ETD

• Altoforno-BF
• Convertitore-BOF
• Decarbonizzazione

L'industria siderurgica rappresenta uno dei pilastri fondamentali dello sviluppo socio-economico globale, ma si configura parallelamente come uno dei settori con il maggiore impatto ambientale. Attualmente, la stragrande maggioranza dell'acciaio è prodotta tramite il tradizionale "ciclo integrale", un processo storicamente ottimizzato ma fortemente dipendente dal carbone fossile, impiegato sia come vettore energetico sia come agente riducente. Il cuore di questa configurazione è costituito da due unità reattive primarie: l'Altoforno (Blast Furnace - BF), all'interno del quale avviene la fusione e la riduzione del minerale di ferro in ghisa liquida, e il Convertitore ad Ossigeno (Basic Oxygen Furnace - BOF), deputato alla violenta affinazione della ghisa in acciaio grezzo. Di fronte all'urgenza della transizione ecologica, è necessario sviluppare nuove strategie operative (come l'iniezione di vettori riducenti a basso impatto) e adottare architetture di processo alternative.

Il presente lavoro di tesi si propone di sviluppare e validare strumenti computazionali avanzati per la modellazione dell'Altoforno e del Convertitore. Abbandonando la logica del procedere per tentativi empirici – impraticabile a livello industriale per via degli altissimi rischi economici e operativi – la ricerca si focalizza sulla simulazione ingegneristica per quantificare preventivamente l'impatto termodinamico, massico ed emissivo delle pratiche di decarbonizzazione.

La prima fase riguarda la modellazione stazionaria dell'Altoforno. Essendo un reattore a marcia continua caratterizzato da complessi scambi in controcorrente, l'analisi preliminare è stata condotta adottando la metodologia analitica del Diagramma di Rist. Questo approccio ha consentito di accoppiare la stechiometria delle reazioni di riduzione con i vincoli del bilancio energetico globale. Attraverso lo sviluppo di un calcolatore dedicato in ambiente Excel e l'utilizzo di una carica nominale derivata da rigorosi casi studio di letteratura (comprendente minerale, coke e carbone polverizzato PCI), è stata tracciata la "retta operativa" del reattore. La risoluzione dei bilanci ha fornito output cruciali come il consumo specifico di coke, la temperatura adiabatica di fiamma alla tubiera (RAFT) e la composizione dei gas di scarico (BFG).
I target operativi e termodinamici ottenuti per via analitica hanno costituito i vincoli di progetto (setpoint) per la successiva implementazione del modello "flowsheet" all'interno del simulatore di processo Aspen Plus. Per catturare i gradienti termochimici del reattore, l'Altoforno è stato ingegnerizzato secondo una logica modulare sequenziale, discretizzando il volume in cinque stadi fenomenologici: Upper Furnace, Thermal Reserve, Lower Furnace, Raceway ed Hearth. A causa della natura complessa delle cariche siderurgiche, è stato adottato il pacchetto termodinamico "SOLIDS". Le correnti di combustibile non convenzionale (coke e PCI) sono state gestite mediante blocchi di decomposizione termica (RYield) accoppiati a routine algoritmiche in linguaggio Fortran, capaci di tradurre dinamicamente le analisi elementari e prossime dei solidi nei corrispondenti costituenti molecolari. Un elemento chiave del flowsheet è stata l'implementazione di cicli di calcolo iterativi (Design Specifications) che forzano il simulatore a rispettare vincoli empirici fondamentali, come la percentuale di saturazione di carbonio nella ghisa o la ripartizione del silicio. La validazione della Baseline ha evidenziato un'eccellente convergenza tra le risposte del simulatore e l'impalcatura teorica di Rist.

Parallelamente, la ricerca si è concentrata sulla modellazione del Convertitore ad Ossigeno (BOF). Dato che il BOF opera in modalità "batch" producendo transienti termici e chimici repentini e violenti, i classici approcci stazionari sono risultati inadeguati. È stato quindi sviluppato integralmente in linguaggio Python un modello dinamico a parametri concentrati, basato su un sistema di Equazioni Differenziali Ordinarie (ODE). Il volume del reattore è stato disaccoppiato in tre macro-regioni strettamente interagenti: la Zona d'Impatto (Cavity Zone), dove il getto supersonico innesca l'ossidazione diretta; la Zona di Emulsione (Slag-Metal-Gas), il vero "motore chimico" del reattore dove avviene la decarburazione indiretta; e il Bagno Metallico, approssimato come un reattore a miscelazione perfetta (CSTR). Il codice integra raffinati sottomodelli fenomenologici che descrivono l'evoluzione del cratere di impatto, il tasso di generazione delle micro-gocce metalliche (droplets), le cinetiche competitive di ossidazione di silicio, carbonio, manganese e fosforo, nonché i processi di fusione del rottame solido (scrap) e dissoluzione dei flussanti basici (calce e dolomite).

In sintesi, il lavoro di tesi fornisce uno strumento ingegneristico completo e flessibile per la simulazione del ciclo siderurgico. L'accoppiamento tra il rigore analitico di Rist, le potenzialità di bilancio flowsheet di Aspen Plus e l'integrazione differenziale in Python per i transienti del BOF, si dimostra fondamentale per guidare efficacemente il revamping impiantistico e valutare quantitativamente i benefici ambientali associati alle future strategie di decarbonizzazione industriale.