Domna to piec do wytopu żelaza

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Do wytopu żelaza w nowoczesnym przemyśle metalurgicznym stosuje się wielki piec. Jest to piec szybowy, który nie jest zbyt skomplikowaną konstrukcją, ale wygląda imponująco. Aby doprowadzić produkcję żelaza do perfekcji, ludzkość musiała zgromadzić stulecia doświadczenia.

Częściowo wyjaśnia, czym jest wielki piec, starosłowiański korzeń jego nazwy. „Dmit” oznacza dmuchanie.

Przodkowie wielkich pieców - shukofen

W średniowieczu ludzie potrzebowali różnych metali. Broń i narzędzia były wykonane ze stali, elastycznej i twardej, a zwykłe żelazo używano do sprzętu domowego. Wielkie piece serowe były wykorzystywane do pozyskiwania pożądanego metalu od bardzo dawna, przez tysiąclecia iw pełni zaspokajały potrzeby, aż do wyczerpania zapasów rud niskotopliwych. Wysoką temperaturę osiągnięto poprzez zwiększenie wysokości (w ten sposób wzrastał ciąg), powietrze było również pompowane mieszkami ręcznymi. Jednak z czasem Europejczycy musieli przestawić się na surowce niższej jakości, co stanowiło zachętę do postępu. Shtukofen stał się wynalazkiem, po którym pojawił się pierwszy wielki piec. Był to piec typu zamkniętego, który działał zgodnie zpewien cykl. Trzeba było załadować do niej rudę, węgiel, następnie nastąpiło ogrzewanie z nadmuchem (nie było wystarczającego wysiłku ręcznego, więc zastosowano napęd z kół wodnych), po czym trzeba było czekać na schłodzenie i wydobyć metal, oddzielając to z kamienia i innych nieodpowiednich produktów ubocznych zwanych kritz. Główną zaletą shtukofenu była najlepsza koncentracja energii cieplnej ze względu na zamkniętą objętość podczas cyklu roboczego, ze względu na zmniejszenie jego wycieku do atmosfery.

Cywilizacja żeliwna

Głównym problemem średniowiecznych metalurgów w XIII wieku była nietopliwość żelaza. Gdy w shtukofen otrzymywano żeliwo (czyli stop żelazo-węgiel o zawartości węgla 1,7% i więcej), byli zaskoczeni jego niską temperaturą topnienia, ale nie byli zachwyceni. Powstały metal był łatwiejszy do zdobycia niż stal, a tym bardziej żelazo, ale jego właściwości mechaniczne z punktu widzenia ówczesnych konsumentów pozostawiały wiele do życzenia: był zbyt kruchy i niewystarczająco mocny. Jednak w ciągu zaledwie dwóch stuleci zmienił się stosunek do żeliwa. Po pierwsze okazało się, że wyjęcie go z pieca to prosta sprawa, można go po prostu odsączyć w postaci stopionej. Po drugie, metal ten znalazł jednak swoje zastosowanie i jest bardzo różnorodny. I po trzecie, był to surowiec do dalszego oczyszczania z nadmiaru węgla, z którego znacznie łatwiej pozyskać stal niż z rudy. Tak więc po stuleciach eksperymentów znaleziono najbardziej wydajną technologię metalurgiczną i wynaleziono wielki piec. Piekarnik w westfalskim mieście Siegerland (druga połowa XVwieku) mógł pracować w cyklu ciągłym przez kilka lat, produkując dziennie ponad półtorej tony surówki. Wtedy było dużo.

Budowa wielkiego pieca

Tylko będąc blisko tego gigantycznego pieca, można zrozumieć, jak duży jest współczesny wielki piec. Zdjęcia dają wyobrażenie o jej cyklopowych rozmiarach tylko wtedy, gdy pokazują osobę, która wydaje się tak mała jak mrówka. Jednak pomimo imponującego wyglądu, zasada działania pozostała ta sama, średniowieczna. Projekt obejmuje pięć głównych węzłów. Górny, górny, przeznaczony jest do załadunku surowców i równomiernego ich rozprowadzania wewnątrz pieca. Poniżej znajduje się fragment o kształcie stożka, w którym następuje nagrzewanie i proces redukcji (o tym później). Trzecia jednostka od góry to para, w której topi się żelazo. Następnie kolejną stożkową częścią, tym razem zwężającą się ku dołowi, są barki, w których z koksu uwalniany jest tlenek węgla (gaz redukujący). A na samym dole znajduje się kuźnia, z której wydobywa się gotowy produkt i odpady produkcyjne.

Chemia procesowa

Procesy chemiczne są utleniające i redukcyjne. Pierwszy oznacza połączenie z tlenem, drugi przeciwnie, jego odrzucenie. Ruda jest tlenkiem, a aby uzyskać żelazo, potrzebny jest pewien odczynnik, który może „wybrać” dodatkowe atomy. Najważniejszą rolę w tym procesie odgrywa koks, który podczas spalania uwalnia dużą ilość ciepła oraz dwutlenek węgla, który pod wpływem wysokiej temperatury rozkłada się chemicznie na tleneksubstancja aktywna i niestabilna. CO ma tendencję do ponownego przekształcania się w dwutlenek i spotykając się z cząsteczkami rudy (Fe₂O_{3), „zabiera” z nich cały tlen, pozostawiając tylko żelazo. W surowcach znajdują się oczywiście inne, niepotrzebne substancje, które tworzą produkt odpadowy zwany żużlem. Tak działa wielki piec. Jest to z chemicznego punktu widzenia dość prosta reakcja redukcji, której towarzyszy zużycie ciepła.}

Jak wygląda nowoczesny wielki piec?

Żywotność wielkiego pieca jest stosunkowo krótka jak na obiekt tej wielkości - około dekady. W tym czasie konstrukcja poddawana jest dużym obciążeniom, pogarszanym przez nagrzewanie termiczne, wówczas wymagany jest gruntowny remont lub rozbiórka. Produkcji żelaza nie można nazwać nieszkodliwą, wiąże się ona z emisją do atmosfery fosforu, siarki i innych mało użytecznych substancji. Łącznie te okoliczności skłaniają wiele krajów do ograniczania produkcji metalurgicznej lub jej modernizacji (zwłaszcza jeśli przemysł jest podstawowy i budżetowy). Nowoczesny wielki piec to w zasadzie dość prosty system, który jednak wymaga złożonego schematu sterowania z licznymi pętlami sterowania, które zapewniają najbardziej efektywne zużycie surowców i zasobów energii.