto forma di spugna, pellets o anche di bricchette. Vi è oggi qualche acciaieria

elettrica che impiega preridotti su piena scala industriale, anche per la maggiore pulizia della

materia prima in termini di elementi non desiderati. [9]

Utilizzo del carburo di ferro negli EAF:

Il carbonio è essenziale per la produzione dell’acciaio, è uno degli elementi chiave che danno

ai vari tipi d’acciaio le loro proprietà.

Nel passato il carbonio era caricato nel forno per assicurare che il livello di carbonio disciolto

all’interno fosse superiore a quello desiderato nel prodotto finale. Poiché l’utilizzo

d’ossigeno negli EAF sta aumentando, le recenti progettazioni tendono a richiedere più

carbonio. La reazione del carbonio con l’ossigeno nel bagno per produrre monossido di

carbonio, porta un significativo aumento di energia ed ha portato a riduzioni sostanziali nel

consumo d’energia elettrica. La generazione di CO è anche importante per raggiungere basse

concentrazioni di gas dissolti (azoto e idrogeno) nell’acciaio in quanto questi sono espulsi

con il monossido di carbonio. Le inclusioni di ossido sono eliminate dall’acciaio attraverso la

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scoria. Il carbonio sciolto nell’acciaio reagirà con FeO all’interfaccia scoria/bagno per

produrre CO con conseguente aumento di ferro nel bagno.

L’innovazione consiste nell’utilizzo del carburo di ferro, una sostanza rivoluzionaria per la

produzione dell’acciaio. Questo nuovo materiale avrà un impatto molto forte nell’industria

siderurgica durante il prossimo decennio a causa dei suoi eccezionali vantaggi metallurgici,

economici e ambientali.[10]

Il carburo di ferro è ideale per i forni ad arco elettrico EAF. È granulare, non piroforico e

dissolve immediatamente in acciaio fuso. Ciò lo rende facile da trasportare e da introdurre

negli EAF.[10]

È esente da metalli residui e zolfo, contiene carbonio in eccesso più di qualsiasi altro ossido

di ferro e questo surplus riduce gli eventuali ossidi di ferro, i quali diminuirebbero laresa.[10]

Fig.4 : Qualitech

Steel iniettano

carburo di ferro in

un EAF a Pitsboro,

Indiana, 1998 [10]

Essendo fine e pesante, le acciaierie possono facilmente immetterlo negli EAF utilizzando

lance sommerse, come quella di Pittsboro, Indiana (U.S.A.), mostrato in fig.4. [10]

Questo è un vantaggio rispetto a DRI,HBI e ghisa. I tassi d’iniezione raggiungibili sono di

2,000 kg/min. Dopo aver portato i granelli di carburo di ferro nel bagno di metallo fuso, il gas

d’iniezione, che può essere azoto o aria, sale in superficie senza reagire in modo rilevante

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con il metallo. Il degasaggio sarebbe lento e costoso, invece il carburo di ferro forma sciami

di bollicine con un meccanismo diverso. [10]

Quando il carburo di ferro entra in un EAF, si dissolve all’istante. Successivamente, il

carbonio disciolto reagisce con la piccola quantità di ossido di ferro rimasta nel carburo di

ferro prodotto. Il carbonio e l’ossido di ferro formano monossido di carbonio. Questo genera

un’immensa quantità di piccolissime bolle di monossido di carbonio, le quali creano

l’ebollizione del metallo e rapidamente omogeneizzano il bagno di metallo fuso, assorbendo

azoto e idrogeno e creando una scoria schiumosa,la quale permette la rimozione degli

elementi indesiderati nell’acciaio.

L’iniezione del carburo di ferro può iniziare non appena l’EAF ha fuso sufficientemente

l’acciaio, così da avere una rimozione maggiore di azoto e idrogeno.[11] Il calore del forno

non danneggia il tubo d’iniezione, perché il gas di trasporto raffredda adeguatamente la

lancia. La diffusa generazione di bollicine di monossido di carbonio mescolano

accuratamente il bagno, per evitare gradienti di temperature [10] e rimuovono l’azoto da

esso. La miscelazione è più efficace e veloce con il carburo di ferro, con il quale il tempo di

miscelazione è di un minuto, che con l’argon, dove il tempo è di quattro minuti.[12]

Inoltre, la scoria schiumosa prodotta promuove le reazioni metallurgiche, isola il metallo

fuso, migliora l’efficienza energetica perché diminuiscono le perdite di calore verso le pareti

laterali,riduce l’usura della copertura refrattaria e dell’elettrodo.

DRI,HBI e ghisa non riescono a fornire miscelazione e riduzione dell’azoto e dell’idrogeno.

Studi approfonditi hanno dimostrato che il processo fornisce rese elevate. In alcuni casi la

resa del carburo di ferro per il grado di metallizzazione raggiunge il 100 %, perché la potente

azione chimica riducente del monossido di carbonio riduce l’ossido di ferro nelle scorie di

ferro, che sono separate dal metallo fuso. Questo non accade per i rottami o con DRI, dove il

rendimento è del 92-95 %.

