Vysoká pec je průmyslové instalace určené k současnému deoxidace a tavení kovů obsažených v rudě , u spalování pevného paliva bohatého na uhlík . Vysoká pec obvykle transformuje železnou rudu na roztavenou litinu a spaluje koks, který slouží jako palivo i jako redukční činidlo . I když je litina vyrábí je materiál, sama o sobě, to slitina je obecně určen pro rafinovaný vocelárny .
Vysoká pec vyrábí surové železo taveniny , na rozdíl od spodní části pece , který produkuje čočku z železa pevná látka. Jedná se však o přímý vývoj, ale rozšířil se až poté, co jsme věděli, jak zvýšit hodnotu vyrobené litiny. Tak, Čína vyvíjí ze jsem st století využívání vysoké pece podél slévárně . West ji přijme po XII -tého století, s rozvojem rafinačních metod litinovou přírodního oceli . Právě tam se vyvinul do své současné podoby, přičemž k první průmyslové revoluci přispělo rozsáhlé používání koksu a předehřívání spalovacího vzduchu .
Vysoká pec, která se stala obrovským nástrojem, aniž by se změnil její základní princip, je nyní souborem zařízení spojených s pecí. Přes stáří principu zůstává celek nesmírně složitým a obtížně zvládnutelným nástrojem. Jeho tepelná účinnost a chemická výjimečné mu umožnila přežít až do začátku XXI th století, technické změny, které byly označeny v historii výroby oceli .
Ať už je to „katedrála ohně“ nebo „žaludek“, vysoká pec je také symbolem, který často shrnuje komplex železa a oceli . Přesto je to jen jeden odkaz: nachází se v samém srdci procesu výroby oceli a musí být spojen s koksovnou , aglomeračním závodem a ocelárnou , které jsou přinejmenším stejně složité a nákladné. Stále se však nepředpokládá zánik těchto továren, pravidelně ohlašovaný s ohledem na pokrok elektrických oceláren a přímou redukci .
Z pohledu lexikonu historie slova svým způsobem předchází historii objektu. Jsme opravdu „vysokou pec“ setkání na XV th století, ale až do XIX th století, toto jméno pravidelně spolu s dalšími názvy jako „pec“, „tavicí pece“, „tavící pec“, „velké pece“, „High kamna“ , atd. Všechna tato jména označují odlévací pec na rozdíl od pece se zvětšovacím sklem . Výšky, které se pohybují od 5 do 20 metrů, však jméno neurčují. V průzkumech je mnoho pecí skutečně vyšších než vysoké pece . To nebylo až do poloviny XIX th století, objekt se připojí k názvu. Jako Roland Eluerd píše : „leštěná čtyři staletí dějin, název vysoké pece by se mohla stát čistým symbolem modernosti, to vynikající dárek od minulosti ve slovníku ocelového průmyslu, kde je pec, zvýší na více než čtyřiceti metrů, platí signál společnosti, by se nepochybně stal vysokou pecí. "
Francouzi tak odpovídají označení Hochofen z Francique . Naopak anglické slovo vysoká pec označuje základní charakteristiku vysoké pece, nucené vstřikování spalovacího vzduchu, „vítr“.
Prvním nástrojem pro redukci rudy byla vysoká pec . Ve své nejprimitivnější podobě, zvané „nízké ohniště“, je to díra v zemi o průměru asi 30 cm , naplněná dřevěným uhlím a rudou. Oheň je obvykle podporován měchy konstruovanými jako přídavek kůže. Na konci deseti hodin člověk zbourá pec a získá zpět žárovkové zvětšovací sklo o velikosti první, heterogenní směsi železa víceméně redukované a strusky. I když teplota dosáhla mezi 700 a 900 ° C , to je dostatečné pro redukci železné rudy, to je daleko od teploty tání železa, 1535 ° C .
Vývoj směrem ke „klasické“ spodní peci spočívá ve zvednutí konstrukce a poskytnutí bočního otvoru v její základně, aby se usnadnil přívod vzduchu. Krátký komín usnadňuje doplňování pece během provozu a současně aktivuje tah. Tím se dosáhne teploty 1 000 až 1 200 ° C a struska, která se stala kapalinou, může být odsávána otvorem.
Obsah železa v této strusce, zvané struska , klesá s rostoucí teplotou. Oheň je pak přikládán zesílením přirozeného tahu zvýšením výšky opřením například konstrukce o svah. Podobně vlnovce umožňují účinnější a lépe řízený přívod vzduchu. Tato kamna na „přirozený tah“ a „měch“ vytvářejí na konci kampaně trvající 4 až 20 hodin zvětšovací sklo o hmotnosti od několika kilogramů do několika metrických centů . Tato lupa je okamžitě očištěna od kusů uhlí a strusky střídáním bičování s několika ohřátím a nakonec kována, aby získala požadované předměty. V západní Evropě , zařízení a přilehlých kovárnách, říkají „liščí farmy“ zůstávají rozšířená až do XVIII -tého století. Poté zaměstnávali 5 až 10 mužů, kapacita tehdejších vysokých pecí se pohybovala kolem 60 až 120 t ročně a spotřebovali 270 kg dřevěného uhlí na 100 kg železa.
Japonsko dováží dna pece kontinentu do VIII th století. Tato technika je dokonalá, až končí na XV -tého století, v Tatara . Konfigurace pece se mění v závislosti na požadovaném produktu: tatarky vysoké od 0,9 do 1,2 m jsou určeny pro výrobu oceli; nad 1,2 m vyrábějí bílou litinu, která se z pece extrahuje až po jejím ztuhnutí. Nízká propustnost použitých železitých písků omezuje výšku na 1,6 m , a proto blokuje pohyb směrem k vysoké peci. Používá se až do počátku XX th století, Tatara , ve své konečné podobě, je vytrvalá průmyslová struktura věnován na provoz pece ve tvaru vanu a produkovat několik tun kovu v průběhu kampaně asi 70 hodin, ke kterému je třeba přidat konstrukci pece.
V Africe jsou nejstaršími stopami železných a ocelových pecí železné a uhlíkové vývary objevené v Núbii (zejména v Meroe ) a v Aksumu , datované do období 1000 - 500 př. AD . Nízké přirozeným tahem kamna jsou používány na tomto kontinentu až do počátku XX -tého století. Některé s výškou 1 až 3 m jsou postaveny v termitových kopečcích vhodně vyhloubených a ve kterých je postavena hliněná pec. Z trysek keramické vložené na dně pece umožňují dostatečný přísun vzduchu. Asi po dvaceti hodinách sklidíme lupu o velikosti fotbalového míče. Tyto vysoké pece, typické pro zemi Bassar v Togu , využívají velmi čistou rudu Bandjéli .
Číňané začínají roztavit železo ze V th století před naším letopočtem. BC během období válčících států , během kterého zemědělské nářadí a zbraně podle tavení stal převládající, zatímco zakladatelé III th století před naším letopočtem. AD zaměstnávají týmy více než dvou set mužů.
Železo získané ze zvětšovacího skla získaného ve vysoké peci se potom taví v pecích podobných kuplovnám . Když však horké železo přijde do styku s dřevěným uhlím, absorbuje uhlík obsažený v palivu, dokud se nenasytí. Potom se získá litina, která se snáze taví než železo, homogenní a zbavená nečistot přítomných ve zvětšovacím skle. Číňané vyvinuli vývoj všech sloučenin železa: kromě rafinace a mazéage litiny, se vyrábí v I prvním století před naším letopočtem. AD z oceli smícháním železa a litiny.
V roce 31 n. L AD , čínská Du Shi zlepšuje ventilaci pomocí hydraulické síly k pohybu měchů. Spalování je silnější a první vysoké pece, které produkují železo přímo z rudy, se objevil v Číně v I prvním století, v době dynastie Han . Tyto primitivní vysoké pece jsou postaveny z hlíny a použít přísadu, „černá země“ obsahující fosfor (možná vivianit ) jako tavidla . Vylepšení Du Shi také umožňuje, aby spalovací vzduch procházel větším zatížením a pece pak dosáhly impozantních rozměrů: pozůstatky oválného kelímku o rozměrech 2,8 × 4 m umístěné na zemské základně o rozměrech 12 × 18 m , se zbytky byly nalezeny periferní instalace (kanál, zvedací mechanismus rud, vlnovce atd. ). Toto zvětšení velikosti, charakteristické pro „vysokou“ pec, přispívá k dosažení vyšší teploty.
Během dynastie Han se technika vyvinula, železářský průmysl byl dokonce znárodněn . Použití vysokých pecí a kupolových pecí zůstalo rozšířené během dynastií Tang a Song . Ve IV -tého století, čínský zelezarstvi omezuje odlesňování přijetím uhlí tavit železo a ocel. Pokud však vyvinuté procesy zaručují absenci kontaminace kovu sírou obsaženou v uhlí, nejsou žádné stopy po kombinovaném použití uhlí s vysokou pecí. Opravdu, pouze dřevěné uhlí má kvalitu slučitelnou s použitím ve vysoké peci, protože musí být v kontaktu s rudou, aby mohlo hrát svou roli redukčního činidla.
