Un altoforno è un impianto industriale destinato a disossidare e fondere contemporaneamente i metalli contenuti in un minerale , mediante la combustione di un combustibile solido ricco di carbonio . Tipicamente, l'altoforno trasforma il minerale di ferro in ghisa fusa , bruciando coke che funge sia da combustibile che da agente riducente . Sebbene la ghisa prodotta sia un materiale a sé stante, questa lega è generalmente destinata ad essere raffinata nelle acciaierie .
L'altoforno produce fusione di ghisa , a differenza del fondo del forno , che produce una lente di solido di ferro . Si tratta comunque di un'evoluzione diretta, ma non si è diffusa fino a quando non abbiamo saputo valorizzare la ghisa prodotta. Così, la Cina si sta sviluppando dal I ° secolo l'uso di altoforno lungo la fonderia . L' Occidente adotterà dopo il XII ° secolo, con lo sviluppo di metodi di raffinazione di ghisa acciaio naturale . Fu lì che si evolse nella sua forma attuale, con l'uso diffuso del coke e del preriscaldamento dell'aria di combustione che contribuirono alla prima rivoluzione industriale .
Divenuto uno strumento gigante, senza che il suo principio fondamentale cambi, l'altoforno è ora un insieme di installazioni associate a un forno. Nonostante l'età del principio, il tutto rimane uno strumento estremamente complesso e difficile da padroneggiare. La sua efficienza termica e chimica eccezionale ha permesso di sopravvivere fino all'inizio del XXI ° secolo, le modifiche tecniche che hanno segnato la storia della produzione di acciaio .
Che sia “cattedrale del fuoco” o “stomaco”, l'altoforno è anche un simbolo che spesso riassume un complesso siderurgico . Eppure è solo un anello: posto al centro del processo di fabbricazione dell'acciaio , deve essere associato a una cokeria , un impianto di agglomerazione e un'acciaieria , impianti almeno altrettanto complessi e costosi. Ma la scomparsa di questi stabilimenti, regolarmente annunciata in vista dell'avanzamento delle acciaierie elettriche e della riduzione diretta , non è comunque ancora prevista.
Dal punto di vista del lessico , la storia della parola precede in qualche modo la storia dell'oggetto. Ci ritroviamo infatti "altoforno" al XV ° secolo, ma fino al XIX ° secolo, questo nome si affiancava regolarmente ad altri nomi come "forno", "forno di ferro", "forno fusorio", "forno grande "," Forno alto" , ecc. Questi nomi si riferiscono tutti a un forno di colata in contrasto con un forno a lente d'ingrandimento . Ma le altezze, che variano dai 5 ai 20 metri, non determinano il nome. Nelle rilevazioni, molti forni sono infatti più alti degli altiforni . Non è stato fino alla metà del XIX ° secolo, l'oggetto si unisce al nome. Come scrive Roland Eluerd : “Lucido da quattro secoli di storia, il nome altoforno potrebbe diventare il puro simbolo della modernità, un superbo presente del passato nel vocabolario di un'industria siderurgica dove il forno, elevato a più di quaranta metri, vero segnale della società, diventerebbe senza dubbio l' altoforno . "
Il francese corrisponde quindi alla denominazione Hochofen dal Francique . Al contrario, la parola inglese altoforno si riferisce ad una caratteristica fondamentale dell'altoforno, l'iniezione forzata di aria comburente, il “vento”.
Il primo strumento per la riduzione del minerale fu l' altoforno . Nella sua forma più primitiva, detta “focolare basso”, è una buca nel terreno di circa 30 cm di diametro, riempita con carbone e minerale. Il fuoco è solitamente alimentato da un mantice costruito come aggiunta di cuoio. Al termine delle dieci ore, si demolisce la fornace e si recupera una lente d'ingrandimento incandescente, delle dimensioni di un pugno, miscuglio eterogeneo di ferro più o meno ridotto e di scorie. Sebbene la temperatura raggiunta tra 700 e 900 °C , sia sufficiente per la riduzione del minerale di ferro, è lontana dalla temperatura di fusione del ferro, 1535 °C .
L'evoluzione verso il forno di fondo “classico” consiste nell'innalzare la costruzione e dotarla di un'apertura laterale alla base per facilitare l'afflusso di aria. Un corto camino facilita il ricaricamento del forno durante il funzionamento, attivando anche il tiraggio. Si raggiungono così temperature da 1000 a 1200 °C e la scoria, divenuta liquida, può essere estratta attraverso l'apertura.
Il contenuto di ferro di questa scoria, detta scoria , diminuisce all'aumentare della temperatura. Il fuoco viene quindi alimentato rafforzando il tiraggio naturale aumentando l'altezza appoggiando, ad esempio, la costruzione contro un pendio. Allo stesso modo, i soffietti consentono un'alimentazione dell'aria più efficiente e meglio controllata. Queste stufe a “tiraggio naturale” e “a soffietto” producono una lente di ingrandimento che pesa da pochi chilogrammi a diversi quintali al termine di una campagna dalle 4 alle 20 ore. Questa lente d'ingrandimento viene immediatamente ripulita da grumi di carbone e scorie alternando il fissaggio con diversi riscaldamenti e infine forgiata per ottenere gli oggetti desiderati. In Europa Occidentale , le strutture e le fucine adiacenti, dicono "allevamenti di volpi" rimangono diffuse fino al XVIII ° secolo. Impiegarono quindi da 5 a 10 uomini, la capacità degli altiforni di quel tempo era di circa 60-120 t di radica all'anno e consumavano 270 kg di carbone per 100 kg di ferro.
Il Giappone importa il fondo del forno del continente al VIII ° secolo. La tecnica si perfeziona fino termina al XV ° secolo, il Tatara . La configurazione del forno cambia a seconda del prodotto ricercato: tataras da 0,9 a 1,2 m di altezza sono destinati alla fabbricazione dell'acciaio; oltre 1,2 m producono ghisa bianca che non viene estratta dal forno fino a quando non si è solidificata. La bassa permeabilità delle sabbie ferruginose utilizzate limita l'altezza a 1,6 m , e quindi blocca il movimento verso l'altoforno. Utilizzato fino agli inizi del XX ° secolo, Tatara , nella sua forma definitiva, è una struttura industriale perenne dedicata al funzionamento di un forno a forma di vasca da bagno, e la produzione di un paio di tonnellate di metallo nel corso di una campagna di circa 70 ore, a cui va aggiunta la costruzione del forno.
In Africa , le tracce più antiche di forni siderurgici sono le radici di ferro e carbonio scoperte in Nubia (in particolare a Meroe ) e ad Axum , e datate al 1000-500 aC. DC . Basso pescaggio stufe naturali vengono utilizzati in questo continente fino agli inizi del XX ° secolo. Alcuni, con un'altezza da 1 a 3 m , sono costruiti in termitai opportunamente scavati e nei quali è costruita una fornace di argilla. Degli ugelli ceramici inseriti alla base del forno consentono un adeguato apporto d'aria. Dopo una ventina di ore, raccogliamo una lente d'ingrandimento delle dimensioni di un pallone da calcio. Tali altiforni, tipici del paese di Bassar in Togo , utilizzano il purissimo minerale di Bandjéli .
I cinesi stanno cominciando a fondere il ferro dal V ° secolo aC. a.C. durante il periodo degli Stati Combattenti durante il quale prevalgono gli attrezzi agricoli e le armi per fusione , mentre i capostipiti del III ° sec . AD impiega squadre di oltre duecento uomini.
Il ferro, ottenuto da una lente di ingrandimento ottenuta in altoforno, viene poi fuso in forni simili ai cubilotti . Ma quando il ferro caldo entra in contatto con il carbone, assorbe il carbonio contenuto nel combustibile fino a saturarlo. Si ottiene quindi la ghisa, più facile da fondere del ferro, omogenea e priva delle impurità presenti nella lente di ingrandimento. Il cinese ha sviluppato lo sviluppo di tutti i composti del ferro: oltre alla raffinazione e mazéage ghisa, è prodotto nel I ° secolo aC. AD della dell'acciaio miscelando ferro e ghisa.
Nel 31 d.C dC , il cinese Du Shi migliora la ventilazione con l'uso della forza idraulica per muovere il soffietto. La combustione è il primo altiforni che producono il ferro direttamente dal minerale, è apparso in Cina nel più forte e io st secolo, durante la dinastia Han . Questi primitivi altiforni sono costruiti in argilla e utilizzano un additivo, una "terra nera" contenente fosforo (possibilmente vivianite ) come fondente . Il perfezionamento di Du Shi consente inoltre all'aria comburente di passare attraverso un carico maggiore e i forni raggiungono quindi dimensioni imponenti: i resti di un crogiolo ovale di 2,8×4 m posto su un basamento di terra di 12×18 m , con resti di sono state trovate installazioni periferiche (canale, meccanismo di sollevamento del minerale, soffietto, ecc. ). Questo aumento delle dimensioni, caratteristico dell'“altoforno”, contribuisce ad ottenere una temperatura più elevata.
Durante la dinastia Han , la tecnica si sviluppò, l'industria del ferro fu addirittura nazionalizzata . L'uso di altiforni e forni a cupola rimase diffuso durante le dinastie Tang e Song . Nel IV ° secolo, l'industria siderurgica cinese limita la deforestazione adottando il carbone per fondere ferro e acciaio. Tuttavia, se i processi sviluppati garantiscono l'assenza di contaminazione del metallo da parte dello zolfo contenuto nel carbone, non vi sono tracce di un uso combinato del carbone con l'altoforno. Solo il carbone, infatti, ha una qualità compatibile con l'uso in altoforno, perché deve essere a contatto con il minerale per poter svolgere il suo ruolo di agente riducente.