Per tutti questi motivi il carburo di ferro è il miglior materiale per i forni ad arco elettrico.

I produttori di acciaio negli Stati Uniti, Medio Oriente, India ed anche altrove, sono sempre

più interessati al DRI. La scarsità e l’alto costo del rottame stanno spostando l’attenzione su

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di esso. Infatti, nel grafico di fig. 5 è riportato l’andamento dei milioni di tonnellate di

rottame esportato per anno, che è aumentato del 400 % tra il 2003 e il 2008 e con esso

anche il suo prezzo.[10]

Fig. 5 : Esportazione del rottame nel mondo durante gli ultimi anni [13]

Questo contesto sta preparando il terreno al nuovo utilizzo del carburo di ferro per produrre

acciai di qualità superiore, a costi più bassi.[10]

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Storia dei processi produttivi

La produzione del carburo di ferro fu studiata e sviluppata da Hazen Research, Colorado,

usando un circuito chiuso a letto fluidizzato di minerale di ferro (ore) e da gas costituito da

CO, CO2, CH4 e vapore acqueo a 600°C.

Fig.6: Apparecchiatura per i test di laboratorio usati ad Hazen Research, Colorado, per valutare e

definire i parametri per la produzione del carburo di ferro. (foto Frank A. Stephens)

Per ogni tonnellata di carburo di ferro, sono richiesti 1,35 tonnellate di ematite e 313 m3 di

gas naturale. È chiaro che l’acciaio può essere prodotto direttamente dal carburo di ferro sia

nei BOF (basic oxygen furnace) che negli EAF, con o senza l’uso di metallo caldo o rottami,

con un evidente risparmio di energia a causa del comportamento esotermico della reazione

di ossidazione.

Prima del 1975, il Dr. Frank M. Stephens,Jr. ha ideato un processo per produrre

commercialmente il carburo di ferro come materiale di alimentazione per la produzione

dell’acciaio. A quel tempo il Dr. Stephens è stato vice presidente tecnico per Hazen

Research,Inc. a Golden, Colorado.

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A seguito delle prove di laboratorio iniziali Hazen Research,Inc. (H.R) fece domanda per il

brevetto e l’Ufficio Brevetti degli Stati Uniti (US Patent Office) ha emesso “US Patent No.

4.053.301” l’11 ottobre 1977.

Nel 1985 il Dr. Stephens si ritirò dalla H.R. e contemporaneamente ha acquisito i diritti per il

brevetto sul carburo di ferro. Ha formato la società Iron Carbide Development Corporation

(ICDC) e ha iniziato la commercializzazione del processo. Nel 1988, ICDC e gli australiani del

gruppo PACT Resources, Pty. Ltd. (P.R.)crearono l’ Iron Carbide Holdings, Ltd (ICH), dove P.R.

investì circa 7,000,000 di dollari australiani per gestire un impianto dimostrativo a

Wundowie, Australia, per realizzare le prime quantità di carburo di ferro.

Durante il 1989, ICH produsse 310 tonnellate di carburo di ferro presso l’impianto

dimostrativo. L’azienda ha venduto il prodotto a sette clienti e cinque società acquistarono

la licenza o la possibilità di utilizzare questa tecnologia: Nucor, North Star Steel, Mitsubishi,

Qualitech Steel e Cleveland Cliffs. [4]

Nucor Corporation:

Nucor Corporation è stato uno dei destinatari del

carburo di ferro di Wundowie. Nel 1992, Nucor è

stato munito di licenza e ha autorizzato da PLS

Engineering a Denver, Colorado, (ora parte dell’Harris

Group) a costruire un impianto per produrre 300.000

tonnellate/anno di carburo di ferro entro la fine del

1994 in un impianto in funzione.

Fig.7 : trasporto del carburo di ferro prodotto da Nucor,1996, da “New Steel”. (foto Frank A.

Stephens)

Nucor ha così selezionato un impianto sito a Point Lisas, Trinidad, dove è stato ottenuto un

basso costo. Nucor ha iniziato la costruzione nel 1993, ma sfortunatamente ha tagliato i

fondi a PLS prima che potesse completare l’impianto, pensando di poterlo finire solo con il

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design parziale. Inoltre, ha ridotto al minimo le spese anche per alcune attrezzature

dell’impianto, compresi gli scambiatori di calore.

Alla fine del settembre del 1994 Nucor ha iniziato la sua attività.

La società però riscontrò dei problemi con i compressori per il gas di processo e spense

l’impianto, ma lasciando l’acqua di raffreddamento in esecuzione. Durante questo periodo,

un tecnico rimosse i sensori di livello nelle colonne a letto impaccato per la ricalibrazione,

ma non informò la sala di controllo. Così furono bloccati gli allarmi per il livello di liquido.

