Con la definizione di elettrotermia industriale si intende un insieme di tecnologie elettriche attraverso le quali è possibile svolgere processi industriali al fine di ottenere o di trasformare prodotti appartenenti ai più svariati settori merceologici
Tutte le tecnologie si basano su una trasformazione dell’energia elettrica in calore da utilizzare nel processo industriale sfruttando principi di funzionamento anche molto diversi, e precisamente:
• l’arco elettrico;
• il riscaldamento a resistenza;
• le perdite dielettriche;
• le microonde;
• i raggi infrarossi;
• il plasma;
• il laser.
La nascita dell’elettrotermia si colloca alla fine dell’800 grazie all’arco elettrico di potenza utilizzato per la produzione degli acciai a basso tenore di carbonio ottenuti da fusione dei rottami di ferro.
Per la prima volta si utilizzava l’arco elettrico per ottenere, senza la fiamma, le alte temperature necessarie per ottenere i necessari passaggi di stato della massa ferrosa.
Nel corso degli anni, questa tecnica è stata migliorata e sviluppata permettendo enormi progressi nel campo della siderurgia al fine di ottenere prodotti in acciaio e altre leghe con caratteristiche tecnologiche idonee ad applicazioni un tempo impensabili.
Nei primi decenni del ‘900 iniziarono applicazioni di fusione per realizzare acciai basandosi sul principio dell’induzione magnetica.
Il rottame di ferro viene posto all’interno di un campo magnetico variabile creato da una bobina e l’effetto è quello di creare all’interno del rottame delle correnti parassite che scaldano e fondono la massa interessata.
Dal punto di vista concettuale il principio su cui si basa il metodo di riscaldamento è innovativo poiché la sorgente di calore non è posta all’esterno della massa da fondere (come avviene nei processi termici tradizionali dove il calore passa da una sorgente a temperatura più elevata alla massa da riscaldare), ma viene creata direttamente all’interno del corpo da riscaldare dal flusso del campo magnetico che la attraversa.
Anche le più recenti tecnologie in cui si utilizzano campi elettrici e magnetici ad alta frequenza (radiofrequenza e microonde fino a 300 GHz) hanno la particolarità di agire sui materiali che hanno determinate caratteristiche fisiche e chimiche attivando a livello atomico correnti di spostamento e di conduzione (polarizzazione dipolare e ionica) che riscaldano all’interno.
Tra i processi elettrotermici applicati nell’industria rientrano quelli in cui vi è un generatore di energia che trasmette il calore all’oggetto da riscaldare tramite un fascio di radiazioni luminose nel campo dell’infrarosso, del visibile e dell’ultra violetto, oppure di luce monocromatica (laser), oppure per contatto con un gas ionizzato ad altissima temperatura, denominato appunto plasma.
Infine, si definiscono processi elettrotermici anche quelli dei forni elettrici tradizionali a resistenza dove il meccanismo di riscaldamento può essere diretto, ovvero dove la corrente attraversa direttamente la massa da trattare, oppure indiretto, ovvero senza circolazione di corrente nel materiale da trattare, dove il calore si trasmette alla massa da riscaldare secondo il classico principio di trasmissione basato su irraggiamento, conduzione e convezione, avvalendosi anche di un fluido intermedio che può essere nella sua forma più semplice aria.
Le tecnologie elettrotermiche basate sui forni elettrici sono quelle meno sofisticate, ma anche quelle più numerose nei processi industriali a bassa e media temperatura (sotto i
Vantaggi delle tecnologie elettrotermiche
Dopo circa un secolo di sviluppi scientifici e tecnologici estremamente rilevanti, attualmente l’elettrotermia occupa un posto di rilievo nell’industria e si ritiene che la diffusione continuerà in modo anche più rapido che in passato soprattutto per le applicazioni basate sull’induzione, sulle microonde, il laser e il plasma.
Il mercato riconosce che le apparecchiature elettrotermiche offrono eccellenti opportunità per aumentare la produttività, l’efficienza energetica e la competitività.
Naturalmente l’efficienza energetica dello specifico processo deve essere valutata caso per caso ma per molti processi elettrotermici alcune tecnologie (arco elettrico, induzione, riscaldamento diretto a resistenza, microonde, ecc.) permettono uno sfruttamento integrale del calore senza perdite ovvero senza il passaggio da una sorgente a temperatura più alta ad una più bassa secondo le leggi della termodinamica classica; il calore viene generato
all’interno della massa da trattare o in uno strato superficiale e quindi in molti casi è possibile attuare un risparmio energetico della fonte primaria anche mettendo in conto che l’energia elettrica viene ottenuta dalla fonte primaria con il ben noto rendimento di conversione.