Nel XIX ° secolo, questi forni hanno la forma di un cono tronco rovesciato, 2 m alta, un diametro interno 1.2 a 0,6 evoluzione m dalla sommità alla base. Le murature sono in argilla e rinforzate con traliccio in ferro. Il focolare può essere inclinato di circa 30° per una raccolta più comoda della ghisa. È caricato con minerale di ferro limonite o carbone e, a seconda della costruzione, con carbone o coke. Il vento viene iniettato da un ventilatore a pistone. Tale apparato produce quindi da 450 a 650 kg di ghisa al giorno, con un consumo di 100 kg di coke per 100 kg di ferro prodotto.
Questa tecnologia non scompare all'inizio del XX ° secolo. Intorno al 1900, un altoforno simile si trova a Bulacan , nelle Filippine . Ancora più tardi, l'"altoforno nel cortile" propugnato da Mao Zedong durante il Grande Balzo in avanti è di questo tipo. L'esperienza è un guasto tecnico solo nelle regioni in cui il know-how non esiste o è scomparso.
In EuropaIl forno è bassa, in tutto il Medio Evo , un processo di nomadi che si basa a seconda affioramenti di minerale e la disponibilità di carburante, ma agli inizi del XIII ° secolo, stufe appaiono più efficace. Questi, sfruttando l'energia idraulica per soffiare l'aria comburente, si ingrandiscono e utilizzano meglio il combustibile. Questi "forni di massa" sono altiforni il cui serbatoio è conservato: la lente d'ingrandimento viene estratta attraverso un'ampia apertura alla base del forno. Un esempio di successo di questo tipo di forno è lo Stückofen , sezione quadrata e muratura, che è 4 m nel Medioevo, fino a 10 m nel XVII ° secolo a quelle di Vordernberg in Stiria , poi un centro di mitteleuropea ghisa produzione. Capaci di raggiungere temperature di circa 1.600 °C , questi forni potevano fondere parzialmente o totalmente il metallo. Chiamati in quest'ultimo caso Flussofen (cioè “forni fusori”), sono dei veri e propri altiforni che producono ghisa fusa.
Questa, la fornace in basso ad una massa forno in modo avanzato, in grado di produrre ferro fuso, si verifica in Europa in varie località del XII ° al XV ° secolo. Il luogo esatto e la data di comparsa dei primi altiforni non è ancora stabilito con certezza: i più antichi altiforni europei attestati sono resti provenienti da Lapphyttan , in Svezia , dove il complesso fu attivo dal 1150 al 1350 . A Noraskog, nella parrocchia svedese di Järnboås , sono state trovate anche tracce di altiforni ancora più antichi, forse risalenti al 1100. Nell'Europa continentale, scavi hanno portato alla luce altiforni in Svizzera , nella valle di Durstel vicino a Langenbruck , e datati tra l' XI th e XIII th secolo. È stata inoltre individuata in Germania una fornace per la produzione di ferro fuso (a Flussofen ) nella valle Kerspe datata 1275 e, nel Sauerland , altiforni e originali datati XIII ° secolo. Infine, in Francia e in Inghilterra, i cistercensi studiarono e propagarono le migliori tecnologie metallurgiche: l' efficienza dei loro forni di massa si rivelò molto vicina a quella di un altoforno.
Una trasmissione di tecnologia dalla Cina all'Europa è possibile ma non è mai stata dimostrata. Nel XIII ° secolo, Al-Qazwini di notare la presenza di un industria del ferro nelle montagne Alborz a sud del Mar Caspio , le cui tecniche potrebbe accadere dalla Via della Seta . Questa tecnologia potrebbe poi essersi diffusa in Europa, in Svezia, seguendo la rotta commerciale di Varègues ( Rus' ) lungo il Volga , oppure nel nord Italia dove, nel 1226, Le Filarète descrisse un processo in due tempi a Ferriere , con un altoforno la cui ghisa veniva versata due volte al giorno nell'acqua per fare un pellet.
Se è più probabile che l'altoforno è apparso in Scandinavia e altrove indipendentemente invenzioni cinesi, la generalizzazione del altoforno in Europa ha avuto inizio nel Borgogna Olanda tra Liegi e Namur nel mezzo del XIV ° secolo. È lo sviluppo di un efficiente processo di raffinazione della ghisa, il “ metodo vallone ”, che consente la produzione massiccia di acciaio naturale . Da lì, gli altiforni si diffusero in Francia, nel paese di Bray (Normandia), poi in Inghilterra, a Weald ( Sussex ).
Al XVI ° secolo, le esigenze del dell'artiglieria , grazie al successo della pistola alla battaglia di Marignano , accelererà la creazione di grandi fucine riscaldati con il legno. Ogni anno ne vengono costruiti da 20 a 30, oltre ai 460 già esistenti. Nel 1546, François 1 ° ha dovuto ridurre il numero di limitare la distruzione delle foreste. Stanno emergendo bacini, specialisti in questa attività. Liegi diventa il centro metallurgico d'Europa.
A differenza dei cinesi, se "gli europei hanno fatto il cast in Svezia al XIII ° secolo, non hanno usato per fare fusioni . Non abbiamo pentole, padelle (per cucinare), campane o focolari risalenti a questo periodo. “ Oltre allo sviluppo dei metodi di raffinazione della fusione (metodi vallone, Champagne, Osmond , ecc. ), l'attività diventa sempre più capitale . I requisiti di legname e minerale, così come la disponibilità di energia idroelettrica, sono critici. Nel 1671, gli altiforni di Putanges , in Bassa Normandia , furono venduti in blocco per 500 sterline , per essere sostituiti da un altoforno affittato per 1.200 sterline all'anno. Questo vincolo spiega la bassa sopravvivenza delle stufe migliorate, come la forgia catalana che, in Francia , scompare all'inizio del XIX ° secolo, quando Thomas processo spread.
La produzione della ghisa, come la sua trasformazione in ferro, rimane molto vincolata dalle sue esigenze di legno. Il consumo di combustibile è notevole: per ottenere 50 kg di ferro al giorno occorrono 200 kg di minerale e 25 metri cubi di legna al giorno ; in quaranta giorni, una singola miniera di carbone dissoda una foresta in un raggio di 1 km . Questo non pone alcun problema fino a quando le radure sono utili per lo sviluppo dell'agricoltura, ma il XIII ° secolo, viene raggiunto un limite: le foreste mantengono un importante ruolo di nutrimento, il legno è essenziale per la costruzione e il riscaldamento e nobiltà ritrae redditi dal disboscamento. Di conseguenza, il taglio del legno diventa sempre più regolamentato.
Il carbone, come combustibile e agente riducente, era stato adottato dai cinesi durante il periodo degli Stati Combattenti al IV ° secolo aC. DC . Anche se hanno sviluppato un forno a carbone in cui il combustibile non è venuto a contatto con il ferro, e il carbone è stato ampiamente utilizzato in aggiunta al legno nelle fucine nel XVIII ° secolo, la sostituzione del carbone di legno da questa roccia in un altoforno dava solo ghisa di scarsa qualità.
Infatti, il carbon fossile contiene elementi che, in mancanza di opportuni post-trattamenti ( grattugia ), modificano la qualità della ghisa. Il silicio , limitando la solubilità del carbonio nel ferro, provoca la formazione di lamelle di grafite che indeboliscono il metallo. Lo zolfo è più problematico: è un elemento che infragilisce e indebolisce quando il suo contenuto supera lo 0,08%. Quando si combina con il manganese , che è comune nei minerali di ferro, degrada notevolmente le qualità degli acciai. A differenza del silicio, l'estrazione dello zolfo disciolto nel ferro liquido è difficile perché non può essere consumato dall'aria.
Abraham Darby eseguì nel 1709 la prima fusione di ghisa con coke , nel piccolo altoforno di Coalbrookdale che aveva affittato:
"Gli venne in mente che era possibile fondere il ferro nell'altoforno con il carbone, e da lì provò prima a usare il carbone grezzo, ma non funzionò. Non si scoraggiò, trasformò il carbone in cenere, come si fa con la fornace del malto, e alla fine ottenne soddisfazione. Ma scoprì che solo un tipo di carbone era più adatto per fare un ferro di buona qualità... ”
- TS Ashton , ferro e acciaio nella rivoluzione industriale
Comunicando molto poco sui dettagli del processo, i Darby migliorano continuamente il processo e la qualità della ghisa prodotta. Intorno al 1750, Abraham Darby II riuscì a convertire la sua ghisa da coke in acciaio di buona qualità. Ma prima che la generalizzazione del puddellaggio nei primi anni del XIX ° secolo, non v'è quindi nessun processo in grado di convertire si è verificato alcun fusione. L'adozione del calco stampato per realizzare oggetti durevoli ed economici è una componente fondamentale della Rivoluzione Industriale .
La generalizzazione del coke è lenta, sia per la sua qualità spesso mediocre e per la riluttanza di alcuni mastri forgiatori , ma anche per il protezionismo praticato dai paesi produttori (Francia, Germania, ecc.) nei confronti dell'espansione del Industria siderurgica britannica. Nel 1760, il Regno Unito aveva ancora solo 17 altiforni con coke, ma 20 anni dopo, il nuovo processo si diffuse lì.
Infatti, affrancandosi dalla scarsa disponibilità di carbone, la produzione britannica di ghisa sta esplodendo. Nel 1809, un secolo dopo l'invenzione della fusione del coke, la produzione annua raggiunse le 400.000 tonnellate, mentre quella della fusione del carbone oscillava tra le 15.000 e le 25.000 tonnellate nello stesso periodo. Dopo questa data, gli altiforni a carbone scomparvero dal Paese, mentre in Francia e Germania la produzione di coke era ancora molto marginale nonostante alcune prove incoraggianti (nel 1769 a Hayange e nel 1796 a Gleiwitz ). Ma dalla fine delle guerre con l'Inghilterra, il processo si è sviluppato nel continente. L'industria siderurgica americana, meno vincolata dalla disponibilità di legno, svilupperà l'uso dell'antracite , abbondante in Pennsylvania , per poi abbandonarla gradualmente a favore del coke.