Una delle valvole installate, pur essendo in posizione di chiusura, perdeva acqua e la perdita

è passata inosservata per diversi giorni. Una volta scoperto, gli operatori Nucor drenarono

immediatamente la colonna, ma il danno era fatto. L’acqua era passata attraverso le

tubazioni e si era miscelata con polveri di ossido di ferro e aveva gravemente sporcato gli

scambiatori.

Nucor ha passato circa un anno a cercare di ripulire gli scambiatori senza successo.

Fig.8 : Impianto Nucor a Point Lisas, Trinidad,1994 [6]

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Altri problemi operativi dell’impianto Nucor:

La tubazione per il gas di processo è stata sottodimensionata. Questo limita il flusso

di gas ad un massimo del 65% della capacità di progetto.

La piastra tubiera del reattore a letto fluidizzato era rotta.

Il sistema di riscaldamento minerale presente era stato colpito da abrasione e Nucor

ha ignorato il problema. Questo ha compromesso la chimica del reattore e la

quantità e la qualità di prodotto furono ulteriormente limitate.

La vasca di raccolta per gli scrubber risultò sottodimensionata.

Il dispositivo di raffreddamento del prodotto era difettoso.

L’elevatore pneumatico per il prodotto necessitava di eccessiva manutenzione.

L’alimentatore del minerale era troppo piccolo e mancava di premistoppa.

Nucor ha passato quattro anni a lavorare con questi problemi, ma nel 1998 i prezzi

dell’acciaio sono crollati. Spensero l’impianto in quell’anno ed è stato demolito nel 2002.

Nonostante tutte le difficoltà incontrate, Nucor ha prodotto 357.712 tonnellate di carburo di

ferro. La produzione ha dimostrato che il processo era valido. I guasti meccanici riscontrati

hanno sottolineato l’importanza di avere attrezzature adeguate. [4]

fig.9: Parte

del primo

carburo di

ferro

prodotto

nell’impianto

Nucor,

Trinidad.

(foto Frank A.

Stephens)

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Qualitech steel:

Un secondo tentativo di produrre carburo di ferro su scala commerciale è avvenuto a Corpus

Christi, Texas,dove Qualitech Steel Corporation ha costruito un nuovo impianto. Qualitech ha

ottenuto la licenza per produrre carburo di ferro da ICH, ma ha modificato il processo,

poichè Mitsubishi Corporation ha finanziato il progetto e ha voluto utilizzare due reattori e

un sistema di distribuzione del gas a tubi reticolati (griglia) nel letto fluidizzato. Purtroppo,

durante il collaudo la griglia di tubazioni in uno dei reattori non funzionò.

Contemporaneamente, la società madre essendo in difficoltà economica, ha presentato

istanza di fallimento. La Qualitech Steel produsse pochissime tonnellate di prodotto, quando

il tribunale fallimentare fece chiudere lo stabilimento, e nel 2004 è stato demolito. [4]

Nella fig. 10 è raffigurato lo stabilimento.

fig.10 : Impianto Qualitech Steel, Corpus Christi, Texas,1999 [6]

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Miglioramento del processo:

Nel corso del 2010 Frank A. Stephens, figlio del Dr. Frank M. Stephens,Jr. ha acquisito la

titolarità esclusiva dei diritti sul processo del carburo di ferro. Nel corso dei primi mesi del

2011, ha formato l’ International Iron Carbide LLC. La società possiede i diritti di 35 brevetti.

Negli ultimi due anni l’azienda ha analizzato a fondo i problemi riscontrati a Trinidad e

Corpus Christi e ha preparato soluzioni consistenti, molti di queste sono però di esclusiva

proprietà. I principali miglioramenti includono:

Mantelli (shell) robusti per gli scambiatori di calore

Tubazioni per il gas di processo adeguatamente progettate per raggiungere la piena

capacità

La piastra tubiera del reattore a letto fluidizzato e il sistema di distribuzione del gas

devono essere robusti e in grado di supportare istantanei arresti inattesi di un

reattore a pieno carico.

Piastra tubiera del reattore a letto fluido: tenuta meccanica doppia1 con grande forza

e flessibilità per permettere l'espansione termica, eliminare la penetrazione di

polvere, e sostenere la produzione.

Sistema di riscaldamento del metallo grezzo: pneumatici di riscaldamento con alta

efficienza, rapide dinamiche per avvii e arresti veloci, sfalsamenti angolari minimi per

evitare l’erosione e costruzione modulare per facilitare i lavori di ristrutturazione.

Scrubber e gas di processo adeguatamente progettati per raggiungere la piena

capacità.

Trasporto del prodotto: Eliminazione dell’elevatore pneumatico ponendo il prodotto

nel dispositivo di raffreddamento che si trova più alto rispetto al suolo.

Alimentazione del metallo grezzo: iniettori pneumatici al posto della problematica

coclea.

1 Sono utilizzate quando si vuole avere garanzia assoluta di tenuta del fluido di processo. Infatti, la tenuta

esterna, lato atmosfera, può essere in grado di operare in caso di guasto della tenuta interna.