Oltre ai possibili vantaggi energetici occorre anche tener presente che vi sono notevoli vantaggi ambientali perchè durante i processi elettrotermici non vi sono emissioni nocive di ossidi di azoto, zolfo o anidride carbonica se non quelle che derivano dalle stesse sostanze trattate a seguito di inevitabili reazioni chimiche.
I processi realizzati per via elettrica offrono ulteriori vantaggi rispetto quelli realizzati con riscaldamenti convenzionali tramite combustibili fossili:
• riscaldamento rapido e uniforme, controllo accurato della temperatura, possibilità di eseguire operazioni di accensione e spegnimento pressoché istantanee;
• ottima qualità dei prodotti finali;
• possibilità di creare prodotti nuovi specie nel settore della chimica e dell’elettronica difficilmente realizzabili con le tecniche di riscaldamento convenzionali;
• elevata producibilità e riduzione dei costi di produzione;
• affidabilità dei processi di produzione, controllo e monitoraggio semplificato;
• possibilità di automazione delle linee di produzione e realizzazione di processi industrializzati anche su piccola scala;
• condizioni di lavoro sicure per gli addetti.
Si ricorda infine che le tecnologie elettrotermiche costituiscono una parte rilevante dei consumi elettrici totali: si stima che in alcuni paesi dove tradizionalmente si utilizza principalmente l’energia elettrica nei processi industriali l’elettrotermia impegni una percentuale di consumo compresa tra il 20% e il 30% dei consumi totali. Per l’Italia, ove sono prevalenti i processi termici industriali basati sull’utilizzo dei combustibili fossili e del metano, la stima è inferiore (intorno al 10%). Inoltre, una buona parte dell’energia elettrica consumata è consegnata agli utilizzatori in alta e media tensione.
Principali aspetti normativi
La peculiarità delle applicazioni elettrotermiche per la siderurgia elettrica aveva richiesto la costituzione già alla fine degli anni ‘30 di un comitato di normazione internazionale nell’ambito della IEC allo scopo di stabilire norme internazionali atte a garantire sicurezza agli operatori e prestazioni efficaci agli utilizzatori degli apparati allora prevalentemente in uso ovvero forni ad arco, ad induzione e a resistenza.
Alla fine degli anni ‘50 anche in Italia, data la rilevanza industriale della siderurgia elettrica, fu costituito il Comitato Tecnico CEI 27 “Elettrotermia”, “specchio” del comitato internazionale IEC.
Attualmente sono in vigore 24 norme in lingua italiana ed inglese pubblicate dal CEI come normativa europea EN. Più precisamente vi sono due norme,
E’ importante sottolineare che oltre alla normativa di sicurezza relativa agli aspetti tipicamente elettrotecnici degli apparati trattata dal CT CEI 27 entra in gioco tutta la normativa relativa alle problematiche dell’esposizione umana ai campi elettromagnetici.
Come si è accennato per gran parte degli apparati elettrotermici il principio di funzionamento è basato sull’utilizzo di campi elettromagnetici anche molto intensi con frequenze (a seconda del tipo di apparato) che va da 0 Hz a 300 GHz.
I campi non sempre possono essere completamente confinati all’interno degli involucri metallici degli apparati e pertanto espongono gli operatori a “dosi” di esposizione che non devono superare limiti prestabiliti.
Le regole tecniche che stabiliscono i criteri di sicurezza sono contenute nelle guide ICNIRP e in Italia è stata data attuazione alla direttiva europea 2004/40/EC includendo l’argomento della protezione dei lavoratori dai campi elettromagnetici nel Testo Unico sulla sicurezza (D.Lgs. 81/2008).
Per effettuare le misure dei campi elettromagnetici in ambito industriale sono disponibili le Norme CEI 211-6 e CEI 211-7.
Attività di divulgazione del CEI
Il settore dell’elettrotermia è molto vasto e complesso e si basa su tecnologie elettriche la cui comprensione richiede conoscenze molto avanzate a livello elettrotecnico, termotecnico e di scienza dei materiali.
Per tale motivo il CEI, che ha tra i suoi compiti istituzionali quello di divulgare gli aspetti salienti delle normative applicabili sia ai prodotti sia all’impiantistica elettrica, ha organizzato due seminari a carattere divulgativo sull’argomento “Elettrotermia”, il primo nel novembre del 2006 presso il Politecnico di Milano ed il secondo nel marzo 2009 presso l’Università di Modena e Reggio. L’elevata partecipazione ai seminari ha suggerito di dare seguito all’iniziativa con una opportuna periodicità.
Concludendo, le applicazioni elettrotermiche occupano un posto di rilievo tra i processi industriali ed è prevedibile che nell’immediato futuro il loro utilizzo cresca sensibilmente in virtù del fatto che è possibile ottenere prodotti con caratteristiche nuove ed innovative e comunque di qualità elevata e controllata.
Il Comitato IEC
Fonte: ceimagazine