Nel XIX ° secolo, l'uso di coke permette un cambiamento radicale nella tecnica. Oltre alla disponibilità di questo combustibile, la sua resistenza alla compressione ad alta temperatura permette di mantenere una buona permeabilità al gas riducente. L'altezza degli altiforni raggiunge quindi i venti metri, il che migliora notevolmente l' efficienza termica. L'aumento delle dimensioni cambia anche l'aspetto della fornace: la vecchia architettura piramidale in muratura viene sostituita da una costruzione più leggera e robusta in ferro. Meglio raffreddato, il rivestimento refrattario dura anche più a lungo.
Grazie alla sua qualità, la ghisa a carbone sopravvive, tuttavia, con una produzione molto bassa. Bessemer , durante lo sviluppo del suo processo , lo dedicò alla raffinazione della ghisa svedese con carbone. Agli inizi del XXI ° secolo, esistono ancora alcuni altiforni carbone di eucalipto , soprattutto in Brasile .
vento caldoAumentare la produttività dell'altoforno soffiandolo con un vento preriscaldato è un passaggio logico: durante la dinastia Han (206 aC - 220 dC ), i cinesi fecero soffiare il vento di rifornimento sopra la gola per recuperare il calore.
Tuttavia, la tecnica è persa. Fu solo nel 1799 che un ingegnere di nome Seddeger difese l'idea, e che un altro, Leichs, la convalidò con esperimenti dal 1812 al 1822. Ma, nel 1828, quando lo scozzese Neilson brevettò il principio, queste ricerche furono accolte con un certo scetticismo:
“La sua teoria era in totale disaccordo con la prassi consolidata, che privilegiava l'aria più fredda possibile, l'idea comunemente accettata era che il freddo dell'aria d'inverno spiegasse la migliore qualità della ghisa allora prodotta. Da questa osservazione gli sforzi dei mastri forgiatori erano sempre stati rivolti al raffreddamento dell'aria soffiata, ea questo scopo erano stati inventati vari espedienti. Quindi i regolatori sono stati verniciati di bianco, l'aria è stata fatta passare sopra l'acqua fredda e in alcuni casi i tubi di iniezione erano addirittura circondati dal ghiaccio. Quindi, quando Neilson ha proposto di invertire completamente il processo e di utilizzare l'aria calda invece di quella fredda, l'incredulità degli ironmaster è facilmente immaginabile…”
- R. Chambers , Dizionario biografico di eminenti scozzesi
Nessuno, infatti, aveva capito allora che il vantaggio dell'aria fredda sta solo nel fatto che è più secca. Ma Neilson, che era un industriale, convinse i direttori della Clyde Iron Works ad effettuare alcuni incoraggianti test nel 1829. Diventa presto capace di raggiungere i 150 °C e, tre anni dopo, Calder Works implementa un'aria a circa 350 °C .
Anche tenendo conto del consumo di combustibile del riscaldatore di tipo tubolare, il calore fornito consente un risparmio complessivo di coke fino ad un terzo riducendo notevolmente il contenuto di ferro della scoria. Infine, mentre i ricercatori discutono dell'influenza del vento caldo sul comportamento chimico e fisico, i produttori capiscono rapidamente che limitare il fabbisogno di coke rende possibile sia mettere più minerale nello stesso serbatoio sia ridurre la quantità di ceneri di coke da evacuare. A differenza dell'uso della coca cola, che aveva impiegato quasi un secolo per soppiantare il carbone, il processo fu adottato rapidamente.
Un vantaggio del dispositivo Neilson è che si accontenta di carbonio di scarsa qualità. Tuttavia, il potere calorifico dei gas d'altoforno , che si accendono spontaneamente all'uscita dalla gola , non era sfuggito a nessuno: dal 1814, il francese Aubertot li recuperò per riscaldare alcuni forni aggiuntivi della sua fabbrica. Questi gas contengono infatti una piccola percentuale (all'epoca circa il 20%) di monossido di carbonio , un gas tossico ma combustibile. Nel 1837, il tedesco Faber du Faur sviluppò il primo aerotermo funzionante a gas d'altoforno.
Resta da sviluppare un'installazione di cattura del gas nella parte superiore che non interferisca con il caricamento dei materiali. Faber du Faur preleva questi gas prima che lascino il carico, attraverso aperture nello spessore del serbatoio, e li raccoglie in un tubo anulare. Le cariche poste al di sopra di queste aperture fungono quindi da chiusura. Nel 1845, James Palmer Budd brevettò un miglioramento, prendendo il gas da sotto la gola. Infine, nel 1850, a Ebbw Vale, apparve il sistema per chiudere la campana con una campana, che gradualmente si impose.
Questi gas, che sono passati attraverso la carica, devono essere spolverati per non intasare i forni: pentole antipolvere , cicloni e filtri depurano questi fumi fino a livelli di polvere di pochi milligrammi per metro cubo normale . Queste installazioni tengono conto dei vincoli legati alla gestione di un gas tossico prodotto in grandi quantità.
Tuttavia, sopra i 400 °C , anche le migliori caldaie metalliche si degradano rapidamente. Per incoraggiare lo sviluppo di un riscaldatore efficiente, Neilson si è accontentato di una modesta royalty di uno scellino per tonnellata prodotta con il suo processo.
Mentre un mattone refrattario apparecchiatura permette il funzionamento a temperature più elevate, la bassa conducibilità termica dei materiali conduttori al funzionamento basato sulla accumulo e rilascio di calore invece di conduzione. Con questo in mente, l'ingegnere britannico Cowper ha depositato un brevetto nel 1857. I primi test iniziarono nel 1860, presso gli stabilimenti Clarence e consentirono di superare i 750 °C , ma i mattoni, impilati in file sfalsate secondo l'idea di Carl Wilhelm Siemens , non resistono ai cicli termici. Cowper reagì proponendo nello stesso anno miglioramenti che prefiguravano la fornace definitiva: la fiamma veniva allontanata dai mattoni, e questi prevedevano dei canali rettilinei.
Se i forni continueranno ad evolversi, si adottano i principi tecnici che consentono di raggiungere una temperatura di 1000 °C grazie ad un'energia precedentemente inutilizzata: i “ coppers ” diventano inseparabili dall'altoforno.
Il termine “altoforno” designa talvolta il forno stesso, ma più precisamente si riferisce a tutte le installazioni legate al funzionamento del forno. Per quanto riguarda il forno stesso, può essere chiamato “vasca” ma essendo la vasca stessa una parte del forno, per designarlo si usa il termine “apparecchio”.
All'inizio del XX ° secolo, alti forni venivano spesso costruiti in batteria ed era spesso strettamente associati con la produzione di ghisa, una coca e minerale unità sinterizzazione . Nel XXI ° secolo, gli alti forni sono giganti strumenti e separare questi strumenti a monte.
Un impianto di altoforno riguarda quindi, oltre al forno stesso, un insieme di altri impianti essenziali che assicurano la ricezione del coke e dell'agglomerato . C'è un laboratorio per la preparazione dei solidi, con un sistema di alimentazione continua fino all'alto . La produzione del vento e il suo riscaldamento costituiscono un impianto separato ma strettamente connesso al funzionamento dell'altoforno. Sono inoltre presenti impianti dedicati al trattamento dei gas d'altoforno , oltre a quelli che gestiscono scorie e ferro fuso.
I materiali costituenti il carico arrivano via treno, via nave o, nel caso di impianti integrati, mediante nastri trasportatori dall'impianto di agglomerazione e dalla cokeria. I materiali vengono stoccati, più o meno asciutti, in tramogge di cemento o acciaio. Una di stoccaggio ai piedi dello strumento è un requisito strategico per il "altoforno del XX ° secolo, viene condannato a un lavoro continuo. Si può spegnere solo con le più grandi precauzioni. La sua chiusura, per quanto breve, può rovinare la fucina e le industrie che ne derivano. Proprio per questo richiede considerevoli scorte di combustibile e minerale. "
Storicamente, questa necessità ha imposto l'installazione di impianti siderurgici vicino a giacimenti di carbone o minerali. Questa vicinanza era essenziale per la redditività fino agli anni '70 e spiega le differenze nella progettazione degli altiforni, compresi gli impianti di preparazione della carica di molti altiforni attuali.
Qualunque sia l'altoforno, l'agglomerato e il coke vengono sistematicamente vagliati poco prima del caricamento, per rimuovere i fini creati dalle varie operazioni di movimentazione e che tendono ad intasare il forno. Sono inoltre più o meno numerosi i circuiti per le aggiunte, come i fondenti ( pietra focaia , minerale di ferro roccioso), gli agenti riducenti (coke piccolo o antracite ), l'arricchimento di ferro del mangime ( rottame , minerale di ferro preridotto , pellet ) e talvolta additivi speciali ( ilmenite per proteggere i refrattari, bauxite per aumentare l' idraulica della scoria granulata, ecc .).
Caricamento in corsoDall'officina , il coke e l'agglomerato vengono montati all'apertura superiore del serbatoio, il " gueulard ". Se storicamente si usavano i cassoni, ora utilizziamo solo cassoni o nastri trasportatori .
Lo skip feed è il più compatto. Gli altiforni utilizzano cestelli con due cestelli associati per controbilanciare. Se lo spazio lo consente, preferiamo installare nastri trasportatori per alimenti. Sebbene possano salire solo su pendii più bassi, hanno una maggiore capacità, sono più facili da automatizzare e danneggiano meno i materiali.