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Purtroppo, oggi, nessuno produce carburo di ferro ma l’International Iron Carbide ha

valutato i successi e i fallimenti dei due impianti di prima generazione e ha sviluppato un

design di seconda generazione che si basa sulle molte lezioni apprese. L’International

Iron Carbide è attivamente alla ricerca di utenti per costruire gli impianti di seconda

generazione. La società è fiduciosa nel fornire i progetti per la costruzione d’impianti per

la produzione di carburo di ferro che sono sicuri, affidabili ed economici. [4]

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Processo di produzione

Il carburo di ferro è un’alimentazione di ottima qualità per la produzione dell’acciaio in EAF o

in BOF. Esso offre vantaggi metallurgici insuperabili ed eccellenti risparmi sui costi. Il

processo raggiunge le emissioni di carbonio più basse di tutti i processi di lavorazione del

minerale di ferro.

Il processo di fabbricazione è pulito e semplice. Si converte il minerale di ferro a carburo di

ferro in un reattore a letto fluidizzato, facendo venire a contatto il minerale di ferro con un

gas di processo costituito principalmente da metano e idrogeno (H2 / CH4). L’unico diretto

sottoprodotto è l’anidride carbonica generata dalla riduzione dell’idrogeno e dalla

combustione del gas naturale per fornire il calore di processo.

Come mostrato in fig.11, le fasi principali del processo sono essenzialmente tre:

Riscaldamento del minerale di ferro a 700°C

Contatto del minerale di ferro caldo con metano e idrogeno ad una pressione

assoluta di 4,5 atmosfere e a circa 600°C in un reattore a letto fluidizzato. Qui è dove

i gas riducenti convertono l’ossido di ferro in carburo di ferro.

Raffreddamento del prodotto a 65° C

Fig.11: Processo di produzione semplificato in tre step principali [6]

25

L’apparecchiatura ausiliaria include un riformatore d’idrogeno e un impianto di formazione

del gas.

L’impianto di formazione del gas è costituito da un impianto di riscaldamento del gas,

scambiatori di calore, compressori e scrubber. [6]

Introduzione ai letti fluidizzati:

Delle particelle solide si dicono fluidizzate quando rimangono sospese in un flusso

ascensionale in modo tale che le singole particelle siano in movimento, mentre lo spazio

complessivamente occupato dal solido non varia.

Un letto fluidizzato è generalmente realizzato in apparecchi cilindrici ad asse verticale, vedi

fig. 12. Il gas entra dal fondo e incontra una zona di omogeneizzazione, prima di passare

attraverso un distributore, che assicura un’uniforme ripartizione del flusso gassoso e

provvede anche a sostenere il solido in caso di assenza di flusso gassoso.

Fig.12: Rappresentazione schematica di un

reattore a letto fluidizzato

Sopra al distributore del gas è lasciata una

zona libera per il disimpegno delle particelle

solide più fini eventualmente trascinate dal

gas; può anche essere presente un vero e

proprio dispositivo di separazione gas-solido,

spesso costituito da un ciclone, posto

esternamente all’apparecchio o al suo

interno.

26

Il solido entra nell’apparecchio lateralmente, in corrispondenza del pelo libero ed esce

all’esterno diametralmente opposto, se troppo pieno: sull’ingresso e sull’uscita del solido

sono posti dispositivi a tenuta.

Una delle proprietà più importanti dei letti fluidizzati, è l’ottima capacità di scambio termico,

dovuta alla presenza delle particelle solide che, con il loro movimento, contribuiscono a

distribuire il calore nell’apparecchio. Questa proprietà è particolarmente importante quando

si desideri fornire o sottrarre calore in seno al letto, come accade nei reattori a letto

fluidizzato: la temperatura si omogeneizza molto rapidamente e può essere generalmente

considerata costante all’interno del letto. Quando, come spesso accade, i letti fluidizzati

lavorano a temperature elevate, il recipiente in acciaio è rivestito internamente con un

refrattario che isola termicamente il metallo e lo protegge dall’abrasione delle particelle

solide.

Affinché si abbia la fluidizzazione, la velocità ascensionale del fluido deve essere compresa in

un intervallo relativamente ampio che va dal valore minimo, al di sotto del quale le particelle

giacciono l’una sull’altra senza sollevarsi (letto fisso) ad un valore massimo, al di sopra del

quale le particelle sono trascinate dal fluido (trasporto pneumatico).

La dimensione delle particelle che possono essere fluidizzate nel flusso di gas di processo ha

un intervallo che va da pochi millimetri a qualche millesimo di millimetro, anche se la

gamma di dimensioni più usato è da meno un millimetro (> 1,0 millimetri) al centesimo di

millimetro (<0,01 millimetri) e la velocità del gas è generalmente compresa tra 0,15 e 3,0

metri al secondo.