V XIX th století, tyto pece mají tvar obráceného komolého kužele, 2 m vysoká, má vnitřní průměr 1,2 až 0,6 vyvíjející m od vrcholu k základně. Stěny jsou z hlíny a vyztuženy železnou mřížovinou. Výheň lze naklonit přibližně 30 ° pro pohodlnější sběr litiny. Je naplněna limonitovou nebo uhelnou železnou rudou a v závislosti na konstrukci dřevěným uhlím nebo koksem. Vítr je vstřikován pístovým dmychadlem . Takové zařízení pak produkuje 450 až 650 kg litiny denně, se spotřebou 100 kg koksu na 100 kg vyrobeného železa.
Tato technologie nemizí na začátku XX th století. Kolem roku 1900 lze podobnou vysokou pec nalézt v Bulacan na Filipínách . Ještě později je „vysoká pec na dvoře“, kterou obhajoval Mao Ce-tung během Velkého skoku vpřed, tohoto typu. Zkušeností je technická porucha pouze v regionech, kde know-how neexistuje nebo zmizelo.
V EvropěPec je nízká v celém středověku , kočovná proces, který staví v závislosti na rudy výchozy a dostupnosti pohonných hmot, ale na počátku XIII th století, kamna objeví účinnější. Ty se pomocí hydraulické energie k vyfukování spalovacího vzduchu zvětšují a lépe využívají palivo. Tyto „hromadné pece“ jsou vysoké pece, jejichž nádrž je zachována: zvětšovací sklo se extrahuje velkým otvorem ve spodní části pece. Úspěšným příkladem tohoto typu pece je stuckofen , náměstí a zdivo úsek, který je 4 m ve středověku, a to až do výše 10 metrů v XVII th století těm Vordernberg ve Štýrsku , pak centrem středoevropské litiny Výroba. Tyto pece schopné dosáhnout teploty kolem 1 600 ° C by mohly částečně nebo úplně roztavit kov. V druhém případě, nazývaném Flussofen (tj. „ Tavicí pece“), se jedná o autentické vysoké pece vyrábějící roztavenou litinu.
To, dno pece o hmotnosti trouba tak pokročilé, že může vyrábět roztavené železo, se vyskytuje v Evropě v různých místech XII th na XV -tého století. Přesné místo a datum výskytu prvních vysokých pecí ještě není stanovena s jistotou: nejstarší doložené evropské vysoké pece jsou pozůstatky z Lapphyttan , Švédska , kde byl komplex aktivní od roku 1150 do roku 1350 . V Noraskogu, ve švédské farnosti Järnboås , byly také nalezeny stopy ještě starších vysokých pecí, pravděpodobně z roku 1100. V kontinentální Evropě byly ve výkopech objeveny vysoké pece ve Švýcarsku , v údolí Durstel poblíž Langenbrucku a datovány mezi XI. th a XIII th century. To také bylo identifikováno v Německu pec výrobu roztaveného železa (a Flussofen ) v údolí Kerspe datem 1275 a, v Sauerland , vysoké pece a originální doklad o XIII tého století. Nakonec ve Francii a Anglii cisterciáci studovali a propagovali nejlepší metalurgické technologie: účinnost jejich hromadných pecí se ukázala být velmi blízká účinnosti vysoké pece.
Přenos technologie z Číny do Evropy je možný, ale nikdy nebyl prokázán. V XIII -tého století, Al-Qazwini vědomí přítomnost železářského průmyslu v horách Alborz jihu Kaspické moře , jehož techniky by se mohlo stát podle Hedvábné stezky . Tato technologie se pak mohla rozšířit do Evropy, do Švédska po obchodní cestě Varègues ( Rus ) podél Volhy nebo na sever Itálie, kde v roce 1226 popsal Le Filarète dvoutaktní proces ve Ferriere s vysoká pec, jejíž litina byla dvakrát denně nalita do vody, aby se vyrobila peleta.
Pokud to je více pravděpodobné, že vysoká pec se objevil ve Skandinávii a jinde bez ohledu na čínských vynálezů, zobecnění vysoké pece v Evropě začal v burgundském Nizozemsku mezi Liege a Namur v polovině XIV -tého století. Jedná se o vývoj efektivního procesu rafinace litiny, „ valonská metoda “, která umožňuje masivní výrobu přírodní oceli . Odtamtud se vysoké pece rozšířily do Francie, do země Bray (Normandie), poté do Anglie, do Weald ( Sussex ).
Na XVI th století, potřeby dělostřelectva , posílen úspěchem pistole k bitvě Marignan , urychlí vytváření velkých kovárnách vytápěných dřevem. Každý rok se jich vyrobí 20 až 30, k již existujícím 460. V roce 1546, François 1 st musel snížit počet omezit ničení lesů. Objevují se povodí, specialisté na tuto činnost. Lutych se stává metalurgickým centrem Evropy.
Na rozdíl od Číňanů, je-li „Evropané dělali obsazení ve Švédsku na XIII th století, neměli používá k výrobě odlitků . Z tohoto období nemáme žádné hrnce, pánve (na vaření), zvonky ani talíře na ohniště. " Vedle vývoje zdokonalování metod tavení (Valonský metod, Champagne, Osmond , atd. ), Tato činnost se stává stále více a více kapitálu . Požadavky na dřevo a rudu, stejně jako dostupnost vodní energie, jsou zásadní. V roce 1671 byly vysoké pece Putanges v Dolní Normandii prodány en bloc za 500 liber , které měly být nahrazeny vysokou pecí pronajatou 1200 liber ročně. Toto omezení vysvětluje malou šanci na přežití zdokonalených kamna, jako katalánského výhně , že ve Francii , zmizí na počátku XIX th století, kdy Thomas procesních pomazánek.
Výroba litiny, stejně jako její přeměna na železo, zůstává velmi omezena potřebami dřeva. Spotřeba paliva je značná: k získání 50 kg železa denně je zapotřebí 200 kg rudy a 25 metrů krychlových dřeva denně ; za čtyřicet dní jeden uhelný důl vyčistí les v okruhu 1 km . Toto nepředstavuje žádný problém, pokud jsou paseky jsou užitečné pro rozvoj zemědělství, ale XIII th století je dosaženo hranice: Lesy zachovávají významnou roli výchovného, dřevo je nezbytný pro budování a vytápění a šlechta pobírá příjem z těžby. V důsledku toho je řezání dřeva stále více regulováno.
Uhlí, jako palivo a redukční činidlo, byl přijat do Číňanů během období válčících států na IV -tého století před naším letopočtem. AD . I když vyvinuli uhelný kotel, ve kterém se palivo nedostane do styku s železa a uhlí byl široce používán kromě dřeva v kovárnách v XVIII -tého století, náhrada uhlí dřeva té skále ve vysokých pecích dal jen nekvalitní litinu.
Černé uhlí ve skutečnosti obsahuje prvky, které z důvodu nedostatečné následné úpravy ( strouhání ) mění kvalitu litiny. Křemík , omezuje rozpustnost uhlíku v železe, způsobuje tvorbu lamelami grafitu , které oslabují kov. Síry je problematičtější: to je prvek, křehkost a oslabení, pokud jeho obsah překročí 0,08%. Když se spojí s manganem , který je běžný v železných rudách, značně to zhoršuje vlastnosti ocelí. Na rozdíl od křemíku je těžba síry rozpuštěné v tekutém železu obtížná, protože ji nelze spotřebovat vzduchem.
Abraham Darby provedl v roce 1709 první odlévání litiny s koksem v malé vysoké peci v Coalbrookdale, kterou si pronajal:
„Napadlo ho, že je možné roztavit železo ve vysoké peci dřevěným uhlím, a odtud se nejprve pokusil použít surové uhlí, ale nefungovalo to. Nedal se odradit, uhlí přeměnil na popel, jako je tomu při sušení sladu, a nakonec získal uspokojení. Ale zjistil, že k výrobě kvalitního železa se nejlépe hodí jen jeden druh dřevěného uhlí… “
- TS Ashton , železo a ocel v průmyslové revoluci
Komunikují velmi málo o podrobnostech procesu a Darbyové neustále zlepšují proces a kvalitu vyráběné litiny. Kolem roku 1750 se Abrahamovi Darbymu II podařilo přeměnit svou koks-litinu na kvalitní ocel. Ale dříve, než zobecnění puddling na počátku XIX th století, tam je pak žádný proces schopná přeměnit nedošlo k tavení. Přijetí litého výlisku k výrobě předmětů odolných a levných je klíčovou součástí průmyslové revoluce .
Zevšeobecňování koksu je pomalé, a to jednak kvůli jeho často průměrné kvalitě a neochotě určitých kovářských mistrů , jednak kvůli protekcionismu uplatňovanému producentskými zeměmi (Francie, Německo atd.) Vůči expanzi Britský ocelářský průmysl. V roce 1760 mělo Spojené království stále jen 17 vysokých pecí s koksem, ale o 20 let později se tam rozšířil nový proces.
Osvobozuje se od nízké dostupnosti dřevěného uhlí a britská výroba litiny exploduje. V roce 1809, sto let po vynálezu tavení koksu, dosáhla roční produkce 400 000 tun, zatímco produkce dřevěného uhlí se ve stejném období pohybovala mezi 15 000 a 25 000 tunami. Po tomto datu vysoké pece na dřevěné uhlí ze země zmizely, zatímco ve Francii a Německu byla výroba koksu stále velmi okrajová, a to i přes některé povzbudivé testy (v roce 1769 v Hayange a v roce 1796 v Gleiwitzu ). Ale od konce válek s Anglií se tento proces vyvíjel na kontinentu. Americký ocelářský průmysl, který je méně omezován dostupností dřeva, bude rozvíjet používání antracitu , který je v Pensylvánii hojný , než jej postupně opustí ve prospěch koksu.