Chiudendo la golaIl gas d'altoforno che esce dalla gola è un gas magro composto essenzialmente da azoto (N 2) - proveniente dagli ugelli e che attraversa il carico senza reagire, monossido di carbonio (CO) e anidride carbonica (CO 2). Il recupero di questo gas tossico ma combustibile è diffusa a metà del XIX ° secolo, quando Parry sviluppa un otturatore conico che permette il recupero del gas senza interrompere la carica.
All'inizio del XX ° secolo, McKee migliora gueulard Parry attraverso un sistema di due campane sovrapposte, la tomaia distribuire il materiale, la sigillatura inferiore, il set comportarsi come un blocco . Questo sistema e le sue varianti divennero imprescindibili fino agli anni 70. In quel periodo, aumentando il diametro e la pressione degli altiforni, si resero necessarie gole con 3 o 4 campane ciascuna del peso di 120 tonnellate: la tecnologia raggiunse quindi i suoi limiti. .
L'invenzione della campana senza campana da parte dell'azienda lussemburghese Paul Wurth , all'inizio degli anni '70, ha segnato una svolta nella progettazione dei moderni altiforni. E' costituito da uno o più silos che, dopo essere stati pressurizzati dall'altoforno, scaricano gradualmente nell'altoforno, la caduta dei materiali essendo incanalata attraverso uno scivolo orientabile. Mentre esistono ancora all'inizio delle campane forno superiore XXI ° secolo, l'altoforno senza campana e suoi derivati stanno diffondendo da. Infatti, sebbene più complessa delle campane, la sua leggerezza e flessibilità sono fondamentali per l'approvvigionamento dei giganteschi altiforni (da oltre 8000 tonnellate al giorno), mentre la sua tenuta permette operazioni ad alta pressione ( 3 bar) che migliorano la produttività del serbatoio.
Il reattore dell'altoforno (chiamato anche “forno”, “serbatoio” o “dispositivo”) eredita dai suoi antenati una forma a camino , che favorisce il tiraggio nonché il contatto tra materiali e gas. Questo camino cambia sezione per accompagnare le modificazioni che il minerale subisce durante la discesa: espansione termica , poi contrazione dovuta alla sinterizzazione del minerale, e infine fusione . Le forme ideali erano, e sono tuttora, determinate empiricamente, dall'osservazione delle fornaci alla fine della loro vita; così la sezione circolare si è imposta nonostante la sua costruzione più delicata, e il ventre creato nelle zone di usura:
“Il profilo che deve essere dato ad una stufa è ovviamente quello che prenderà dopo poche settimane di funzionamento e che manterrà per tutto il tempo in cui il ritmo sarà regolare. "
- E.-L. Grüner, Trattato di metallurgia
Mentre la diversità dei profili è stata a lungo giustificata dalle peculiarità dei minerali locali (più o meno permeabili, ricchi o fusibili) e dei combustibili (gli altiforni a carbone si riconoscono dal loro piccolo crogiolo), la forma generale del reattore tende ad omogeneizzarsi, seguendo in questo la generalizzazione dell'uso di ricchi minerali importati e la comprensione delle reazioni metallurgiche.
Il crogiolo è speciale perché raccoglie i liquidi della fusione del minerale, che percolano attraverso il coke incombusto, mentre il resto del serbatoio vede solo solidi e gas. Pertanto, il crogiolo era fino a poco tempo fa, indipendente dal serbatoio. Quando è posto sulle colonne, l'altoforno si dice " matrigna ". Complicando queste colonne l'accessibilità al foro rubinetto, ed essendo critici i problemi di tenuta tra le due parti, questo progetto è stato progressivamente abbandonato a partire dagli anni Sessanta, a favore di vasche in un unico elemento: l'altoforno è detto "autoportante . ".
Dimensioni"Questo reattore, il più grande di tutti i reattori industriali", lavora contro corrente (i gas caldi salgono e i materiali freddi scendono). La sua altezza garantisce ottime prestazioni termiche, superiore al 70%, ma limitata dalla resistenza allo schiacciamento di minerale sinterizzato , si è stabilizzato a circa 30 metri dalla fine del XIX ° secolo. La sua capacità produttiva, che dipende dal suo volume interno, può quindi essere riassunta nel suo diametro interno, considerato a livello degli ugelli o del crogiolo. Questa superficie circolare è un collo limitare le reazioni perché è lì che la velocità di salita del gas è massimo (a causa della loro temperatura): allora oppone la discesa dei materiali che fondono: una produttività di 75 tonnellate / m 2 / giorno è il limite nel 2012.
Regione ed epoca |
Ø crogiolo d (m) |
Superiore. H (m) |
Volo. utile (m 3 ) |
Produzione (t/g) |
|
---|---|---|---|---|---|
1) | 1861 | 0,9 | 15.3 | 64 | 25 |
2) | Germania ghisa spec. anni '30 |
4.5 | 20.0 | 425 | 450 |
3) | Germania acciaio fuso e Thomas 1961 |
6.5 | 24,0 | 900 | 1.200 |
4) | Repubblica federale di Germania 1959 | 9.0 | 26.1 | 1.424 | > 2.000 |
5) | URSS 1960 | 9.8 | 29,4 | 1.763 | 4000 |
6) | Giappone 1968 | 11.2 | 31,5 | 2 255 | 6000 |
7) | Germania 1971/72 | 14.0 | 36,7 | 4.100 | 10.000 |
L'uso di coke, permettendo alta costruzione grandi forni, comporta la perdita durante la XIX TH edifici ubicati nel taglio a favore di un involucro metallico. L'involucro di un moderno altoforno a libera installazione è un recipiente metallico accuratamente costruito, lo "scudo", che varia in spessore da 10 cm nel crogiolo a 4 cm nella parte superiore. Tale schermatura svolge essenzialmente due funzioni: trasportare il rivestimento interno refrattario ed evacuare il calore.
Il rivestimento refrattario interno deve resistere agli attacchi termici, meccanici e chimici. Poiché queste sollecitazioni variano a seconda delle zone, e non si tratta, per ragioni di costo, di generalizzare materiali di migliore qualità, esistono refrattari di composizione variabile.
suddivisa in zone | Stress fisico | Materiale refrattario | Calore da estrarre (kW/m² in funzionamento stabilizzato) |
---|---|---|---|
Parte superiore del serbatoio | Urti meccanici e abrasioni. | Piastre antiurto in acciaio duro fuso . Carburo di silicio legato con argilla . |
12 |
Mezzo serbatoio | Attacco chimico da CO e alcali . Possibili fluttuazioni termiche. |
Refrattari alluminosi : sillimanite (62% Al 2 O 3) o corindone (84% Al 2 O 3). | 18 |
Display del ventre sul fondo del serbatoio |
Usura da gas e carichi. Attacco chimico da CO e alcali . Calore, forti fluttuazioni termiche. |
Carburo di silicio legato con sialon (Si 3 Al 3 O 3 N 5). A volte: grafite ad alta conducibilità termica . |
37 29 23 |
crogiolo | Circolazione di materiali fusi. Pressione. |
Carbonio puro ad alta densità. | 10 |
Dopo la cottura, un moderno altoforno può funzionare ininterrottamente per 15-20 anni: i refrattari sono quindi scelti con cura. Oltre alla qualità del materiale, il montaggio deve tenere conto delle dilatazioni. Il crogiolo è spesso costituito da blocchi di carbonio del peso di diverse tonnellate, assemblati senza malta o giochi superiori a pochi decimi di millimetro. Una volta usurato, il dispositivo deve essere completamente drenato per ricostruire, dal basso verso l'alto, il rivestimento refrattario.
RaffreddamentoL'apparato di un altoforno che produce 6000 tonnellate di ghisa al giorno può essere considerato come un forno fusorio di circa un gigawatt . Tali scambi termici richiedono un energico raffreddamento per evitare una rapida distruzione della schermatura del dispositivo. Poiché qualsiasi guasto al raffreddamento può rivelarsi catastrofico, è garantito contro i guasti in diversi modi. Il design di un circuito moderno è simile a quello di una centrale nucleare , il circuito di raffreddamento del dispositivo è a circuito chiuso per poter rilevare eventuali perdite o inquinamento dell'acqua.
Nonostante la presenza di un potente raffreddamento, l'efficienza termica di un altoforno è elevata, oltre il 70%. Paradossalmente, migliora quando il dispositivo viene raffreddato intensamente. Infatti, il raffreddamento consente l'aspetto di un rivestimento interno, sia protezione contro l'usura che isolamento termico. Questo ruolo è svolto correttamente solo se la sua adesione e il suo spessore sono controllati, in modo da non disturbare il flusso dei materiali.
Diverse tecnologie coesistono per il raffreddamento del dispositivo:
Quando il funzionamento dell'altoforno è disturbato (instabilità nel flusso di gas o materiali, cambio di regime di funzionamento, ecc. ), le perdite di calore attraverso il cielo e il vaso aumentano. Il sistema di raffreddamento può dover evacuare localmente 300 o anche 500 kW/m 2 , ovvero 15 volte la potenza media. Sono questi picchi che impongono il dimensionamento dei circuiti.
