Fisica delle particelle: come i pellet di minerali rimodellati rendono più efficiente l’altoforno
L’acciaio è un elemento essenziale del mondo moderno, ma ha un costo ambientale elevato: l’industria è responsabile di circa l’8 % delle emissioni annuali di gas serra in tutto il mondo. Molto di questo deriva dal funzionamento degli altiforni, un passaggio necessario per ottenere ghisa grezza. Un altoforno è in sostanza un reattore gigante, in cui vengono introdotti materiali granulari, come pellet di combustibile, minerali di ferro e calce. L’aria calda insufflata nella camera induce cambiamenti fisici e chimici in questi materiali, con conseguente produzione di ferro liquido. «Il modo in cui i materiali granulari vengono introdotti e distribuiti nell’altoforno influisce sull’efficienza dell’operazione in termini di consumo energetico e di emissioni di CO2», spiega Charley Wu, responsabile del progetto DECRON. Studiare esattamente la distribuzione, tuttavia, è estremamente difficile, in quanto la camera è rivestita di strati di mattoni termo-refrattari e funziona a circa 1 500 °C. «La progettazione degli altiforni non si è evoluta molto in 300 anni, ma poiché si tratta di un impianto così grande e complesso, non è possibile inserire al suo interno apparecchiature di prova sperimentale dettagliate», afferma il ricercatore Nicolin Govender. «È praticamente una scatola nera». Per risolvere questo problema, la coppia ha applicato una tecnica chiamata metodo degli elementi discreti (DEM) con particelle di forma irregolare su piattaforme di elaborazione grafica (graphics processing unit, GPU), che modellano il comportamento dei materiali granulari in modo digitale. Il DEM ha una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’edilizia, l’estrazione mineraria, l’agricoltura e persino i prodotti farmaceutici, dove aiuta a garantire che i farmaci siano miscelati in modo uniforme con i riempitivi prima di essere compressi in pillole. Presso l’Università del Surrey, Wu e Govender hanno esaminato come le dimensioni e la forma dei pellet utilizzati nella fusione influiscano sul modo in cui i gas caldi fluiscono attraverso la camera del reattore. «Negli altiforni, il materiale viene introdotto dall’alto e l’aria insufflata dal basso, quindi la carica di materiale granulare influenza il modo in cui il gas attraversa il materiale», spiega Wu. Il controllo della carica granulare e del flusso di questo gas caldo è la chiave per il buon funzionamento di un altoforno. «Abbiamo scoperto che molte delle approssimazioni che la gente usa sono eccessivamente semplificate, con risultati incoerenti nel prodotto finale», osserva Govender. Aggiunge che il lavoro ha anche identificato una serie di fattori significativi, come l’efficienza energetica, che potrebbero essere controllati cambiando la forma dei pellet. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie. «Il progetto è stato un successo e ha generato una serie di articoli scientifici, oltre a gettare le basi per altri che studiano il materiale granulare e la forma, nonché per gli operatori degli altiforni», ha sottolineato Govender. Tre di questi lavori sono tra le 10 opere più citate al mondo nel campo dell’ingegneria chimica. I produttori di metalli dell’UE subiscono una crescente pressione da parte degli operatori stranieri, che beneficiano di costi di manodopera più bassi e di standard ambientali meno rigorosi. Govender ha commentato che il progetto dimostra come le tecniche di modellizzazione computerizzata dell’efficienza possano potenzialmente rendere l’industria più redditizia, meno energivora e più verde, contribuendo a riportare la produzione di materie prime nel mercato dell’UE.
Parole chiave
DECRON, ferro, minerale, altoforno, forno, verde, GPU, DEM, acciaio, CO2, granulare, fusione