V XIX th století, použití koksu umožňuje radikální změnu v tomto oboru. Kromě dostupnosti tohoto paliva umožňuje jeho odolnost vůči tlaku při vysoké teplotě udržovat dobrou propustnost pro redukční plyn. Výška vysokých pecí pak dosahuje dvaceti metrů, což výrazně zlepšuje tepelnou účinnost . Zvětšení také mění vzhled pece: stará pyramidová architektura ve zdivu je nahrazena lehčí a pevnější konstrukcí ze železa. Lepší chlazení, žáruvzdorná výstelka také vydrží déle.
Díky své kvalitě přežívá dřevěná uhlí litina s velmi nízkou produkcí. Během vývoje svého procesu se Bessemer věnoval rafinaci švédské litiny dřevěným uhlím. Na začátku XXI th století, stále existují nějaké vysokých pecí uhlí z eukalyptu , především v Brazílii .
Horký vítrZvýšení produktivity vysoké pece jejím vyfoukáním předehřátým větrem je logickým krokem: během dynastie Han (206 př. N. L. Až 220 n. L. ) Číňané nechali foukat přívodní vítr nad hrdlo, aby znovu získalo teplo.
Technika je však ztracena. Teprve v roce 1799 tuto myšlenku obhájil inženýr jménem Seddeger a ten další, Leichs, ji ověřil experimenty z let 1812 až 1822. Avšak v roce 1828, kdy si tento princip patentuje Skot Neilson , je tento výzkum přivítán skepticky:
"Jeho teorie byla v naprostém nesouhlasu se zavedenou praxí, která upřednostňovala nejchladnější možný vzduch, běžně přijímanou myšlenkou bylo, že chlad vzduchu v zimě vysvětloval lepší kvalitu litiny, která se tehdy vyráběla." Z tohoto pozorování bylo úsilí kovářských mistrů vždy zaměřeno na chlazení vyfukovaného vzduchu a pro tento účel byly vynalezeny různé prostředky. Regulátory tedy byly natřeny bílou barvou, vzduch byl veden studenou vodou a v několika případech byla injekční potrubí dokonce obklopena ledem. Takže když Neilson navrhl zcela zvrátit proces a místo chladu použít horký vzduch, nedůvěra železných mistrů je snadno představitelná… “
- R. Chambers , Životopisný slovník významných Skotů
Nikdo tehdy nepochopil, že výhoda studeného vzduchu spočívá pouze v tom, že je suchší. Ale Neilson, který byl průmyslníkem, přesvědčil ředitele Clyde Iron Works, aby v roce 1829 provedli některé povzbudivé testy. Brzy se schopen dosáhnout 150 ° C a tři roky později, Calder Works implementuje vzduchu při teplotě asi 350 ° C .
I při zohlednění spotřeby paliva trubkového typu ohřívače umožňuje dodané teplo celkovou úsporu koksu až o třetinu a výrazné snížení obsahu železa ve strusce. A konečně, zatímco vědci diskutují o vlivu horkého větru na chemické a fyzikální chování, výrobci rychle pochopili, že omezení požadavků na koks umožňuje jak vložit více rudy do stejné nádrže, tak snížit množství koksu. Na rozdíl od používání koksu, jehož nahrazení dřevěným uhlím trvalo téměř století, byl tento proces rychle přijat.
Jednou z výhod zařízení Neilson je to, že je spokojený s nekvalitním uhlíkem. Výhřevnost plynů z vysokých pecí , které se samovolně vznítí při opuštění hrdla , však nikomu neunikla: od roku 1814 je francouzský Aubertot znovu získal, aby zahřál několik dalších pecí své továrny. Tyto plyny skutečně obsahují malý podíl (v té době asi 20%) oxidu uhelnatého , toxického, ale hořlavého plynu. V roce 1837 vyvinul německý Faber du Faur první ohřívač vzduchu na vysoký plyn.
Zbývá vyvinout zařízení pro zachycování plynu nahoře, které nebude rušit nakládku materiálů. Faber du Faur odebírá tyto plyny před opuštěním nákladu otvory v tloušťce nádrže a shromažďuje je v prstencové trubce. Nálože umístěné nad těmito otvory pak slouží jako uzávěr. V roce 1845 si James Palmer Budd patentoval zlepšení tím, že vzal benzín zpod krku. Nakonec se v roce 1850 v Ebbw Vale objevil systém zavírání zvonu zvonem, který byl postupně zaveden.
Tyto plyny, které prošly náplní, musí být oprášeny, aby se pece nezanášely: nádoby na prach , cyklóny a filtry čistí tyto výpary na úroveň prachu několik miligramů na běžný metr krychlový . Tato zařízení berou v úvahu omezení spojená s řízením toxického plynu produkovaného ve velkém množství.
Avšak nad 400 ° C rychle degradují i ty nejlepší kovové kotle . Aby podpořil vývoj účinného ohřívače, vystačil si Neilson se skromnou královskou hodností jednoho šilinku na tunu vyrobenou jeho postupem.
Zatímco žáruvzdorná cihla zařízení umožňuje provoz při vyšších teplotách, nízká tepelná vodivost z materiálu vede k provozu na základě akumulace a uvolňování tepla namísto vedení. S ohledem na tuto skutečnost podal britský inženýr Cowper patent v roce 1857. První testy začaly v roce 1860 v továrnách v Clarence a umožňovaly překročit 750 ° C , ale cihly naskládané v rozložených řadách podle myšlenky Carla Wilhelma Siemens nevydržely tepelné cyklování. Cowper reagoval tím, že ve stejném roce navrhl vylepšení, která předznamenala definitivní pec: plamen se vzdálil od cihel, a to zahrnovalo přímočaré kanály.
Pokud se pece budou i nadále vyvíjet, budou přijaty technické principy umožňující dosáhnout teploty 1 000 ° C díky dříve nevyužité energii: „ kryty “ se stanou neoddělitelnými od vysoké pece.
Pojem „vysoká pec“ někdy označuje samotnou pec, ale přesněji odkazuje na všechna zařízení související s provozem pece. Pokud jde o samotnou troubu, lze ji nazvat „nádrž“, ale samotná nádrž, která je součástí trouby, se pro její označení používá termín „spotřebič“.
Na začátku XX th století, vysoké pece byly často vestavěnou baterii a byl často úzce spojena s výrobu surového železa, a koksu a rudy slinování jednotku . V XXI th století, vysoké pece jsou obři nástroje a oddělit tyto upstream nástroje.
Zařízení vysoké pece se proto kromě samotné pece týká souboru dalších základních zařízení, která zajišťují příjem koksu a aglomerátu . K dispozici je dílna pro přípravu pevných látek se systémem kontinuálního podávání až po vrchol . Výroba větru a jeho opětovný ohřev tvoří samostatné zařízení, ale úzce spojené s provozem vysoké pece. Existují také zařízení věnovaná úpravě vysokopecního plynu , stejně jako zařízení, která zpracovávají strusku a roztavené železo.
Materiály tvořící náklad přicházejí vlakem, lodí nebo v případě integrovaných zařízení dopravními pásy z aglomeračního závodu a koksovny. Materiály jsou skladovány, víceméně suché, v betonových nebo ocelových násypkách . Úložný na úpatí nástroje je strategickým požadavkem na „vysokou pec na XX tého století odsouzen k nepřetržité práce. Může být uhasen pouze s největší opatrností. Jeho odstavení, jakkoli může být krátké, může zničit kovárnu a průmyslová odvětví, která z ní vyplývají. Právě z tohoto důvodu vyžaduje značné zásoby paliva a rudy. "
Historicky tato nutnost vyžadovala instalaci oceláren poblíž ložisek uhlí nebo rud. Tato blízkost byla nezbytná pro ziskovost až do 70. let a vysvětluje rozdíly v konstrukci vysokých pecí, včetně zařízení na přípravu vsázky mnoha současných vysokých pecí.
Bez ohledu na vysokou pec se aglomerát a koks těsně před nakládáním systematicky prosévají , aby se odstranily jemné částice, které vznikají při různých manipulačních operacích a které mají tendenci pec ucpávat. Existují také více či méně četné okruhy pro přísady, jako jsou tavidla ( pazourek , kamenná železná ruda), redukční činidla (malý koks nebo antracit ), obohacení krmiva železem ( šrot , redukovaná železná ruda , pelety ) a někdy speciální přísady ( ilmenit k ochraně žáruvzdorných materiálů, bauxit ke zvýšení hydraulicity granulované strusky atd. ).
načítáníZ dílny je koks a aglomerát namontován na horním otvoru nádrže, „ gueulard “. Pokud se historicky používaly přeskakování, nyní používáme pouze přeskakování nebo dopravní pásy .
Přeskakovací posuv je nejkompaktnější. Vysoké pece používají k vyvážení přeskakování se dvěma přidruženými přeskakování. Pokud to prostor dovolí, raději instalujeme dopravní pásy na potraviny. I když mohou stoupat pouze na nižší svahy, mají větší kapacitu, snadněji se automatizují a méně poškozují materiály.