Nel reattore a letto fluidizzato i solidi sono tenuti in sospensione da un flusso ascendente di

fluido reagente: ciò consente elevate velocità di trasferimento di materia e di calore e un

buon grado di mescolamento. Il solido può essere un catalizzatore, un reagente nel processo

di combustione o una polvere inerte, aggiunta per promuovere lo scambio termico. [14]

27

Panoramica del processo:

Il processo converte il minerale di ferro - tipicamente ematite (Fe2O3) o magnetite (Fe3O4) – a

carburo di ferro Fe3C, utilizzando un gas fortemente riducente composto da metano (CH4),

idrogeno (H2), monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2) e vapore acqueo (H2O).

Il processo opera a delle temperature tra 565°C e 630°C ad una pressione assoluta di 4,5

atmosfere. Nel complesso il consumo di gas naturale è di 313 m3/ton di prodotto. La

capacità nominale di un impianto singolo è di 1.000 tonnellate al giorno o 330.00

tonnellate/anno per un impianto operante a 4,5 atmosfere di pressione assoluta e 590°C,

con una produzione annua determinata dal numero di giorni di funzionamento e dal

compromesso economico della qualità del prodotto con la quantità.

Il contenuto di ferro residuo è normalmente presente come magnetite con piccole quantità

di wustite (FeO) e ferro metallico (Fe).Per una produzione giornaliera di 1.000 ton, la qualità

del prodotto dovrebbe essere circa del 90 % sotto forma di Fe3C.

La porzione di ferro convertita in carburo di ferro può essere controllata per rendere il

prodotto di qualità, semplicemente regolando la velocità di alimentazione del ferro. La

qualità del prodotto utile per la produzione dell’acciaio va dall’85% al 95% del ferro presente

sotto forma di carburo di ferro.

Generalmente, il processo del carburo di ferro non rimuove le impurità del minerale, cioè

componenti di ganga2, come la silice (SiO2) e l’allumina (Al2O3), che passano invariate, ma

quando poi il prodotto è stato raffreddato, viene esposto in un separatore magnetico secco

prima di essere inviato allo stoccaggio. Se il materiale ganga contenuto nel minerale viene

liberato (se non è fisicamente legato ai composti del ferro), il separatore lo rimuove quasi

completamente. Quest’ultimo conferisce anche un piccolo magnetismo residuo al carburo di

ferro prodotto, che riduce la dispersione di polveri e le perdite nel trasporto.

2 Minerale inutilizzabile che in un giacimento minerario si trova associato al minerale utile.

28

Gli unici prodotti secondari del processo sono anidride carbonica e vapore acqueo. Il

biossido di carbonio generato dal processo viene dalla combustione del carburante “fuel”

per il riscaldamento del minerale e dal reforming del gas naturale per produrre idrogeno, ma

poiché è relativamente pura, perché prodotta in un flusso concentrato, può essere

facilmente prelevata e usata vantaggiosamente per altri scopi. [6]

Fig 13: Schema di processo per la produzione del carburo di ferro [6]

29

Stoccaggio del minerale:

Il minerale di ferro, l’ematite, che generalmente contiene il 63-65% di ferro, 1-3% di ganga e

4-10% di umidità, è l’alimentazione che normalmente viene utilizzata. Il minerale

immagazzinato non deve essere coperto, condizioni climatiche permettendo. I fattori che

influenzano la decisione di coprire o no il minerale sono il costo del carburante, il contenuto

di umidità naturale e il clima.

Dal deposito minerale dei trasportatori spostano il minerale giornalmente in un silo “day

bin”. Quest’ultimo immagazzina abbastanza minerale per un funzionamento di circa 24 ore.

Un alimentatore a velocità-variabile misura la quantità di minerale da fornire al sistema di

riscaldamento del minerale. [6]

Riscaldamento del minerale:

Questo dispositivo di scambio termico “cyclone ore preheater” riscalda il minerale fino a

710°C. In genere, facendo venire direttamente a contatto il minerale con il caldo gas

ossidante proveniente dal bruciatore “burner”. Aumentare la temperatura del minerale

giova al processo. In primo luogo, perché si rimuove l’umidità, poi perché si ossida una parte

di magnetite a ematite. Questo migliora la conversione nel reattore, poiché l’ematite si

converte più velocemente in carburo di ferro della magnetite. Inoltre, il riscaldamento

rimuove o passiva lo zolfo. La maggior parte dei minerali non contiene zolfo, se però sono

presenti, elevando la temperatura, lo zolfo si ossida ad anidride solforosa (SO2), che esce dal

processo con il gas-off.

Il riscaldatore scarica il minerale caldo nei sili, dove è tenuto prima di essere alimentato al

reattore a letto fluidizzato. [6]

30

Alimentazione al reattore:

L’alimentazione del minerale riscaldato al reattore viene effettuata tramite due sili in

batteria, rivestiti di materiale refrattario, aventi fondo conico o piramidale (tramoggia) con

possibilità di chiudersi: lock hoppers. Tipicamente, ogni tramoggia alimenta il reattore per

circa un’ora e opera in modo tale che una tramoggia venga riempita, mentre l’altra alimenta

il reattore.