L'iniezione forzata dell'aria comburente, il “vento”, è una caratteristica essenziale dell'altoforno. La sua traduzione inglese, altoforno , limita il processo fino a questo punto. Ottenere le temperature necessarie alla fusione del metallo è infatti possibile solo con un vento potente, che la forza muscolare non può produrre; i soffietti azionati da ruote a pale sono inseparabili dall'aspetto dell'altoforno. Questa combinazione viene abbandonato quando la dimensione crescente degli impianti (quindi i pressione gocce ) e la ricottura del vento (che coinvolge sia passando attraverso altiforni calde e iniettare un vento espansione) richiedono potenza crescente:. Potenza idraulica è stata sostituita da motori a vapore dal 1776, rapidamente adattato ai gas siderurgici ( gas d'altoforno e gas di cokeria ). I pistoni in ghisa sostituirono anche i soffietti in questo momento. Infine, agli inizi del XX ° secolo, i pistoni sono in fase di esaurimento a favore di compressori centrifughi o turbocompressori .
Questo è anche l'inizio del XX ° secolo, con l'invenzione di processi liquefazione dell'aria, ciò provato l'iniezione di ossigeno nel vento freddo. Il processo si è diffuso negli anni '60, incrementando sia la produttività degli altiforni che l'iniezione di combustibile attraverso le tuyeres.
Per poter attraversare il carico e lavorare ad alta pressione, il vento viene compresso tra 2 e 4,5 bar . La portata e il contenuto di ossigeno del vento freddo essendo di facile e veloce modifica si può in tal modo agire sul funzionamento dell'altoforno.
CowpersUn moderno cowper è costituito da un cilindro verticale in acciaio di 6-9 m di diametro e 20-35 m di altezza . Questo recinto è riempito con mattoni refrattari, la cui natura dipende dal ruolo: i mattoni isolanti proteggono la faccia interna della schermatura del cowper mentre altri mattoni sono usati per immagazzinare e rilasciare calore. Questi ultimi sono utilizzati per la costruzione del pozzo di combustione, dove si dispiega la fiamma, e del rûching, una pila di mattoni forati che assorbe il calore dei fumi. Il pozzo è spesso integrato nel cilindro dove occupa circa un terzo della sezione del forno. I cowper più grandi sono dotati di pozzetti esterni che consentono di isolare meglio la zona di combustione dalla zona di accumulo/rilascio del calore.
Essendo il riscaldamento più lento del raffreddamento, ogni altoforno è dotato di tre, a volte quattro, cowper che passano alternativamente in ogni fase. In funzionamento continuo un cowper ripristina il suo calore per circa 30 min , prima che il vento si diriga verso il cowper che ha appena terminato un riscaldo di 50 min (durata a cui vanno aggiunte le fasi di pressurizzazione, che durano 10 min. ).
Un moderno cowper può riscaldare circa 1,4 tonnellate di vento a 1200 °C , per tonnellata di ghisa. Quando rilascia il suo calore, è quindi, per un altoforno che produce 6.000 tonnellate di ghisa al giorno, un forno con una potenza di circa 100 MW . Il riscaldamento viene effettuato bruciando parte del gas prodotto dall'altoforno, che deve essere miscelato con un gas ricco per raggiungere le temperature desiderate.
Circolari e ugelli a getto caldoIl vento caldo (da 900 a 1300 °C a seconda delle caratteristiche dell'altoforno) viene portato dai cowpers da un tubo rivestito di refrattario, quindi viene distribuito agli ugelli da un tubo a forma di toro , quello circolare. All'uscita degli ugelli, il vento raggiunge 200 m / s , accende il coke, che ha sollevato la temperatura a 2000 - 2300 ° C .
Prodotti | Massimo teorico (kg/t di ghisa) |
Equivalenza della coca cola |
---|---|---|
plastica | 70 | 0,75 |
Olio combustibile pesante | 65 | 1.2 |
Olio / O 2 | 130 | |
Cokeria gas | 100 | 0,98 |
Carbone | 150 | 0,85 - 0,95 |
Carbone / O 2 | 270 |
La combustione del coke consente sia la produzione del gas riducente ( CO ) sia il raggiungimento delle temperature necessarie al processo. Per ridurre il consumo di coke, in molte fabbriche vengono utilizzati combustibili sostitutivi che, iniettati nel vento all'estremità degli ugelli, bruciano con gli stessi effetti chimici e termici. Liquidi o macinati finemente, i possibili combustibili complementari sono numerosi: farina animale , olio combustibile pesante , rifiuti plastici , gas naturale o da coke , lignite , ecc. Tuttavia, il prodotto più efficiente rimane il carbone finemente macinato, la cui iniezione combinata con l'arricchimento di ossigeno del vento, consente di sostituire fino alla metà dei 480 kg di coke necessari per fabbricare una tonnellata di fusione.
A differenza dei tubi a getto caldo, gli ugelli non sono rivestiti con un refrattario isolante per limitarne l'ingombro. Questi sono pezzi di rame, raffreddati intensamente con acqua. Devono essere facilmente sostituibili perché soggetti sia alle alte temperature dovute alla combustione del coke e dei combustibili iniettati, sia all'usura, perché possono sporgere fino a 50 cm all'interno del forno.
Il gas raccolto in alto contiene da 5 a 10 g/ Nm 3 di polvere strappata dal carico. Portato alla base dell'altoforno da grossi tubi, il gas subisce una prima fase di depurazione in separatori statici. Infatti, la pressione, la temperatura e il contenuto di polvere del gas possono fluttuare molto rapidamente, sono necessarie tecnologie semplici e robuste: vengono utilizzati contenitori per la polvere e cicloni . Questi possono rimuovere fino all'85% di polvere.
Essendo questi dispositivi direttamente collegati alla gola, sono protetti da catastrofiche sovrapressioni (generalmente dovute a instabilità che, surriscaldando il gas, lo dilatano) dagli sfiati , valvole di sicurezza poste nella parte superiore dell'altoforno.
Depurazione a umido o secondariaIl gas semipurificato viene poi trattato nella depurazione secondaria che combina 3 ruoli:
Queste tre funzioni possono essere svolte contemporaneamente in uno scrubber ad umido, un dispositivo che spruzza acqua quando il gas viene decompresso. Questa tecnologia è diventata molto diffusa con gli altiforni che lavorano ad alta pressione superiore.
I grandi altiforni sono stati inoltre recentemente dotati di un turboalternatore in grado di produrre fino a 15 MW di energia elettrica recuperando l'energia dalla decompressione dei gas. In questo caso la depurazione con uno scrubber ad umido è più difficile perché non può più beneficiare della decompressione del gas. Inoltre, poiché è vantaggioso mantenere il gas caldo per sfruttarne il maggior volume, la depurazione secondaria a secco è ricomparsa dagli anni 2000, in particolare in Asia.
Il ferro e la sua ganga , fondendosi a livello delle tuyeres, confluiscono nel crogiolo. Questi liquidi percolano attraverso pezzi di coca incombusta che riempiono il crogiolo. Quando il livello del liquido sale, una macchina, il “trapano”, perfora il crogiolo alla sua base per drenarlo. Mentre affonda, il materiale fuso erode rapidamente il foro del rubinetto. Viene poi sigillato con una massa di argilla iniettata dal "tappatore", una macchina il cui funzionamento è simile a quello di una siringa . Un moderno altoforno produce da 8 a 14 getti al giorno, ciascuno della durata di 80-180 minuti.
Il tappatore e il trapano sono potenti, precisi e critici. Il trapano deve infatti rifare il foro nel tassello in argilla creato dalla precedente tappatura, più velocemente della fusione della punta . Il tappatore deve, dal canto suo, poter tappare il foro del rubinetto penetrando, se necessario, nel getto di materiale fuso: si tratta di un dispositivo di sicurezza che deve poter interrompere in ogni momento il versamento.
Il materiale fuso scorre nel canale principale. È in questa, che può misurare da 8 a 14 m e che contiene da 30 a 60 t di miscela di scorie fondenti, che la scoria, tre volte meno densa della ghisa, si separa gradualmente dalla ghisa per galleggiare al suo superficie. Il canale principale termina con un sifone rovesciato . Questo ferma la scoria, che poi si dirige verso canali poco profondi. La ghisa che ha superato il sifone viene versata nelle torpediniere , che la portano all'acciaieria o alla fonderia .
Oltre a una produzione giornaliera di 6.000 tonnellate di ghisa, è necessario disporre di più fori per la rubinetteria. Gli altiforni hanno da 1 a 5 fori per rubinetteria, che estraggono ghisa e scorie dal crogiolo. La manutenzione delle macchine e delle grondaie, così come l'analisi e l'instradamento dei liquidi fusi, rendono complesse le installazioni delle sale di colata. I vincoli meccanici e termici legati al regolare passaggio dei fluidi caldi portano generalmente alla progettazione di canali e solai articolati. Sono inoltre necessari grandi sistemi di raccolta delle polveri (tipicamente 700.000 Nm 3 / h).
Trattamento delle scoriePer una passeggiata con minerali ricchi, produciamo circa 300 kg di scorie per tonnellata di ghisa, lo stesso volume date le rispettive densità. La scoria fusa viene raffreddata in loco o portata via in appositi carri. Viene raffreddato principalmente in due modi:
La scoria liquida contiene tra l'1 e il 2% di zolfo, fissato dal calcio . Il suo trattamento, specie se raffreddato con acqua, provoca emissioni di zolfo.
L'apparato di un altoforno è un reattore chimico , il cui funzionamento in controcorrente (i gas salgono mentre la materia solida cade) assicura un'ottima resa termica. Il suo principio consiste essenzialmente nel creare monossido di carbonio , la cui affinità per l'ossigeno del minerale è maggiore dell'affinità tra ossigeno e ferro, per disossidare il minerale. Numerosi scambi termici e chimici, principalmente tra gas e solidi nel serbatoio, a cui si aggiungono liquidi nei ripiani e nel crogiolo, avvengono per ridurre e carburare il ferro.