Uzavření hrdlaVysokopecní plyn opouštějící hrdlo je štíhlý plyn sestává v podstatě z dusíku (N 2) - vycházející z trysek a která prochází zátěží bez reakce, oxid uhelnatý (CO) a oxid uhličitý (CO 2). Oživení tohoto toxického ale topný plyn stal se rozšířený v polovině XIX th století, kdy Parry vytváří kuželový uzávěr umožňující obnovení plynu bez přerušení nabíjení.
Na začátku XX th století, McKee zlepšuje gueulard Parry prostřednictvím systému dvou nad sebou zvonky, horní rozdělování materiálu, spodní těsnění, nastavenou chová jako zámek . Tento systém a jeho varianty se staly nevyhnutelnými až do 70. let. V té době se zvyšoval průměr a tlak vysokých pecí, bylo nutné použít hrdla se 3 nebo 4 zvony, každý o hmotnosti až 120 tun: technologie poté dosáhla svých limitů.
Vynález lucemburské společnosti Paul Wurth se zvonovým zvonem na začátku 70. let znamenal průlom v designu moderních vysokých pecí. Skládá se z jednoho nebo více sil, která po natlakování vysokou pecí postupně odtékají do vysoké pece a pád materiálů je veden přes orientovatelný žlab. Zatímco zvonky topeniště horní stále existují na začátku XXI th století, vysoká pec bez zvonu a jeho deriváty se šíří od roku. Přestože je jeho lehkost a pružnost složitější než zvonky, jsou skutečně nezbytné pro zásobování obřími vysokými pecemi (více než 8 000 tun za den), zatímco jeho těsnost umožňuje provoz při vysokém tlaku ( 3 bary). produktivita nádrže.
Vysokopecní reaktor (nazývaný také „pec“, „nádrž“ nebo „zařízení“) zdědil od svých předků tvar komína , který podporuje tah i kontakt mezi materiály a plynem. Tento komín mění část doprovázející úpravy, kterými prochází ruda při sestupu: tepelná roztažnost , potom kontrakce v důsledku slinování rudy a nakonec roztavení . Ideální formy byly a stále jsou stanoveny empiricky z pozorování pecí na konci jejich života; kruhový průřez se tak prosadil navzdory své jemnější konstrukci a břichu vytvořenému v oblastech opotřebení:
"Kamna, která musí být dána, je zjevně ta, kterou si osvojí po několika týdnech provozu a kterou si udrží po celou dobu pravidelného tempa." "
- E.-L. Grüner, Pojednání o metalurgii
Zatímco rozmanitost profilů byla dlouho ospravedlňována zvláštnostmi místních minerálů (více či méně propustných, bohatých nebo tavitelných) a paliv (vysoké pece na dřevěné uhlí lze rozpoznat podle jejich malého kelímku), obecný tvar reaktoru má tendenci se homogenizovat, v návaznosti na to zevšeobecňování používání bohatých dovážených rud a porozumění metalurgickým reakcím.
Kelímek je zvláštní, protože sbírá kapaliny z tavení rudy, které prosakují nespáleným koksem, zatímco zbytek nádrže vidí pouze pevné látky a plyn. Kelímek byl tedy donedávna nezávislý na tanku. Když je umístěna na sloupy, říká se, že vysoká pec je „ nevlastní matkou “. Tyto sloupy komplikující přístup k odpichovému otvoru a kritické problémy s utěsněním mezi oběma částmi byly od 60. let 20. století od této konstrukce postupně opuštěny, ve prospěch nádrží v jednom prvku: o vysoké peci se říká, že je „samonosná ".
Rozměry„Tento reaktor, největší ze všech průmyslových reaktorů“, pracuje proti proudu (stoupají horké plyny a klesají studené materiály). Její výška zaručuje vynikající tepelné vlastnosti, vyšší než 70%, avšak s omezením podle drtivé síle slinutého rudy , že se stabilizoval na zhruba 30 metrů od konce XIX th století. Jeho výrobní kapacita, která závisí na jeho vnitřním objemu, lze tedy shrnout jako jeho vnitřní průměr, uvažovaný na úrovni trysek nebo kelímku. Tento kruhový povrch je hrdlem omezujícím reakce, protože tam je maximální rychlost stoupání plynů (kvůli jejich teplotě): pak se staví proti sestupu materiálů, které se taví: produktivita 75 tun / m 2 / den je limit v roce 2012.
Region a doba |
Ø kelímek d (m) |
Vysoký. H (m) |
Let. užitečné (m 3 ) |
Produkce (t / d) |
|
---|---|---|---|---|---|
1) | 1861 | 0,9 | 15.3 | 64 | 25 |
2) | Německo litinová specifikace 30. léta |
4.5 | 20.0 | 425 | 450 |
3) | Německo litá ocel a Thomas 1961 |
6.5 | 24.0 | 900 | 1200 |
4) | SRN 1959 | 9.0 | 26.1 | 1424 | > 2 000 |
5) | SSSR 1960 | 9.8 | 29.4 | 1763 | 4000 |
6) | Japonsko 1968 | 11.2 | 31.5 | 2 255 | 6000 |
7) | Německo 1971/72 | 14.0 | 36.7 | 4 100 | ≈ 10 000 |
Použití koksu, což umožňuje vysoká budova velké pece, zahrnují ztrátu během XIX th budov století v Freestone ve prospěch kovového pouzdra. Skříň moderní volně stojící vysoké pece je pečlivě konstruovaná kovová nádoba, „štít“, jejíž tloušťka se pohybuje od 10 cm v kelímku do 4 cm nahoře. Toto stínění v zásadě plní dvě funkce: přenášet žáruvzdornou vnitřní vyzdívku a odvádět teplo.
Vnitřní žáruvzdorná vyzdívka musí odolávat tepelným, mechanickým a chemickým vlivům. Jelikož se tato napětí mění podle zón a není pochyb, z nákladových důvodů, o zevšeobecňování kvalitnějších materiálů, existují žáruvzdorné materiály s různým složením.
Pásmový | Fyzický stres | Žáruvzdorný materiál | Odběr tepla (kW / m² ve stabilizovaném provozu) |
---|---|---|---|
Horní část nádrže | Mechanické rázy a oděr. | Lité „nárazové desky“ z tvrdé oceli . Karbid křemíku vázaný na jíl . |
12 |
Střední tank | Chemické působení CO a alkálií . Možné teplotní výkyvy. |
Žárovzdorné materiály : sillimanit (62% Al 2 O 3) nebo korund (84% Al 2 O 3). | 18 |
Spodní část nádrže Břišní displeje |
Opotřebení plyny a zátěží. Chemické působení CO a alkálií . Teplo, silné teplotní výkyvy. |
Karbid křemíku vázaný na sialon (Si 3 Al 3 O 3 N 5). Někdy: grafit s vysokou tepelnou vodivostí . |
37 29 23 |
Kelímek | Cirkulace roztavených materiálů. Tlak. |
Čistý uhlík s vysokou hustotou. | 10 |
Po vypálení může moderní vysoká pec nepřetržitě pracovat po dobu 15 až 20 let: žáruvzdorné materiály jsou proto pečlivě vybírány. Kromě kvality materiálu musí montáž brát v úvahu i rozšíření. Kelímek je často vyroben z uhlíkových bloků o hmotnosti několika tun, sestavených bez malty nebo vůlí větších než několik desetin milimetru. Při nošení musí být zařízení úplně vypuštěno, aby se obnovila žáruvzdorná vyzdívka, zdola nahoru.
ChlazeníZařízení vysoké pece vyrábějící 6 000 tun surového železa denně lze považovat za tavicí pec o výkonu přibližně jednoho gigawattu . Takové výměny tepla vyžadují intenzivní chlazení, aby se zabránilo rychlému zničení stínění zařízení. Jelikož se jakákoli porucha chlazení může ukázat jako katastrofická, je zaručena proti selhání několika způsoby. Konstrukce moderního okruhu je podobná konstrukci jaderné elektrárny , přičemž obvod chlazení zařízení je v uzavřené smyčce, aby bylo možné detekovat únik nebo znečištění vody.
Přes přítomnost silného chlazení je tepelná účinnost vysoké pece vysoká, přes 70%. Paradoxně se zlepšuje, když je zařízení intenzivně chlazeno. Chlazení ve skutečnosti umožňuje vzhled vnitřního obložení, a to jak ochrany proti opotřebení, tak tepelné izolace. Tato role je správně splněna, pouze pokud je kontrolována jeho adheze a její tloušťka, aby nedošlo k narušení toku materiálů.
Pro chlazení zařízení koexistuje několik technologií:
Pokud je narušen provoz vysoké pece (nestabilita v proudění plynů nebo materiálů, změna provozního režimu atd. ), Zvyšují se tepelné ztráty horní částí a nádobou. Chladicí systém bude muset místně evakuovat 300 nebo dokonce 500 kW / m 2 nebo 15násobek průměrného výkonu. Právě tyto vrcholy ukládají dimenzování obvodů.
Nucené vstřikování spalovacího vzduchu, „vítr“, je základní charakteristikou vysoké pece. Jeho anglický překlad, vysoká pec , dokonce omezuje proces až do tohoto bodu. Dosažení teplot nezbytných pro fúzi kovu je ve skutečnosti možné pouze při silném větru, který svalová síla nedokáže vytvořit; vlnovce ovládané lopatkovými koly jsou neoddělitelné od vzhledu vysoké pece. Od této kombinace se upouští, když rostoucí velikost zařízení (tedy pokles tlaku ) a ohřev větru (který zahrnuje jak průchod horkými vysokými pecemi, tak vstřikování expandujícího větru) vyžadují energii. Zvýšení: hydraulický výkon byl nahrazen parními stroji od roku 1776, rychle se přizpůsobuje ocelovým plynům ( vysokopecní plyn a koksárenský plyn ). Litinové písty také v této době nahradily měchy. A konečně, na počátku XX -tého století, písty jsou vyřazeny v prospěch odstředivé kompresory nebo turbodmychadly .