La chiusura delle tramogge di alimentazione impedisce anche l’entrata dei gas ossidanti nel

reattore. Dopo che il minerale è stato purificato con l’azoto e la pressione è stata aumentata,

il minerale viene alimentato in continuo al reattore ad una velocità che permette di svuotare

il silo e di depressurizzarlo prima che l’altro silo si riempia. [6]

Reattore a letto fluidizzato:

Nel reattore, metano e idrogeno convertono il minerale di ferro riscaldato in carburo di

ferro. L’ossigeno si combina con l’idrogeno per formare acqua e il carbonio si combina con il

ferro per formare carburo di ferro. L’equazione (2), descrive la chimica generale:

3 Fe2O3 + 2 CH4 + 5 H2 → 2 Fe3C + 9 H2O (2)

Questa reazione è una sorta di riassunto globale di tutte le reazioni che avvengono nel

processo.

La reazione procede in modo relativamente lento , quindi tempi di permanenza nel reattore

sono lunghi in confronto a processo nell'altoforno, ma questo tempo può essere diminuito

variando temperatura e pressione3 . Il letto fluido è uno dei vantaggi del processo , perché il

processo può utilizzare direttamente il minerale fine, limitando i pretrattamenti.

L'alimentazione ideale è un minerale di ematite di dimensioni comprese tra 1,0 e 0,1 mm.

[15]

3 I valori delle variazioni sono segreti.

31

Un modo per guardare il processo (almeno nella fase gassosa) è quello di pensare ad esso

come formato di soli tre componenti elementari: idrogeno, ossigeno e carbonio.

Questi tre elementi interagiscono tra loro per formare H2, H2O, CO, CO2 e CH4. La

concentrazione di ciascuno di tali composti dipende dal rapporto delle masse dei singoli

elementi, la temperatura del sistema, la pressione del sistema e in qualche misura il tempo

in cui gli elementi sono in contatto. [6]

Una delle due reazioni gassose principali è la reazione (3) di steam reforming: [16]

CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 (3)

Dove il gas naturale reagisce con il vapore per formare l’idrogeno necessario al processo.

La seconda reazione gassosa importante è quella di water gas shift , che viene descritta

dell’equazione (4): [16]

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (4)

Quando i reagenti sono immessi tutti insieme ad una temperatura elevata si ottiene una

miscela di gas contenente H2, H2O, CO, CO2 e CH4. Naturalmente, sarà sempre presente

una piccola quantità di azoto.

Fig. 14:

Schema

riassuntivo e

semplificato

delle reazioni

che

avvengono

all’interno del

reattore.

(foto Frank A.

Stephens)

32

Le reazioni gassose tendono ad essere catalizzate dalla presenza di ferro metallico e/o

carburo di ferro.

Il carbonio e l’idrogeno per le reazioni suddette provengono dai reagenti immessi nel

processo. L'ossigeno viene estratto dal minerale tramite la reazione descritta nell’equazione

(5):

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (5)

Controllando le concentrazioni relative di idrogeno e carbonio nel gas di processo è possibile

favorire la rimozione dell'ossigeno dal minerale e l'aggiunta di carbonio per formare carburo

di ferro.

Il reattore, che opera come una fase densa, formando bolle nel letto fluidizzato, riceve

l’alimentazione da un lato e scarica il prodotto dall’altro. Dei setti interni convogliano i solidi

all’interno del reattore per minimizzare il corto circuito e per creare un tempo di residenza

uniforme.

Uno strumento monitora la composizione, temperatura e pressione del gas. Il processo

produce un prodotto non piroforico, che può essere, quindi, immagazzinato e trasportato.

Il diametro interno del reattore è di circa 12 metri e opera a 590° C , ricevendo gas di

processo costituito essenzialmente da metano e idrogeno. Si introduce idrogeno per

mantenere la pressione del bordo libero a 4,5 atmosfere di pressione assoluta. I compressori

smuovono il gas di processo per ottenere una velocità superficiale di 0,92 m/sec.

Il periodo di conservazione dei solidi è di circa 16 ore. Le reazioni per formare il carburo di

ferro sono leggermente endotermiche, così per mantenere la temperatura a 590°C è

necessario riscaldare il gas di processo a 633°C.

Il reattore produce circa 42 tonnellate/ora di carburo di ferro. Il prodotto viene scaricato

continuamente in sili con tramogge chiudibili, poi in un reattore refrigerante e

contemporaneamente in un dispositivo di raffreddamento a ciclone. [6]

33

Uno dei problemi avuti inizialmente è stato la produzione involontaria di carbonio libero di o

fuliggine, proveniente dalla reazione di Boudouard (6), la quale forma carbonio e anidride

carbonica dal monossido di carbonio:

2 CO ↔ C + CO2 (6)

La International Iron Carbide ha però individuato condizioni di processo segrete che non

consentono questa formazione, producendo carburo di ferro di elevata qualità.