Le numerose reazioni chimiche unite ai cambiamenti di stato dei materiali complicano notevolmente la comprensione del funzionamento ideale di un altoforno. Le temperature, pressioni e movimenti materiali proibiscono anche il XXI ° secolo, qualsiasi misura nel cuore del dispositivo. È estremamente difficile comprendere e prevedere le instabilità termiche o meccaniche, alcune delle quali possono avere conseguenze catastrofiche. Solo negli anni '70, ad esempio, grazie allo spegnimento di altiforni completi effettuato in Giappone, si scoprì in particolare la forma a campana delle isoterme , che invalidò la teoria del "dead man" (un mucchio conico di coca cola e ferro solidificato appoggiato sul focolare del crogiolo), ha rilevato l'entità di alcune instabilità e ha dimostrato l'importanza di alimentare coke e minerale in strati distinti.
Condizione necessaria per il corretto funzionamento è garantire una buona permeabilità dei materiali. Il coke gioca un ruolo essenziale perché mantiene le sue proprietà meccaniche fino a 1500 °C mentre il minerale sinterizza a partire da 900 °C . Le isoterme a campana attraversano gli strati di materiale creando feritoie a livello degli strati di coke, che concentrano i gas al centro del serbatoio prima di diffonderli nel carico. I pezzi di coke non bruciati riempiono la parte inferiore dell'apparecchio, ad eccezione delle cavità che si formano davanti a ciascun ugello. Sostengono quindi il peso dei materiali accatastati sopra di loro, consentendo il passaggio di liquidi e gas.
Il funzionamento continuo, con flusso di materiale a pistone , richiede l'evacuazione di tutti gli elementi che vi entrano, pena l'intasamento. Questo vale per le scorie, ma anche per alcuni elementi, come lo zinco oi metalli alcalini .
Per ridurre il minerale di ferro, è necessario prima produrre i gas riducenti necessari. Ciò avviene nella parte inferiore dell'altoforno, per combustione del carbonio contenuto nel coke, con l'ossigeno del vento: C + O 2 → CO 2 producendo 401,67 kJ / mol
Essendo questa reazione molto esotermica , la temperatura agli ugelli di iniezione del getto caldo sale da 1800 a 2000 °C , o anche 2250 °C se il vento è arricchito di ossigeno. Segue però subito una reazione endotermica , che abbassa la temperatura tra 1600 e 1800 °C : CO 2 + C → 2 CO consumando 163,45 kJ/mol
Quest'ultima reazione non è totale, riguarda l'equilibrio di Boudouard . Ciò garantisce la rigenerazione della CO consumata dalla riduzione su tutta la parte inferiore del dispositivo: CO 2 + C ⇋ 2 CO fintanto che T> 1000 ° C
Finché l' anidride carbonica CO 2rimane nell'intervallo di temperature superiori a 1000 °C , viene costantemente trasformato dalla reazione di Boudouard in monossido di carbonio CO, che rimane così disponibile al processo di riduzione.
Un altro gas riducente, l' idrogeno H 2, è prodotto contemporaneamente dalla decomposizione termica del vapore acqueo, naturalmente o artificialmente presente nel vento. Seppur di secondaria importanza, questo gas è particolarmente efficace intorno ai 900 °C e oltre: un contenuto di solo il 10% di idrogeno nel gas di reazione triplica la velocità di riduzione. Questa produzione è, come quella del monossido di carbonio, molto endotermica: H 2 O + C → H 2 + CO consumando 131,4 kJ/mol
Gli ossidi di ferro vengono ridotti nella seguente sequenza:
Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO → Fe ematite → magnetite → wustite → ferro
Ogni transizione da un ossido al successivo è dovuta a più reazioni di riduzione simultanee:
Temperature | Riduzione indiretta | Riduzione diretta | Riduzione dell'idrogeno |
---|---|---|---|
100 °C <T < 260 °C | Essiccazione | ||
500 °C <T < 600 °C 600 °C <T < 900 °C |
3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2 |
3 Fe 2 O 3 + C → 2 Fe 3 O 4 + CO Fe 3 O 4 + C → 3 FeO + CO |
3 Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 → 3 Fe O + H 2 O |
900 °C <T < 1100 °C 1100 °C <T < 1150 °C |
FeO + CO → Fe + CO 2 | FeO + C → Fe + CO | FeO + H 2 → Fe + H 2 O |
1200 °C <T < 1600 °C | Carburazione e fusione |
Anche la ganga e le impurità del minerale subiscono diverse reazioni chimiche durante la loro discesa verso il crogiolo; sono tutti endotermici. Reazioni alla de carbonatazione di siderite (FeCo 3) e calcare ( CaCO 3) si verificano prima delle reazioni di riduzione del ferro:
FeCO 3 → FeO + CO 2 per 500 °C <T < 700 °C
CaCO 3 → CaO + CO 2 per 700 °C <T < 900 °C
Un altoforno riduce a metallo solo circa la metà degli ossidi di manganese MnO 2e MnO introdotto nell'altoforno con i minerali di ferro. Mentre la riduzione di MnO 2 è rapidamente prodotta da CO, la riduzione di MnO è diretta: MnO + C → Mn + CO per T> 1000 ° C
Allo stesso modo, la silice SiO 2 è parzialmente ridotto di una riduzione diretta: SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO per T> 1.500 ° C
Tutti gli ossidi di rame , fosforo e nichel sono completamente ridotti al metallo. Il cromo e il vanadio agiscono come manganese, il titanio come il silicio. Ossidi di calcio ( CaO ), alluminio ( Al 2 O 3) e magnesio ( MgO ) non sono riducibili e si trovano interamente nelle scorie. Lo zinco , l' alcali e lo zolfo sono caso:
S + CaO + C → CaS + CO per T ≈ 1.550 ° C
Quanto all'azoto nel vento, reagisce poco e in maniera reversibile. Serve quindi principalmente come zavorra termica.
La svasatura del serbatoio facilita la discesa dei carichi, e ne accompagna l'espansione. Il restringimento agli scaffali accompagna la sinterizzazione e quindi la fusione del minerale. Il coke, che non sinterizza né fonde, è fondamentale per la permeabilità ai gas e il supporto di carica. Il suo ruolo è infatti multiplo: per un moderno altoforno che consuma, per ogni tonnellata di ghisa, 294 kg di coke e 180 kg di carbone agli ugelli, abbiamo:
Temperature | Fenomeni | |
---|---|---|
Minerale | Coca Cola | |
100 °C <T < 260 °C | Essiccazione | |
500 °C <T < 900 °C | Riduzione (Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO) | |
900 °C <T < 1200 °C | Riduzione (FeO → Fe) Carburazione e sinterizzazione |
Rigenerazione CO |
1200 °C <T < 1600 °C | Fusione | Combustione |
T 2.100 °C | Cavità di fronte a ciascun ugello | |
1600 °C | Carburazione e desolforazione | Scioglimento |
L'altoforno è un reattore molto sensibile a qualsiasi anomalia. Inoltre, le dimensioni dell'utensile rendono molto costosa, se non pericolosa, qualsiasi perdita termica o degrado del chilometraggio . La comprensione dei fenomeni fisici e chimici che avvengono all'interno del dispositivo è quindi essenziale.
Tuttavia, le condizioni estreme che prevalgono in un altoforno non consentono l'accesso diretto ai materiali che reagiscono ad esso. Le misurazioni vengono poi moltiplicate alla periferia del carico, cioè in alto, sulle pareti dell'apparato e in corrispondenza del getto. L'obiettivo è dedurre la pressione e la velocità dei gas che salgono attraverso la materia, ma anche i movimenti di solidi e liquidi. Parametri importanti, come l'altezza della superficie di alimentazione o le temperature delle pareti, vengono misurati in diversi modi, al fine di prevenire eventuali guasti.
suddivisa in zone | Quantità da misurare | Tecnologie utilizzate |
---|---|---|
Gueulard | Altezza del carico Morfologia della superficie dei materiali Distribuzione radiale della temperatura e/o composizione del gas in uscita dal carico |
Sonda radar di mappatura meccanica o radar Raggio di misura radiale |
Parte superiore del serbatoio | Distribuzione radiale della temperatura e/o composizione del gas e della carica | Sonda mobile che penetra orizzontalmente nel carico |
Dal fondo del serbatoio agli scaffali |
Flusso di materiale Usura/rivestimento dei refrattari |
Sonde radioattive (raro) Sonde a ultrasuoni |
Ugelli | Natura e portate del vento e degli additivi iniettati negli ugelli Calore scaricato dall'acqua di raffreddamento |
Misurazione di flusso/temperatura |
crogiolo | Composizione e temperatura della ghisa e delle scorie | Misurazione della temperatura e campionamento della ghisa |
Delle ricerche vengono condotte per valutare altri metodi di misurazione. Ad esempio, è possibile sfruttare l'osservazione che la presenza di materiali fusi nel crogiolo genera una bassa tensione elettrica nella schermatura. Gli ultrasuoni possono essere utilizzati per misurare le temperature o la morfologia superficiale dei materiali, ecc.
Tuttavia, "l'elaborazione di una così grande quantità di informazioni va oltre la capacità di calcolo di qualsiasi essere umano" . Dalla fine degli anni '90, infatti, i sistemi di assistenza alla guida hanno registrato 150 fenomeni fisici e chimici principali, che sono stati costantemente valutati da quasi 1.000 misurazioni. Il fatto che alcuni fenomeni siano immediati, mentre altri sono molto lenti a manifestarsi, ha portato allo sviluppo di sistemi esperti , reti neurali , studi di ergonomia cognitiva , ecc.