To je také začátek XX tého století s vynálezem procesy zkapalnění vzduchu, co se pokusil vstřikování kyslíku ve studeném větru. Tento proces se rozšířil v šedesátých letech minulého století a zvýšil produktivitu vysokých pecí a vstřikování paliva do dmychadel.
Aby bylo možné překonat zátěž a pracovat pod vysokým tlakem, je vítr stlačen mezi 2 a 4,5 bary . Rychlost průtoku a obsah kyslíku ve studeném větru se snadno a rychle upravují, lze tak působit na provoz vysoké pece.
CowpersModerní Cowper se skládá ze svislého ocelového válce 6 až 9 m v průměru a 20 až 35 m vysoké . Tento kryt je naplněn žáruvzdornými cihlami , jejichž povaha závisí na roli: izolační cihly chrání vnitřní stranu stínění kapoty, zatímco jiné cihly se používají k akumulaci a uvolňování tepla. Posledně jmenované se používají pro konstrukci spalovací šachty, kde je rozložen plamen, a rûching, hromadu děrovaných cihel, která absorbuje teplo dýmů. Studna je často integrována do válce, kde zabírá přibližně třetinu části pece. Největší kryty jsou vybaveny vnějšími studnami, které umožňují lepší izolaci spalovací zóny od zóny akumulace / uvolňování tepla.
Ohřev je pomalejší, než je chlazení, každý z vysoké pece je vybavena třemi, někdy čtyři, cowpers procházející střídavě v každé fázi. Při kontinuálním provozu se Cowper obnovuje teplo po dobu asi 30 minut , než se vítr směřuje k Cowper , který právě dokončil 50 min opětného ohřevu (délka, na které musí být přidáno tlakové fáze, která posledních 10 min. ).
Moderní Cowper může zahřát asi 1,4 tun větru až 1200 ° C , na tunu litiny. Když uvolní své teplo, je to pro vysokou pec vyrábějící 6 000 tun litiny denně pec s výkonem přibližně 100 MW . Zahřívání se provádí spalováním části plynu produkovaného vysokou pecí, který musí být smíchán s bohatým plynem, aby se dosáhlo požadované teploty.
Kruhový ohřev a tryskyHorký vítr (od 900 do 1300 ° C v závislosti na charakteristikách vysoké pece) je přiváděn z kapotážů žáruvzdornou trubkou, poté je distribuován do trysek trubkovitou trubkou , kruhovou. Na výstupu z trysek, vítr dosahuje 200 m / s , zapálí koks, který zvýšil teploty na 2000 - 2300 ° C .
produkty | Teoretické maximum (kg / t litiny) |
Ekvivalence koksu |
---|---|---|
Plasty | 70 | 0,75 |
Těžký topný olej | 65 | 1.2 |
Olej / O 2 | 130 | |
Koksárenský plyn | 100 | 0,98 |
Uhlí | 150 | 0,85 - 0,95 |
Uhlí / O 2 | 270 |
Spalování koksu umožňuje jak produkci redukčního plynu ( CO ), tak dosažení teplot nezbytných pro tento proces. Ke snížení spotřeby koksu se v mnoha továrnách používají náhradní paliva, která vstřikovaná do větru na konci trysek hoří se stejnými chemickými a tepelnými účinky. Tekuté nebo jemně mletý, možné doplňkové paliva jsou četné: zvířecí moučka , těžký topný olej , plastový odpad , přírodní nebo koksárenského plynu , hnědé uhlí , atd. Nejúčinnějším produktem však zůstává jemně mleté uhlí , jehož vstřikování v kombinaci s obohacováním větru kyslíkem umožňuje nahradit až polovinu z 480 kg koksu potřebného k výrobě jedné tuny tavení.
Na rozdíl od vysokotlakých trubek nejsou trysky potaženy izolačním žáruvzdorným materiálem, aby se omezil jejich objem. Jedná se o měděné kusy, intenzivně chlazené vodou. Musí být snadno vyměnitelné, protože jsou vystaveny jak vysokým teplotám v důsledku spalování koksu a vstřikovaných paliv, tak i opotřebení, protože mohou přesahovat až 50 cm dovnitř pece.
Plyn nashromážděný nahoře obsahuje 5 až 10 g / Nm 3 prachu odtrženého od nákladu. Plyn, který je na dno vysoké pece přiváděn velkými trubkami, prochází prvním stupněm čištění ve statických odlučovačích. Tlak, teplota a obsah prachu v plynu mohou skutečně velmi rychle kolísat, jsou zapotřebí jednoduché a robustní technologie: používají se nádoby na prach a cyklóny . Mohou odstranit až 85% prachu.
Protože jsou tato zařízení přímo připojena k hrdlu, jsou chráněna před katastrofickými přetlaky (obvykle kvůli nestabilitám, které přehřátím plynu rozšiřují) pomocí odvzdušňovačů , bezpečnostních ventilů umístěných v horní části vysoké pece.
Mokré nebo sekundární čištěníPoločištěný plyn je poté zpracován v sekundárním čištění, které kombinuje 3 role:
Tyto tři funkce lze provádět současně ve vlhké pračce, zařízení stříkající vodu, když je plyn dekomprimován. Tato technologie se rozšířila u vysokých pecí pracujících pod vysokým tlakem.
Velké vysoké pece byly také nedávno vybaveny turboalternátorem, který může vyrábět až 15 MW elektřiny získáváním energie z dekomprese plynů. V tomto případě je čištění pomocí mokré pračky obtížnější, protože již nemůže těžit z dekomprese plynu. Kromě toho, protože je výhodné udržovat plyn horký, aby bylo možné využít jeho většího objemu, se od 90. let 20. století znovu objevilo suché sekundární čištění, zejména v Asii.
Železo a jeho hlušina , zatímco se taví na úrovni dmychadel, proudí do kelímku. Tyto kapaliny prosakují kousky nespáleného koksu, které plní kelímek. Když hladina kapaliny stoupne, stroj, „vrták“, prorazí kelímek na jeho základně a vypustí jej. Jak se potápí, roztavený materiál rychle eroduje taphole. Poté je utěsněn hliněnou hmotou vstřikovanou „corkerem“, strojem, jehož činnost je podobná jako u injekční stříkačky . Moderní vysoká pec vyrábí 8 až 14 odlitků denně, z nichž každý trvá 80 až 180 minut.
Uzávěr a vrtačka jsou silné, přesné a kritické. Vrták musí skutečně znovu vyvrtat otvor v hliněné zátce vytvořené předchozím ucpáním, rychleji než se bit roztaví. Uzávěr musí být schopen zasunout otvor pro kohoutek, pokud je to nutné, proniknutím do proudu roztaveného materiálu: je to bezpečnostní zařízení, které musí být schopno kdykoli přerušit nalévání.
Roztavený materiál proudí do hlavního kanálu. Právě v tomto, který může měřit od 8 do 14 ma který obsahuje 30 až 60 t směsi tavící se strusky, se struska, třikrát méně hustá než litina, postupně oddělí od litiny, aby plavala na své povrch. Hlavní kanál končí obráceným sifonem . Tím se zastaví struska, která pak směřuje k mělkým kanálům. Litina, která prošla sifonem, se nalije do torpédových vozů , které ji odvezou do ocelárny nebo slévárny .
Kromě denní produkce 6 000 tun litiny je nutné mít několik otvorů pro kohoutek. Vysoké pece mají 1 až 5 otvorů pro odbočku, které extrahují litinu a strusku z kelímku. Díky údržbě strojů a žlabů, jakož i analýze a směrování roztavených kapalin jsou odlévací haly složitými instalacemi. Mechanická a tepelná omezení spojená s pravidelným průchodem horkých tekutin obecně vedou k návrhům kanálů a kloubových desek. Rovněž jsou zapotřebí velké systémy sběru prachu (obvykle 700 000 Nm 3 / h).
Zpracování struskyPři procházce s bohatými rudami vyrobíme asi 300 kg strusky na tunu litiny, což je stejný objem vzhledem k jejich příslušné hustotě. Roztavená struska se buď ochladí na místě, nebo se odveze ve speciálních vozech. Chladí se primárně dvěma způsoby:
Tekutá struska obsahuje 1 až 2% síry fixované vápníkem . Jeho úprava, zejména při chlazení vodou, způsobuje emise síry.
Zařízením vysoké pece je chemický reaktor , jehož provoz proti proudu (plyny stoupají, zatímco pevná látka klesá) zajišťuje vynikající tepelnou účinnost. Jeho princip spočívá v podstatě ve vytváření oxidu uhelnatého , jehož afinita ke kyslíku rudy je silnější než afinita mezi kyslíkem a železem, k deoxidaci rudy. Četné tepelné a chemické výměny, hlavně mezi plynem a pevnými látkami v nádrži, ke kterým se přidávají kapaliny v policích a kelímku, probíhají za účelem redukce a nauhličování železa.