Trattamento del prodotto:

Il reattore scarica il carburo di ferro prodotto tramite due tramogge chiudibili (simili a quelle

per l’alimentazione), le quali rilasciano il prodotto a pressione atmosferica. Infatti, mentre

una riceve il prodotto caldo a 3,5 atmosfere di pressione del gas, l’altra scarica il prodotto

nel dispositivo di raffreddamento “cooler” a pressione atmosferica. Il sistema alimentazione

a velocità variabile mantiene il tasso di scarico del prodotto ad un livello tale da consentire

lo svuotamento e la re-pressurizzazione del silo prima che l’altro si riempia completamente.

Il carburo di ferro esce dalle ultime tramogge chiudibili a circa 587°C ed è raffreddato a circa

65°C passando attraverso un dispositivo di raffreddamento.

Il sistema di alimentazione a velocità variabile scarica il prodotto su un nastro trasportatore

che conduce il carburo di ferro al separatore magnetico. Come descritto in precedenza, il

separatore magnetico rimuove una quantità significativa di ganga liberata (tipicamente il

50%), che dipende, però, dal minerale. Questa operazione conferisce anche un piccolo

magnetismo al prodotto, così da non richiedere sistemi speciali di raccolta per separarlo

dagli scarti prodotti da altri materiali di imballaggio come vetro, laminati, plastica ecc…

rendendo così la gestione e la spedizione migliore. [6]

34

Sistema di trattamento del gas:

Il gas che esce dal reattore a 590°C passa attraverso quattro reattori a ciclone “cyclone”

ricoperti di materiale refrattario, che rimuovono la maggior parte dei solidi trascinati dal gas.

Le poveri raccolte dai cicloni, circa 36 tonnellate/ora, fluiscono per gravità in silo, prima di

essere riciclate al reattore. Eventuali solidi aggiuntivi passano attraverso una serie di

tramogge chiudibili per poi arrivare al dispositivo di raffreddamento a ciclone, che li

raffredda al di sotto dei 65°C (solitamente 38°C), ed infine si aggiungono questi solidi ai

prodotti del reattore raffreddati a monte del separatore magnetico.

Il gas di processo esce dai reattori a ciclone e passa attraverso quattro scambiatori di calore

paralleli “heat exchanger” che riducono la temperatura a 150°C.

Uno scrubber Venturi e una colonna a letto impaccato “packed tower” raffreddano

ulteriormente il gas di processo a 28°C per rimuovere l’acqua prodotta nel reattore e

abbattere le rimanenti particelle fini in sospensione che sfuggono ai cicloni. Questo assicura

che il livello delle polveri è sufficientemente basso da non danneggiare i compressori per i

gas di processo. Nello scrubber Venturi l’acqua lava il gas, eliminando la maggior parte delle

particelle e rilasciandolo ad una temperatura di 60°C, per poi essere portato a 28°C nella

torre a letto impaccato.

Una parte di vapore viene spurgata dal gas “bleed gas” uscente esce dalla testa della torre,

che deve essere inviata ai compressori, per prevenire l’accumulo di azoto nel circuito. La

quantità di spurgo dipende dalla purezza del gas naturale, dal volume del gas di spurgo, e

dalla quantità di fumi per il riscaldamento del minerale che entra nel reattore con il minerale

caldo alimentato.

Il gas reagente formato, costituito da idrogeno e gas naturale, entra nel sistema di ricircolo

dei vapori prima che nei compressori. La pressione sul bordo libero nel reattore a letto

fluidizzato determina l’esatta quantità di idrogeno che deve essere introdotta nel sistema.

L’aggiunta di gas naturale al gas di processo determina invece, la concentrazione di metano.

35

Due compressori “recycle gas compressor”, uno operativo e uno in attesa di centrifugare il

gas, riciclano il gas di processo con una pressione di 4,17 atmosfere all’aspirazione e 5,33

atmosfere alla mandata. La pressione di mandata regola il flusso di gas di processo al

reattore.

I quattro scambiatori di calore, gas-gas, che raffreddano il gas di processo in uscita dal

reattore a letto fluido, riscaldano il gas di processo proveniente dai compressori,

raggiungendo una temperatura di 520°C. Un riscaldatore a gas “process gas heater”

aumenta ulteriormente la temperatura di processo a 633°C, utilizzando gas di spurgo e gas

naturale come combustibili. I fumi uscenti dal riscaldatore forniscono l’energia per riscaldare

l’aria comburente fornita per il riscaldamento del gas di processo. [6]

Acqua di processo:

Nell’impianto sono presenti due sistemi di raffreddamento ad acqua. Il sistema a contatto

diretto “direct-contact” fornisce acqua di raffreddamento allo scrubber Venturi e alla torre a

letto impaccato, infatti in questi dispositivi essa è direttamente a contatto con il gas. Invece

per il sistema senza contatto “non-contact” fornisce acqua di raffreddamento al sistema di

raffreddamento dei prodotti “product cooler”, nel “hydrogen reformer” e ad altri scambiatori

di calore minori.