Quando si accende un altoforno, è necessario asciugare e quindi riscaldare il dispositivo abbastanza lentamente da non danneggiare i refrattari, ma anche raggiungere rapidamente una temperatura sufficiente affinché i prodotti caricati possano essere evacuati in forma liquida. Per questo carichiamo l'altoforno con una grande quantità di combustibile (spesso legna), limitiamo il fabbisogno termico caricando scoria al posto del minerale e attiviamo gradualmente la combustione regolando il flusso del vento. Resta il fatto che l'avviamento di un altoforno, che dura poche settimane ed inizia una campagna produttiva ininterrotta di circa quindici anni, resta un'operazione delicata perché a questi vincoli si aggiungono gli inevitabili malfunzionamenti legati all'avviamento di un installazione nuova e complessa, il cui comportamento e design sono sempre diversi.
Gli inevitabili tempi morti di manutenzione o legati ad incidenti non possono superare alcuni giorni pena il "congelamento" del dispositivo. Queste vanno assolutamente anticipate: viene caricata una grande quantità di coke e il vento viene interrotto poche ore dopo, quando questo coke arriva davanti agli ugelli. Pertanto, al riavvio, la combustione del coke aggiuntivo ricostituirà il calore perso durante lo spegnimento.
Un arresto più lungo o definitivo richiede lo svuotamento il più possibile del dispositivo. Un apposito foro rubinetto, posto nel punto più basso del crogiolo, permette lo scarico di tutti i materiali fusi. Il livello del materiale non fuso, principalmente coke, scende agli ugelli. L'operazione è rischiosa perché le zone basse e calde, non più coperte, devono essere raffreddate spruzzando con acqua, la cui dissociazione forma un gas esplosivo perché ricco di idrogeno.
incidentiUn incidente temuto ma raro è il “blocco” dell'altoforno. Se si verifica nella parte superiore dell'apparato, corrisponde alla formazione di una volta sotto la quale i materiali continuano a scendere verso il crogiolo. Un vuoto si forma sotto la volta, fino a quando non crolla improvvisamente. Un blocco nella parte inferiore corrisponde all'impossibilità di evacuare i materiali fusi. L'origine più frequente è un altoforno freddo dovuto a immissioni accidentali di acqua oa un deficit di calore portato dal vento o dal coke, sapendo che un eccesso di calore porta allo stesso risultato. Questo raro e temuto incidente ha comportato la chiusura, forse definitiva, dell'impianto:
“Se l'ingegnere non si affretta, sarà troppo tardi, e la fornace, piena di un immenso magma, di un lupo , dovrà solo fermarsi; dovrà addirittura essere in gran parte demolita e lunghi e costosi lavori da fare per rimuovere la massa di ferro, resistente che la ingombra da cima a fondo e gran parte della quale cede prontamente solo alla forza della polvere...
Quindi un ingegnere che fa un lupo è forse in una situazione più miserabile del marinaio che perde la sua nave; raramente trova scuse dai suoi leader. Ma anche qui il potere della conoscenza, dell'iniziativa, del vigore morale e fisico, dell'energia umana, paragonabile, in un'arena meno gloriosa, a quella del generale in capo il cui esercito è in pericolo, o del navigatore la cui nave è in pericolo di essersi persi; per i più imprevisti e meno facili da prevedere gli espedienti a volte possono da soli evitare il pericolo. "
- J. Garnier , Le Fer
Altrettanto pericoloso, raro e costoso, uno sfondamento nella schermatura del ferro fuso è, “dopo che il crogiolo fu bloccato […], l'evento più temuto, il più odiato dalla fonderia e dall'altoforno in genere. " Anche l' usura da flusso di materiali può provocare sfondamenti nel serbatoio, ma questi sono solitamente preceduti da perdite del sistema di raffreddamento, rilevabili dalla strumentazione dei circuiti di raffreddamento oltre che dall'elevazione del serbatoio. contenuto di idrogeno nel gas prodotto da l'altoforno. Non trascurabile, infine, il ruolo dei gas che circolano nel dispositivo: questi sono, a differenza dei materiali fusi, impossibili da fissare e possono generare abrasione per sabbiatura .
Viceversa, può accadere che lo strato protettivo dei refrattari, ottenuto grazie all'intenso raffreddamento dell'apparato, si ispessisce eccessivamente. La saturazione di zinco o alcali favorisce l'ispessimento locale di questo strato. Quindi disturba in modo significativo i flussi nel dispositivo. Inoltre, il "guarnito" che si forma può pesare diverse centinaia di tonnellate ed essere instabile, soprattutto quando si trova nelle parti superiori del dispositivo. Il suo rilascio improvviso interrompe il funzionamento dell'altoforno e può causare un blocco.
Tutti questi disturbi, se non vengono dominati in tempo, possono succedersi l'un l'altro, o addirittura combinarsi. Sovrapressioni causate dalla risalita di gas dal crogiolo, esplosioni di vapore dovute all'ingresso di acqua nel dispositivo (spesso proveniente dal sistema di raffreddamento), sacche di gas o polvere che si incendiano improvvisamente, ecc. sono eventi spettacolari: l'apertura delle valvole di sicurezza, gli sfiati , è poi paragonabile all'eruzione di “un vulcano […] udito per chilometri intorno; pensate a 4 o 5 aerei a reazione che accendono i motori: è il rumore prodotto dallo scarico del gas. " Quando le valvole hanno più successo nello scarico del gas, i danni si propagano attraverso le condutture dell'impianto. L'esplosione del dispositivo stesso, diventato in essere alla fine del XX ° secolo, può fare molte vittime tra il personale.
Il raggiungimento delle alte temperature associate al processo è accompagnato da espansioni e trasformazioni di fase che sono anticipate da varie tecniche ( giochi , micce , ecc. ) al momento della cottura. D'altra parte, un raffreddamento significativo, anche controllato, porta a disturbi tali da mettere fuori servizio i forni. Un grande e moderno altoforno che va a fuoco inizia quindi una campagna di 10-20 anni, durante la quale il suo funzionamento può essere interrotto solo pochi giorni all'anno, per interventi di manutenzione sugli impianti annessi.
Pertanto, la costruzione deve essere particolarmente robusta, modulare e ridondante. Una cattiva scelta tecnologica, materie prime non idonee, errori di guida, ecc. , può avere conseguenze per tutta la durata della campagna, quando non è interrotta da un incidente ( esplosione di vapore , rovina per usura o corrosione, fuga di gas, ecc. ) con conseguenze a volte tragiche. Garantire la sicurezza è una preoccupazione essenziale dell'altoforno. Un corollario degli incidenti è il loro impatto ambientale: sebbene poco inquinante (soprattutto se lo confrontiamo con la cokeria e l'impianto di agglomerazione ad esso associati), la sicurezza di un altoforno presta poca attenzione al suo vicinato.
Nel funzionamento di uno strumento così complesso, il fattore umano è determinante. Anche nel XXI ° secolo, la competenza degli operatori è spesso legata alla tradizione metallurgica locale: "il livello di prestazioni di un settore cast è quindi in gran parte determinato in anticipo dalla conoscenza precedentemente memorizzato e dispersi nella zona. "
Archetipo di industria pesante , l'industria siderurgica si distingue per le dimensioni ei costi dei suoi stabilimenti, di cui l'altoforno è solo un elemento. Nel 2012 il costo di costruzione di un moderno "impianto caldo" (cokeria, impianto di sinterizzazione , 2 altiforni e acciaieria ) con una capacità di 5 milioni di tonnellate di bramme d' acciaio all'anno può raggiungere i 9 miliardi di dollari . Di questo importo, la costruzione di altiforni rappresenta circa $ 1 miliardo. Il costo del capitale investito nella costruzione di un altoforno costituisce quindi dal 25 al 30% del costo della fusione. Questo costo può essere notevolmente ridotto aumentando le dimensioni dei dispositivi e la loro produttività.
L' ammortamento del capitale investito ha alimentato, dalla rivoluzione industriale , una corsa al gigantismo. Ma, alla fine di un ciclo di produzione, una riparazione può essere sufficiente per rinnovare il potenziale dell'installazione. Ad esempio, l'altoforno 1 di Duisburg ha iniziato la sua quinta campagna di produzione nel marzo 2008. Questa riparazione, che viene effettuata ogni 15 anni circa, costa dai 100 ai 250 milioni di euro , a seconda delle dimensioni del sito (sostituzione di refrattari usurati, automi obsoleti, schermature deformate, meccanismi inadatti alle nuove modalità operative, ecc .).
Chiaramente più economiche della costruzione di un nuovo stabilimento, le successive revisioni di un altoforno collocano poi la vita di un complesso siderurgico entro orizzonti strategici di almeno 25 anni. Tuttavia, la riparazione di un altoforno è un progetto eccezionale per la sua rarità e portata (da 1,5 a 5 anni di pianificazione, seguiti da cento giorni di costruzione) a causa del gigantismo degli strumenti. Inoltre, l'età degli altiforni, costantemente rinnovati, rende illusoria la loro standardizzazione.
Costi di funzionamentoI costi di produzione dipendono fortemente dal prezzo delle materie prime. Nel 2010-2011, l'acquisto di minerale e carbone corrispondeva rispettivamente al 52% e al 36% dei costi di produzione della ghisa e dei relativi coprodotti. Inoltre questi materiali, stoccati almeno a monte della catena, rappresentano una sostanziale immobilizzazione di denaro.
Al contrario, i costi del personale rappresentano, in un paese occidentale, solo il 2,2% dei costi di produzione. Dati i bassi margini, l'industria siderurgica rimane quindi un settore in cui le competenze di squadre in grado di limitare le perdite di materiale ed energia sono più importanti dei salari. Ma la caccia alle perdite è difficile nei vecchi paesi industrializzati perché i complessi siderurgici, che sono vecchi, mancano di coerenza.