Mnoho chemických reakcí v kombinaci se změnami stavu materiálů významně komplikuje pochopení ideálního provozu vysoké pece. Teploty, tlaky a materiály pohyby zakázat i XXI tého století, veškerá opatření v srdci zařízení. Je nesmírně obtížné pochopit a předvídat tepelné nebo mechanické nestability, z nichž některé mohou mít katastrofické následky. Teprve v 70. letech, díky kalení kompletních vysokých pecí prováděných v Japonsku, byl objeven zejména zvonový tvar izoterm , který vyvrátil teorii „mrtvého muže“ (kuželová hromada koksu a ztuhlé železo spočívající na krbu kelímku), zaznamenal rozsah určitých nestabilit a prokázal důležitost krmení koksem a rudou v různých vrstvách.
Nutnou podmínkou pro správnou funkci je zajištění dobré propustnosti materiálů. Koks hraje zásadní roli, protože si zachovává své mechanické vlastnosti až do 1500 ° C, zatímco rudy aglomerátu od 900 ° C . Zvonkovité izotermy procházejí vrstvami materiálu vytvořením žaluzií na úrovni koksových vrstev, které koncentrují plyny ve středu nádrže a poté je rozptylují do nákladu. Kusy koksu, které nebyly spáleny, vyplňují spodní část zařízení, s výjimkou dutin, které se tvoří před každou tryskou. Nesou tedy váhu materiálů naskládaných nad nimi, což umožňuje průchod kapalin a plynů.
Nepřetržitý provoz s tokem materiálů pístového typu vyžaduje evakuaci všech prvků, které do něj vstupují, pod trestem ucpání. To platí pro strusku, ale také pro některé prvky, jako je zinek nebo alkalické kovy .
Pro redukci železné rudy musíte nejprve vyrobit potřebné redukční plyny. To se děje ve spodní části vysoké pece spalováním uhlíku obsaženého v koksu s kyslíkem z větru: C + O 2 → CO 2 produkující 401,67 kJ / mol
Tato reakce je velmi exotermická , teplota na tryskách pro vstřikování horkého vzduchu stoupá na 1800 až 2000 ° C , nebo dokonce na 2250 ° C, pokud je vítr obohacen kyslíkem. Nicméně, endotermní reakci následuje, který snižuje teplotu na hodnotu mezi 1600 a 1800 ° C : CO 2 + C → 2 CO spotřeba 163,45 kJ / mol
Tato poslední reakce není úplná, jde o Boudouardovu rovnováhu . Tím je zajištěna regenerace CO spotřebovaného redukcí v celé spodní části zařízení: CO 2 + C ⇋ 2 CO pokud je T> 1000 ° C
Pokud oxid uhličitý CO 2zůstává v rozmezí teplot nad 1 000 ° C , je neustále transformován Boudouardovou reakcí na oxid uhelnatý CO, který tak zůstává k dispozici redukčnímu procesu.
Další redukční plyn, vodík H 2, je současně produkován tepelným rozkladem vodní páry, přirozeně nebo uměle přítomné ve větru. Ačkoli má tento plyn druhořadý význam, je zvláště účinný kolem 900 ° C a dále: obsah pouze 10% vodíku v reakčním plynu ztrojnásobuje rychlost redukce. Tato výroba je, podobně jako výroba oxidu uhelnatého, velmi endotermická: H 2 O + C → H 2 + CO spotřeba 131,4 kJ / mol
Tyto oxidy železa jsou redukovány v následujícím pořadí:
Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO → Fe hematit → magnetit → wustit → železo
Každý přechod z jednoho oxidu na druhý je způsoben několika současnými redukčními reakcemi:
Teploty | Nepřímé snížení | Přímá redukce | Snížení vodíku |
---|---|---|---|
100 ° C <T < 260 ° C | Vysušení | ||
500 ° C <T < 600 ° C 600 ° C <T < 900 ° C |
3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2 |
3 Fe 2 O 3 + C → 2 Fe 3 O 4 + CO Fe 3 O 4 + C → 3 FeO + CO |
3 Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 → 3 FeO + H 2 O |
900 ° C <T < 1100 ° C 1100 ° C <T < 1150 ° C |
FeO + CO → Fe + CO 2 | FeO + C → Fe + CO | FeO + H 2 → Fe + H 2 O |
1200 ° C <T < 1600 ° C | Nauhličování a fúze |
Gangue a nečistoty rudy také procházejí několika chemickými reakcemi během svého sestupu směrem k kelímku; všechny jsou endotermické. Reakce na de carbonation z siderit (Fečo 3) a vápenec ( CaCO 3) se vyskytují před reakcemi na redukci železa:
FeCO 3 → FeO + CO 2 pro 500 ° C <T < 700 ° C
CaCO 3 → CaO + CO 2 pro 700 ° C <T < 900 ° C
Vysoká pec redukuje na kov pouze asi polovinu oxidů manganu MnO 2a MnO zavedené do vysoké pece se železnými rudami. Zatímco snížení MnO 2 je rychle vyroben CO, redukce MnO je přímá: MnO + C → Mn + CO pro T> 1000 ° C
Podobně oxid křemičitý SiO 2 je částečně snížena přímou redukcí: SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO pro T> 1 500 ° C
Všechny oxidy mědi , fosforu a niklu jsou úplně redukovány na kov. Chrómu a vanadu působí jako manganu, titanu, jako je například křemík. Oxidy vápníku ( CaO ), hliník ( Al 2 O 3) a hořčík ( MgO ) nejsou redukovatelné a nacházejí se zcela ve strusce. Zinku je alkalický a síra jsou případ:
S + CaO + C → CaS + CO pro T ≈ 1550 ° C
Pokud jde o dusík ve větru, reaguje málo a reverzibilně. Slouží tedy především jako tepelný předřadník.
Rozevření nádrže usnadňuje sestup nákladu a doprovází jeho expanzi. Smrštění v regálech doprovází slinování a následné tavení rudy. Koks, který se nesintruje ani neroztaví, je základem propustnosti plynu a podpory náboje. Jeho role je ve skutečnosti mnohonásobná: pro moderní vysokou pec, která spotřebuje každou tunu litiny, 294 kg koksu a 180 kg uhlí na tryskách, máme:
Teploty | Jevy | |
---|---|---|
Ruda | Kola | |
100 ° C <T < 260 ° C | Vysušení | |
500 ° C <T < 900 ° C | Redukce (Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO) | |
900 ° C <T < 1200 ° C | Redukce (FeO → Fe) Nauhličování a slinování |
Regenerace CO |
1200 ° C <T < 1600 ° C | Fúze | Spalování |
T ≈ 2100 ° C | Dutina směřující ke každé trysce | |
1600 ° C | Nauhličování a odsíření | Rozpuštění |
Vysoká pec je velmi citlivý reaktor na jakékoli anomálie. Díky velikosti nástroje jsou navíc jakékoli tepelné ztráty nebo snížení počtu kilometrů velmi drahé, ba dokonce nebezpečné . Pochopení fyzikálních a chemických jevů probíhajících uvnitř zařízení je proto zásadní.
Extrémní podmínky, které panují ve vysoké peci, však neumožňují přímý přístup k materiálům, které na ni reagují. Měření se poté znásobí na obvodu zátěže, to znamená nahoře, na stěnách zařízení a na odlitku. Cílem je odvodit tlak a rychlost plynů stoupajících hmotou, ale také pohyby pevných látek a kapalin. Důležité parametry, jako je výška napájecího povrchu nebo teploty stěny, se měří několika způsoby, aby se zabránilo jakémukoli selhání.
Pásmový | Množství, která se mají měřit | Použité technologie |
---|---|---|
Gueulard | Výška nákladu Morfologie povrchu materiálů Radiální rozložení teploty a / nebo složení plynu opouštějícího náklad |
Sondy mechanické nebo radarové mapování radaru Radiální měřicí paprsek |
Horní část nádrže | Radiální rozložení teploty a / nebo složení plynu a náplně | Mobilní sonda pronikající vodorovně do břemene |
Dno nádrže na police |
Tok materiálu Opotřebení / vyzdívka žáruvzdorných materiálů |
Radioaktivní sondy (vzácné) Ultrazvukové sondy |
Trysky | Povaha a průtoky větru a přísady vstřikované do trysek Teplo odváděné chladicí vodou |
Měření průtoku / teploty |
Kelímek | Složení a teplota surového železa a strusky | Měření teploty a odběr vzorků litiny |
Z prohlídek se provádějí za účelem vyhodnocení jiné metody měření. Například je možné využít pozorování, že přítomnost roztavených materiálů v kelímku generuje nízké elektrické napětí ve stínění. Ultrazvuk lze použít k měření teplot nebo povrchové morfologie materiálů atd.
Nicméně, „zpracování tak velké množství informací je nad výpočetní schopnosti jakékoliv lidské bytosti . “ Ve skutečnosti od konce 90. let zaznamenávaly asistenční systémy řízení 150 hlavních fyzikálních a chemických jevů, které byly neustále vyhodnocovány téměř 1000 měřeními. Skutečnost, že některé jevy jsou okamžité, zatímco jiné jsou velmi pomalé, aby se objeví, vedl k vývoji expertních systémů , neuronových sítí , kognitivní ergonomie studií , atd.
