Domna je pec na tavenie železa

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Na tavenie železa v modernom metalurgickom priemysle sa používa vysoká pec. Ide o šachtovú pec, ktorá nie je veľmi zložitou konštrukciou, ktorá však pôsobí efektne. Aby ľudstvo priviedlo výrobu železa k dokonalosti, muselo nazbierať stáročné skúsenosti.

Čiastočne vysvetľuje, čo je vysoká pec, staroslovanský koreň jej názvu. „Dmit“znamená fúkať.

Predkovia vysokých pecí - shukofen

V stredoveku ľudia potrebovali rôzne kovy. Zbrane a nástroje sa vyrábali z ocele, ohybné a tvrdé, na domáce potreby sa používalo obyčajné železo. Syrové vysoké pece sa na získanie požadovaného kovu používali veľmi dlho, po tisícročia, a plne uspokojovali potreby až do vyčerpania zásob rúd s nízkou teplotou topenia. Zväčšením výšky sa dosahovala vysoká teplota (takto sa zvýšil ťah), vzduch sa pumpoval aj ručnými mechmi. Postupom času však Európania museli prejsť na menej kvalitné suroviny, ktoré slúžili ako stimul k pokroku. Shtukofen sa stal vynálezom, po ktorom sa objavila prvá vysoká pec. Išlo o pec uzavretého typu, ktorá fungovala podľaurčitý cyklus. Bolo potrebné naložiť do nej rudu, uhlie, následne prebehol ohrev s fúkaním (manuálna námaha nebola dostatočná, preto sa použil pohon z vodných kolies), po ktorom bolo potrebné počkať na vychladnutie a extrahovať kov, oddeľovať z vodného kameňa a iných nevhodných vedľajších produktov nazývaných kritz. Hlavnou výhodou shtukofenu bola najlepšia koncentrácia tepelnej energie vďaka uzavretému objemu počas pracovného cyklu, kvôli zníženiu jej úniku do atmosféry.

Liatinová civilizácia

Hlavným problémom stredovekých metalurgov v 13. storočí bola vylúhovateľnosť železa. Keď sa v shtukofene získala liatina (teda zliatina železo-uhlík s koncentráciou uhlíka 1,7 % a vyššou), boli prekvapení jej nízkou teplotou topenia, no nepotešili ich. Výsledný kov sa dal získať ľahšie ako oceľ a ešte viac železo, ale jeho mechanické vlastnosti z pohľadu vtedajších spotrebiteľov zostali príliš málo požadované: bol príliš krehký a málo pevný. Len za dve storočia sa však postoj k liatine zmenil. Po prvé, ukázalo sa, že je jednoduché ho vybrať z pece, mohol sa jednoducho vypustiť v roztavenej forme. Po druhé, tento kov napriek tomu našiel svoje uplatnenie a je veľmi rôznorodý. A do tretice to bola surovina na ďalšie čistenie od prebytočného uhlíka a ukázalo sa, že z nej je oveľa jednoduchšie získať oceľ ako z rudy. Takže po stáročiach experimentov bola nájdená najproduktívnejšia metalurgická technológia a bola vynájdená vysoká pec. Pec vo vestfálskom meste Siegerland (druhá polovica 15storočia) mohol pracovať s nepretržitým cyklom niekoľko rokov a denne produkovať viac ako jeden a pol tony surového železa. Vtedy toho bolo veľa.

Stavba vysokej pece

Len tým, že budete blízko tejto obrovskej pece, pochopíte, aká veľká je moderná vysoká pec. Fotografie dávajú predstavu o jej kyklopskej veľkosti iba vtedy, keď zobrazujú osobu, ktorá sa zdá byť taká malá ako mravec. Napriek pôsobivému vzhľadu však zostal princíp fungovania rovnaký, stredoveký. Návrh obsahuje päť hlavných uzlov. Horná, horná, je určená na nakladanie surovín a ich rovnomernú distribúciu vo vnútri pece. Pod ním je časť kužeľovitého tvaru, v ktorej prebieha zahrievanie a proces redukcie (o tom neskôr). Tretia jednotka zhora sa nazýva para, kde sa taví železo. Potom ďalšou kužeľovou časťou, tentoraz smerom dole sa zužujúcou, sú ramená, v ktorých sa z koksu uvoľňuje oxid uhoľnatý (redukčný plyn). A úplne dole je kováčska dielňa, z ktorej sa získava hotový výrobok a výrobný odpad.

Procesná chémia

Chemické procesy sú oxidačné a redukčné. Prvý znamená spojenie s kyslíkom, druhý, naopak, jeho odmietnutie. Ruda je oxid a na získanie železa je potrebné určité činidlo, ktoré dokáže „vybrať“ďalšie atómy. Najdôležitejšiu úlohu v tomto procese zohráva koks, ktorý pri spaľovaní uvoľňuje veľké množstvo tepla a oxidu uhličitého, ktorý sa pri vysokej teplote rozkladá na oxid monoxid, chemickyaktívna a nestabilná látka. CO má tendenciu stať sa opäť oxidom a pri stretnutí s molekulami rudy (Fe₂O_{3) z nich „odoberá“všetok kyslík a opúšťa iba železo. V surovinách sú samozrejme ďalšie látky, nepotrebné, ktoré tvoria odpadový produkt nazývaný škvara. Takto funguje vysoká pec. Ide z hľadiska chémie o celkom jednoduchú redukčnú reakciu sprevádzanú spotrebou tepla.}

Aká je moderná vysoká pec?

Životnosť vysokej pece je na zariadenie takéhoto rozsahu relatívne krátka – približne desaťročie. Počas tejto doby je konštrukcia vystavená veľkému zaťaženiu, ktoré sa zhoršuje tepelným ohrevom, potom je potrebná generálna oprava alebo demolácia. Výrobu železa nemožno nazvať neškodnou, je spojená s emisiami fosforu, síry a iných nie príliš užitočných látok do atmosféry. Celkovo tieto okolnosti povzbudzujú mnohé krajiny, aby obmedzili hutnícku výrobu alebo ju modernizovali (najmä ak ide o základné odvetvie, ktoré tvorí rozpočet). Moderná vysoká pec je v princípe pomerne jednoduchý systém, ktorý si však vyžaduje komplexnú riadiacu schému s početnými regulačnými slučkami, ktoré zabezpečia čo najefektívnejšiu spotrebu surovín a energetických zdrojov.