L’acqua di raffreddamento che esce calda dalla torre a letto impaccato scorre direttamente

fino ad una torre di raffreddamento per la rimozione del calore “cooling tower”, mentre

l’acqua uscente dagli scrubber passa prima in un bacino di sedimentazione “thickener”, dove

viene filtrata per rimuovere i solidi presenti. [6]

36

Conclusioni

Il processo di fabbricazione del carburo di ferro è semplice e genera un prodotto con

eccezionali proprietà metallurgiche e potenti benefici economici e ambientali.

I vantaggi del carburo di ferro e della sua produzione consistono in:

È la migliore alimentazione per gli EAF e consentono ai produttori di acciaio di

produrre acciai di alta qualità più facilmente e ad un costo inferiore di qualsiasi altro

metodo.

È il più efficace per la produzione di acciai a basso contenuto di azoto e idrogeno.

È privo di metalli residui come: rame, zinco, stagno, cromo ecc…

È sicuro e facile da trasportare:

Non è piroforico.

È denso, in polvere granulare e si scioglie facilmente in acciaio caldo. I

produttori di acciaio possono facilmente iniettarlo in BOF ed EAF, dove

si scioglie all’istante.

Il processo è il più ecologico per produrre ferro metallico.

Gli unici sottoprodotti del processo sono acqua e anidride carbonica, ma

l’anidride totale prodotta attraverso la piena produzione dell’acciaio è la metà

di quella generata nell’altoforno tradizionale tramite BOF per la produzione

dell’ossigeno.

Gran parte del biossido di carbonio esce dal reformer in un flusso di gas

concentrato, che è facile da espellere e riutilizzare per altri scopi.

Il processo utilizza polveri di minerale di ferro, che sono meno costose dei pellets.

Il prodotto non ha bisogno di essere bricchettato.

Il processo opera a bassa temperatura ed è termicamente efficiente.

Non si generano mai prodotti attaccanti.

Il processo è un anello chiuso: utilizza il 100% dei reagenti immessi.

Il processo è semplice, costituito da un convertitore a singolo stadio, che è facile da

controllare. [6]

37

Bibliografia

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EISENHÜTTENACHLACKEN, 2000 (FEhS) “Iron and Steel Slag -Properties

and Utilisation-Reports” from 1974-2000,Duisburg, FEhS.

[2] Cavallini M., “Dispense di Siderurgia”, Roma, 2013.

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Development Institute (CMRDI), P.O. Box 87-Helwan, Cairo 11421, Egypt.

[4] Frank A. Stephens and Charles Maxwell, International Iron Carbide LLC, “The 2nd

Generation of Iron Carbide Plants-Compelling Metallurgical, Cost, and Environmental

Advantages to EAF Steelmakers”, Arvada, Colorado.

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to a Chemical Reaction” , Keynote lecture at 22nd McMaster Symposium on Enhancement of

EAF Performance by Injection Technology, May 1994, McMaster University, Hamilton,

Ontario, p.4.

[6] Internation Iron Carbide LLC, “Iron Carbide Manufacturing Process”, Arvada, Colorado,

U.S.A., November 2011.

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Energy (AISE/DOE) Technology Roadmap Program, 31 Mar 2004.

[8] Gordon H. Geiger, “Iron Ore to Steel via the Iron Carbide Route: an Analysis of the

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Global Environmental and Iron and Steel Industry, Beijing, China, 1997.

[9] Cavallini M., “Dispense di Siderurgia”, Roma, 2003.

[10] International Iron Carbide LLC, “Iron Carbide for Electric Arc Furnaces”, Arvada,

Colorado, U.S.A., December 2011.

[11] Gordon H. Geiger, “The Potential for Use of Iron Carbide as an Electric Furnace Raw

Material”, paper presented at the 16th Advanced Technology Symposium, Iron & Steel

38

Society (ISS-AIME), held at Myrtle Beach, South Carolina, May 1993ù; and Geiger, 22nd

McMaster Symposium.

[12] Gordon, 22nd McMaster Symposium, p.5.

[13] World Steel Association, Steel Statical Yearbook 2010, page 116.

[14] Mazzarotta B., “Impianti dell’Industria di Processo”, Università di Roma “La Sapienza”,

Facoltà di Ingegneria, A.A. 2009-10.

[15] Gordon H. Geiger and Frank A. Stephens, “Steelmaking with Iron Carbide”, Iron Carbide

Holdings, Ltd.,Lakewood, Colorado, U.S.A.

[16] Frank M. Stephens, Jr., “The Production and Use of Iron Carbide”, Iron Carbide Holdings,

Ltd., Lakewood, Colorado, U.S.A.

Nella stesura della tesi è stato consultato il seguente sito:

www.iicarbide.com