Při vypalování vysoké pece je nutné zařízení dostatečně pomalu vysušit a zahřát, aby nedošlo k poškození žáruvzdorných materiálů, ale také rychle dosáhnout teploty dostatečné k tomu, aby mohly být nabité produkty evakuovány v kapalné formě. Za tímto účelem naložíme do vysoké pece velké množství paliva (často dřeva), omezíme tepelné potřeby naložením strusky místo rudy a postupně aktivujeme spalování úpravou proudění větru. Faktem zůstává, že spuštění vysoké pece, které trvá několik týdnů a začíná nepřetržitá výrobní kampaň trvající přibližně patnáct let, zůstává choulostivou operací, protože k těmto omezením se přidávají nevyhnutelné poruchy spojené se spuštěním nová a složitá instalace, jejíž chování a design se vždy liší.
Nevyhnutelné výpadky údržby nebo související s nehodami nesmí pod trestem „zmrazení“ zařízení překročit několik dní. Musí to být absolutně předvídatelné: je naloženo velké množství koksu a o několik hodin později je odříznut vítr, když tento koks dorazí před trysky. Při restartu tedy spalování dalšího koksu doplní teplo ztracené během odstavení.
Delší nebo konečné vypnutí vyžaduje co největší vyprázdnění zařízení. Specifický otvor pro baterii, který se nachází v nejnižším bodě kelímku, umožňuje odvod všech roztavených materiálů. Hladina neroztaveného materiálu, zejména koksu, klesá k tryskám. Operace je riskantní, protože nízké a horké oblasti, které již nejsou zakryty, musí být chlazeny postřikem vodou, jejíž disociace vytváří výbušný plyn, protože je bohatý na vodík.
IncidentyObávaným, ale vzácným incidentem je „zablokování“ vysoké pece. Pokud k tomu dojde v horní části aparátu, odpovídá to vytvoření klenby, pod níž materiály nadále klesají směrem k kelímku. Pod trezorem se vytváří prázdnota, dokud se náhle nezhroutí. Blokování ve spodní části odpovídá neschopnosti evakuovat roztavené materiály. Nejčastějším původem je studená vysoká pec kvůli náhodnému vniknutí vody nebo nedostatku tepla způsobeného větrem nebo koksem, s vědomím, že přebytek tepla vede ke stejnému výsledku. Tento vzácný a obávaný incident znamenal odstavení, možná definitivní, elektrárny:
"Pokud inženýr nespěchá, bude příliš pozdě a pec plná nesmírného magmatu s vlkem bude muset pouze zastavit;" bude dokonce muset být z velké části zbourán a musí být provedena dlouhá a nákladná práce na odstranění železné hmoty, odolná, která ji zatěžuje shora dolů a její velká část snadno podléhá pouze síle prášku ...
Inženýr, který vyrábí vlka, je tedy možná v nešťastnější situaci než námořník, který ztratí svou loď; málokdy najde výmluvy od svých vůdců. Ale zde je opět síla poznání, iniciativy, morální a fyzické síly, lidské energie srovnatelná v méně slavné aréně s energií vrchního generála, jehož armáda je v nebezpečí, nebo navigátora, jehož loď je v nebezpečí být ztracen; protože nejneočekávanější a nejméně snadno předvídatelné expedienti se někdy sami mohou nebezpečí vyhnout. "
- J. Garnier , Le Fer
Průlom ve stínění roztaveným železem je stejně nebezpečný, vzácný a nákladný: „poté , co byl kelímek zablokován […], nejobávanější událostí, nejvíce nenáviděnou slévárnou a vysokou pecí obecně. „ Opotřebení z toku materiálů může také způsobit průlomy v nádrži, ale obvykle jim předchází netěsnosti chladicího systému, detekovatelné přístrojovým vybavením chladicích okruhů i zvýšením nádrže. Obsah vodíku v plynu produkovaném vysoká pec. A konečně, role plynů cirkulujících v zařízení není zanedbatelná: ty se na rozdíl od roztavených materiálů nedají vytvrdit a mohou způsobit otěr pískováním .
Naopak se může stát, že vrstva chránící žáruvzdorné materiály a získaná díky intenzivnímu ochlazení zařízení nadměrně zesílí. Nasycení zinkem nebo zásadami podporuje místní zesílení této vrstvy. Poté významně narušuje toky v zařízení. Kromě toho může „vyzdobený“ tvar, který se tvoří, vážit několik stovek tun a být nestabilní, zvláště když je umístěn v horních částech zařízení. Jeho náhlé uvolnění naruší provoz vysoké pece a může způsobit zablokování.
Všechny tyto poruchy, pokud nejsou zvládnuty včas, mohou na sebe navazovat nebo se dokonce kombinovat. Přetlaky způsobené plynem stoupajícím z kelímku, výbuchy páry v důsledku vstupu vody do zařízení (často z chladicího systému), kapsy plynu nebo prachu, které se náhle vznítí atd. jsou velkolepé události: otevření bezpečnostních ventilů, odvzdušňovačů , je pak srovnatelné s erupcí „sopky […] slyšené na míle daleko; pomysli na 4 nebo 5 tryskových letadel, která naštartují své motory: je to hluk způsobený výfukem plynu. „ Když jsou ventily úspěšnější při vypouštění plynu, škody se šíří potrubím elektrárny. Exploze samotného zařízení se stávají v oběhu na konci XX th století, může udělat mnoho obětí mezi zaměstnanci.
Dosažení vysokých teplot spojených s procesem je doprovázena expanze a fázových přeměn , které se očekává, různými technikami ( hry , pojistky , atd ), v okamžiku výstřelu. Na druhou stranu výrazné chlazení, i když je řízené, vede k poruchám, které mohou trouby vyřadit z provozu. Velká moderní vysoká pec, která je zapálena, proto zahajuje kampaň na 10 až 20 let, během níž může být její provoz přerušen pouze několik dní v roce, za účelem údržby jejích pomocných zařízení.
Konstrukce tedy musí být obzvláště robustní, modulární a redundantní. Špatná technologická volba, nevhodné suroviny, chyby při řízení atd. , může mít důsledky po celou dobu trvání kampaně, pokud není přerušena žádným incidentem ( výbuch páry , zničení v důsledku opotřebení nebo koroze, únik plynu atd. ) s následky, které jsou někdy tragické. Zajištění bezpečnosti je základním zájmem vysoké pece. Důsledkem těchto incidentů je jejich dopad na životní prostředí: i když není příliš znečišťující (zvláště když to porovnáme s koksárnou a aglomerací, které jsou s ní spojeny), bezpečnost vysoké pece věnuje málo pozornosti jejímu okolí.
Při fungování tak složitého nástroje je rozhodující lidský faktor. Dokonce iv XXI tého století, kompetence operátorů je často spojena s místním hutního tradici: „úroveň výkonnosti odvětví litého je tak do značné míry předem poznání dříve uložené a rozptýlené v této oblasti. "
Ocelářský průmysl, typický pro těžký průmysl , se vyznačuje velikostí a cenou svých továren, z nichž je vysoká pec pouze jedním prvkem. V roce 2012 mohou náklady na vybudování moderní „horké továrny“ (koksovna, sintrovna , 2 vysoké pece a ocelárna ) s kapacitou 5 milionů tun ocelových desek ročně dosáhnout 9 miliard dolarů . Z této částky představuje výstavba vysokých pecí přibližně 1 miliardu USD. Náklady na kapitál investovaný do výstavby vysoké pece pak představují 25 až 30% nákladů na tavení. Tyto náklady lze výrazně snížit zvětšením velikosti zařízení a jejich produktivity.
Amortizace investovaného kapitálu je veden od průmyslové revoluce , závod na velikášství. Na konci produkčního cyklu však může být oprava dostatečná k obnovení potenciálu instalace. Například vysoká pec 1 v Duisburgu zahájila v březnu 2008 pátou produkční kampaň. Tato oprava, která se provádí přibližně každých 15 let, stojí 100 až 250 milionů eur , v závislosti na velikosti místa (výměna opotřebovaných žárovzdorných materiálů, zastaralé automaty, deformované stínění, mechanismy nevhodné pro nové provozní režimy atd. ).
Je zjevně ekonomičtější než výstavba nové továrny, následné opravy vysoké pece pak staví životnost ocelového komplexu do strategických horizontů nejméně 25 let. Oprava vysoké pece je však výjimečným projektem díky své vzácnosti a rozsahu (1,5 až 5 let plánování, po kterém následuje sto dní výstavby) kvůli gigantismu nástrojů. Díky stáří vysokých pecí, které jsou neustále renovovány, je jejich standardizace iluzorní.
Funkční nákladyVýrobní náklady silně závisí na ceně surovin. V letech 2010–2011 nákup rudy odpovídal 52%, respektive 36% výrobních nákladů surového železa a souvisejících vedlejších produktů. Kromě toho tyto materiály, uložené alespoň před řetězcem, představují podstatnou imobilizaci peněz.
Naopak osobní náklady představují v západní zemi pouze 2,2% výrobních nákladů. Vzhledem k nízkým maržím proto ocelářský průmysl zůstává průmyslem, kde dovednosti týmů schopných omezit ztráty materiálu a energie jsou důležitější než mzdy. Honba za ztrátami je však ve starých průmyslových zemích obtížná, protože ocelové komplexy, které jsou staré, postrádají soudržnost.
Litina je výsledkem tavení železa, které je při kontaktu s koksem zatíženo uhlíkem až do nasycení . Zahrnuty jsou také kovy vyrobené reakcemi přímé redukce (mangan, křemík, fosfor atd. ).