La ghisa risulta dalla fusione del ferro che, a contatto con il coke, si carica di carbonio fino a saturazione . Sono inclusi anche i metalli prodotti da reazioni di riduzione diretta (manganese, silicio, fosforo, ecc. ).
A seconda dell'utilizzo della ghisa, che si tratti di colata o di raffinazione, l'altoforno punta ad una composizione che permetta agli utensili a valle di operare in condizioni ottimali. Il cast per la raffinazione convertitore (che alla fine del XX ° secolo, che rappresentano la quasi totalità della fornace di ferro), anche se si solidifica in un " ferro bianco " non è mai così chiamato. Questa " ghisa fusa " ha valore solo in termini di composizione chimica e temperatura. La classificazione delle ghise, che prevede il loro raffreddamento ed eventuali trattamenti, non è quindi generalmente rilevante nella lavorazione dell'acciaio .
latticiniLa scoria corrisponde alla ganga del minerale a cui si aggiungono le ceneri del coke. La sua composizione è studiata per garantire un facile svuotamento del crogiolo, ma anche per desolforare la ghisa, o addirittura proteggere il crogiolo. Dopo la colata, a seconda della sua confezione, diventa una materia prima popolare. Viene utilizzato principalmente nella produzione di cemento (2/3 della produzione in Europa, principalmente loppa vetrificata) o come riempimento stradale (1/3 della produzione in Europa, principalmente loppa cristallizzata). Viene anche utilizzato, tra l'altro, nella produzione di vetro , lana di roccia o come aggregato di calcestruzzo ...
“Nel 1982, in Francia, il bilancio economico [della vendita del latte] era quasi sistematicamente in deficit. " Tuttavia, questo prodotto, che viene bruciato , rilascia alcuni gas serra quando riscaldato. Questa caratteristica, unita all'uso diffuso dei processi di vetrificazione, paga (inizio XXI ° secolo) la produzione di scorie. Tuttavia, sebbene il volume della scoria sia identico a quello della ghisa prodotta (a causa della differenza di densità), il prezzo di vendita della scoria granulata rappresenta meno del 5% del costo di produzione della ghisa.
Gas di altofornoIl gas di altoforno contiene il 22% di anidride carbonica (CO 2), 22% monossido di carbonio (CO), 51% azoto (N 2) e 5% di idrogeno (H 2). È un gas magro a basso potere calorifico (3000 kJ/Nm 3 ) per la presenza di monossido di carbonio e idrogeno, ma rappresenta una frazione significativa (≈30%) del bilancio termico del dispositivo.
Questa importanza è spiegata dalla quantità di gas prodotto. Un moderno altoforno produce circa 1.500 Nm 3 di gas per tonnellata di ghisa. Tenendo conto della sua densità (da 1,30 a 1,35 kg / Nm 3 ), il peso del gas prodotto è maggiore di quello della scoria e della ghisa combinati. Inoltre, questo gas viene generato continuamente per tutta la vita dell'altoforno.
Un terzo del gas prodotto viene riutilizzato direttamente dai cowper . Una cokeria integrata in un'acciaieria può consumare circa il 20% del gas prodotto dagli altiforni. Il resto viene valorizzato in altri forni siderurgici, oppure viene utilizzato per la produzione di energia elettrica , generalmente grazie ad una turbina a vapore alimentata da una caldaia (incontriamo anche motori a gas , turbine a combustione , o centrali a ciclo . combinate ). Opportunamente spolverato ed eventualmente arricchito da gas più energetici, la sua combustione libera solo pochi fumi e inquinanti, tranne una grande quantità di CO 2, un gas serra . Con la combustione del monossido di carbonio, si forma più anidride carbonica. Nel 2019, la produzione di acciaio è responsabile dal 7 al 9% delle emissioni globali di anidride carbonica. Una riduzione di questa emissione è possibile sostituendo il carbone con idrogeno, biomassa o rifiuti di plastica. Altre possibilità sono l'uso della cattura e dell'uso del carbonio o della tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio e l'uso di più materiali riciclati.
Altiforni non ferrosi e siderurgiciIl principio dell'altoforno, cioè la riduzione e la fusione in un recipiente mediante la combustione del carbonio, non è applicabile esclusivamente al ferro:
“I minerali di ferro ossidato non sono gli unici che possono essere ridotti nei forni a pozzo. Lo stesso principio di trattamento, come abbiamo già detto, è stato provato o applicato a un gran numero di metalli, con successo variabile. "
- E.-L. Grüner, Trattato di metallurgia
Il diagramma di Ellingham mostra infatti che molti ossidi metallici vengono ridotti a metallo dal monossido di carbonio a temperature più o meno elevate. Teoricamente possiamo così ottenere rame da -5 °C , nichel a 500 °C , cromo a 1441 °C , ecc.
Per altri metalli la temperatura di riduzione è eccessivamente alta: l' allumina si riduce così a 2315 °C . Si richiede inoltre che gli ossidi non evaporano quando raggiungono le temperature necessarie per la loro riduzione: il XIX ° secolo, l'ottenimento di zinco in altoforno è stato considerato impossibile, e quello del piombo difficile, a causa della bassa temperatura di vaporizzazione di alcuni dei loro ossidi.
Da queste osservazioni l'altoforno è stato a lungo utilizzato per la produzione di metalli, in particolare piombo, rame, nichel, ecc. Più raramente, con questo mezzo è stato prodotto anche lo zinco, così come il fosforo . In particolare, l'altoforno è particolarmente adatto alla produzione di ferroleghe : ferrosilicio , ferrocromo e soprattutto ferromanganese , sono facilmente ottenibili con questo mezzo.
La fabbricazione del ferrocromo nell'altoforno è scomparsa, essendo stata completamente surclassata dal processo del forno ad arco elettrico sviluppato da Paul Héroult intorno al 1900. Alla fine del XX ° secolo, la maggior parte di altri non ferrosi processi di produzione di metallo altoforno sono ancora soppiantato dal forno elettrico, meno capitali , più piccole e più flessibili. Molto diffusi furono gli altiforni al manganese, la cui pirometallurgia è vicina a quella del ferro: questi assicurarono la maggior parte della produzione di ferromanganese fino al 1975, anno in cui si era già affermato il forno elettrico per gli altri metalli. Nel 2011 l'altoforno è intervenuto solo per l'8% della produzione mondiale di ferromanganese. Questo metodo di produzione sopravvive principalmente in Cina (350.000 t/anno nel 2011) e Russia (160.000 t/anno nel 2011). I cinesi hanno anche sollevato la produzione di nickel ghisa grezza altoforno: scomparsi nel corso del XX ° secolo, è nel 2011 quasi il 5% della produzione di nichel globale.
Dal 1837 al 1986, cioè 150 anni, la produttività di un altoforno è stata moltiplicata per 1000. La resa dell'apparato, per quanto eccezionale, non cessa di migliorare: in Francia, la produzione di una tonnellata di colata necessitava di 3 tonnellate di carbone al XVI ° e XVII ° secolo, 1,5 tonnellate di carbone al XVIII ° secolo, 1 tonnellata di coke nel 1961. gli altiforni moderni sono contenuti, il XXI ° secolo, 240 kg di coke e 200 kg di carbone.
La corsa al gigantismo ha favorito e penalizzato l'altoforno. Secondo l' American Iron and Steel Institute : “Gli altiforni sopravviveranno nel prossimo millennio perché altiforni più grandi ed efficienti saranno in grado di produrre ghisa a costi competitivi con altre tecnologie. " Tuttavia, la loro importanza dovrebbe diminuire nei confronti dell'acciaio elettrico , possibilmente alimentata da processi di riduzione diretta . Nel 2012, il 30% dell'acciaio grezzo mondiale è stato prodotto in forni elettrici ad arco .
Più piccoli e più flessibili, tuttavia, i processi alternativi di riduzione diretta sono redditizi solo a determinate condizioni. Si giustificano non appena consideriamo l'altoforno come un semplice anello di collegamento in un complesso siderurgico: “bisogna pensare non solo all'altoforno, ma anche alla cokeria e all'agglomerato ad esso connesso. Oggi [inizi del XXI ° secolo], la costruzione di una cokeria è un impegno enorme se confrontato con la potenza di un forno ad arco . Gli insediamenti, che sono già una razza in pericolo [ sic ] in Nord America , sono anche un grosso problema quando si considerano i requisiti ambientali. "
Gli imperativi della flessibilità finanziaria e tecnica, uniti alle qualità intrinseche del processo di altoforno, hanno portato anche allo sviluppo dei moderni “mini altiforni” (anche a carbone). Questi rappresentavano, nel 1990, il 3,4% della produzione mondiale di ghisa (contro il 2,7% della riduzione diretta): si tratta quindi anche di utensili marginali, ma attentamente valutati dagli acciaieri.
Così, all'inizio del XXI E secolo, a dispetto degli annunci, i processi alternativi, in particolare della riduzione diretta, non ha sconvolto l'industria siderurgica . È stato stabilito un equilibrio tra l' acciaieria elettrica e l'industria della ghisa. Questa osservazione porta i ricercatori ad accettare di vedere, nell'altoforno, il principale processo, anche se in declino, della produzione di ghisa per i prossimi decenni. Il suo miglioramento deve poi tener conto:
Questi ultimi due punti sembrano particolarmente promettenti. Un vento composto da ossigeno puro, unito ad una forte iniezione di carbone negli ugelli trasformerebbe l'altoforno in un vero e proprio gassificatore . Ma la combustione del gas prodotto genera molta CO 2, un gas serra. Si potrebbe quindi privilegiare la riduzione ad idrogeno, rendendo redditizio il ritrattamento dei gas (grazie alla comparsa di moderni processi di adsorbimento per inversione di pressione o trattamento dei gas con ammine ), che aumenterebbero il consumo elettrico dell'intero processo.