V závislosti na použití litiny, ať už je to odlévání nebo rafinace, vysoká pec usiluje o složení, které umožní, aby následné nástroje fungovaly za optimálních podmínek. Obsazení pro rafinační konvertor (který na konci XX th století, což představuje téměř všechny železné pece), ačkoli to ztuhne do „ bílého železa “ se nikdy tzv. Toto roztavené „ surové železo “ má hodnotu pouze z hlediska svého chemického složení a teploty. Klasifikace litiny, která zahrnuje její chlazení a možné úpravy, proto obecně není při výrobě oceli relevantní .
Mléčné výrobkyStruska odpovídá hlušině rudy, ke které se přidává popel koksu. Jeho složení je navrženo tak, aby zajistilo snadné vyprázdnění kelímku, ale také odsíření litiny nebo dokonce ochranu kelímku. Po odlití se z něj v závislosti na obalu stává oblíbená surovina. Používá se hlavně při výrobě cementu (2/3 výroby v Evropě, zejména skelné strusky) nebo jako zásyp na silnici (1/3 výroby v Evropě, zejména krystalizované strusky). Používá se mimo jiné při výrobě skla , minerální vlny nebo jako betonové kamenivo ...
„V roce 1982 byla ve Francii téměř systematicky v deficitu hospodářská bilance [prodeje mléka]. „ Tento produkt, který se spaluje , však při zahřívání uvolňuje některé skleníkové plyny . Tato vlastnost v kombinaci s rozšířeným používáním vitrifikačních procesů, platí (předčasného XXI th století) tvorbu strusky. Přestože je však objem strusky stejný jako objem vyrobeného surového železa (kvůli rozdílům v hustotě), prodejní cena granulované strusky představuje méně než 5% výrobních nákladů surového železa.
Vysokopecní plynVysokopecní plyn obsahuje 22% oxidu uhličitého (CO 2), 22% oxidu uhelnatého (CO), 51% dusíku (N 2) A 5% vodíku (H 2). Jedná se o chudý plyn s nízkou výhřevností (3000 kJ / Nm 3 ) v důsledku přítomnosti oxidu uhelnatého a vodíku, ale představuje významnou část (≈30%) tepelné bilance zařízení.
Tento význam je vysvětlen množstvím vyprodukovaného plynu. Moderní vysoká pec produkuje kolem 1 500 Nm 3 plynu na tunu litiny. S ohledem na jeho hustotu (1,30 až 1,35 kg / Nm 3 ) je hmotnost vyrobeného plynu větší než hmotnost strusky a litiny dohromady. Kromě toho je tento plyn generován nepřetržitě po celou dobu životnosti vysoké pece.
Třetina vyprodukovaného plynu je přímo znovu použita kapotážemi . Koksovny integrovány do ocelárny může spotřebovat asi 20% plynu produkovaného vysokých pecích. Zbytek se valorizuje v jiných ocelových pecích nebo se používá k výrobě elektřiny , obvykle díky parní turbíně napájené kotlem (setkáváme se také s plynovými motory , spalovacími turbínami nebo cyklickými elektrárnami. Kombinovaně ). Vhodně poprášený a případně obohacený energičtějšími plyny, jeho spalováním se uvolňuje pouze několik výparů a znečišťujících látek, s výjimkou velkého množství CO 2, skleníkový plyn . Spalováním oxidu uhelnatého vzniká více oxidu uhličitého. V roce 2019 je výroba oceli zodpovědná za 7 až 9% celosvětových emisí oxidu uhličitého. Snížení těchto emisí je možné nahrazením uhlí vodíkem, biomasou nebo plastovým odpadem. Dalšími možnostmi jsou využití technologie zachycování a využívání uhlíku nebo technologie zachycování a ukládání uhlíku a používání více recyklovaných materiálů.
Neželezné a ocelové vysoké pecePrincip vysoké pece, tj. Redukce a tavení v nádobě spalováním uhlíku, neplatí výlučně pro železo:
"Oxidované železné rudy nejsou jediné, které lze v šachtových pecích redukovat." Stejný princip léčby, jak jsme již řekli, byl vyzkoušen nebo aplikován na velké množství kovů s různým úspěchem. "
- E.-L. Grüner, Pojednání o metalurgii
Ellingham diagram vskutku ukazuje, že mnoho oxidy kovů se redukují na kov oxidu uhelnatého při více či méně vysoké teplotě. Teoreticky lze tak získat měď od -5 ° C , nikl při teplotě 500 ° C , chrom při 1441 ° C , atd.
Pro jiné kovy, je teplota redukce je příliš Vysoká: oxid hlinitý je tak snížena na 2315 ° C . To také vyžaduje, aby oxidy nejsou odpařovat jakmile dosáhnou teploty potřebné k jejich snížení: v XIX th století, získávání zinku ve vysoké peci se považovalo za nemožné, a to z olova obtížné, protože nízké teploty odpařování některé z jejich oxidů.
Z těchto pozorování se vysoká pec již dlouho používá k výrobě kovů, zejména olova, mědi, niklu atd. Zřídka se také tímto způsobem vyrábí zinek, stejně jako fosfor . Přesněji řečeno , vysoká pec je pozoruhodně vhodná pro výrobu feroslitin : ferosilikon , ferrochrom a zejména feromangan se tímto způsobem snadno získávají.
Výroba ferrochromu ve vysoké peci zmizela, proces elektrické obloukové pece vyvinutý Paulem Héroultem kolem roku 1900 ji zcela překonal. Na konci XX th století, většina ostatních neželezných kovů výrobní procesy pro vysoké pece jsou dokonce nahrazen elektrické peci, méně kapitálu , menší a pružnější. Manganové vysoké pece, jejichž pyrometalurgie se blíží pyrometalurgii železa, byly široce používány: tyto zajišťovaly většinu výroby feromanganu až do roku 1975, kdy se elektrická pec již etablovala pro ostatní kovy. V roce 2011 zasáhla vysoká pec pouze pro 8% světové produkce feromanganu. Tato výrobní metoda přežívá hlavně v Číně (350 000 t / rok v roce 2011) a Rusku (160 000 t / rok v roce 2011). Číňané také zvýšila produkci surového niklu surového železa vysoké pece: zmizely během XX th století, je v roce 2011 téměř o 5% světové produkce niklu.
Od roku 1837 do roku 1986, tedy 150 let, se produktivita vysoké pece znásobila na 1000. Výkon zařízení, jakkoli výjimečného, se nepřestává zlepšovat: ve Francii bylo zapotřebí výroby tuny odlitku 3 tuny dřevěného uhlí do XVI th a XVII th století, 1,5 tuny uhlí na XVIII th století, 1 tuna koksu v roce 1961. moderní vysoké pece jsou obsah je XXI th století, 240 kg koksu a 200 kg uhlí.
Závod o gigantismus upřednostňoval a penalizoval vysokou pec. Podle amerického institutu pro železo a ocel : „Vysoké pece přežijí do příštího tisíciletí, protože větší a účinnější vysoké pece budou schopny vyrábět surové železo za cenu konkurenceschopnou s jinými technologiemi. „ Jejich význam by se však měl oproti elektrické oceli snížit , což může být podporováno přímým snížením procesů . V roce 2012 bylo 30% světové oceli vyrobeno v elektrických obloukových pecích .
Menší a pružnější jsou však alternativní procesy přímé redukce ziskové pouze za konkrétních podmínek. Jsou oprávněné, jakmile vysokou pec považujeme za jednoduché spojení v komplexu železa a oceli: „Musíme myslet nejen na vysokou pec, ale také na koksovnu a s ní spojenou aglomeraci . Dnes [brzy XXI th století], výstavba koksovny je obrovský podnik ve srovnání s mocí jako obloukové peci . Osady, které jsou již nyní ohrožená rasa [ sic ] v Severní Americe , jsou také velký problém, když se podíváte na požadavky ochrany životního prostředí. "
Povinnosti finanční a technické flexibility v kombinaci s vnitřními vlastnostmi procesu vysoké pece také vedly k vývoji moderních „mini vysokých pecí“ (včetně těch, které používají dřevěné uhlí). To představovalo v roce 1990 3,4% světové produkce litiny (ve srovnání s 2,7% přímé redukce): jedná se tedy také o okrajové nástroje, ale oceláři pečlivě hodnotili.
Na počátku XXI . Století tedy navzdory oznámení alternativní procesy, zejména přímá redukce, ocelářský průmysl nerozrušily . Byla vytvořena rovnováha mezi elektrickými ocelárnami a litinovým průmyslem. Toto pozorování vede vědce k dohodě, že ve vysoké peci uvidí hlavní proces výroby surového železa pro nadcházející desetiletí, i když klesající. Jeho vylepšení pak musí brát v úvahu:
Tyto poslední dva body se zdají obzvláště slibné. Vítr složený z čistého kyslíku v kombinaci se silným vstřikováním uhlí do trysek by transformoval vysokou pec na skutečný zplynovač . Spalování produkovaného plynu však generuje velké množství CO 2, skleníkový plyn. Redukce vodíkem by pak mohla být privilegovaná, přepracování plynů by se stalo ziskovým (díky vzhledu moderních procesů adsorpce obrácením tlaku nebo úpravou plynů aminy ), což by zvýšilo elektrickou spotřebu celého procesu.