VYSOKÁ PECE, VÝROBA LITINY – Technologie konstrukčních materiálů

Vysoká pec je vertikální šachtová pec. Moderní vysoké pece mají celkovou výšku až 80 m a užitečný objem (objem pracovního prostoru) až 5600 m3. Zdivo pece je umístěno v ocelovém plášti o tloušťce 30–40 mm. Produktivita vysoké pece o objemu 3000 m3 je více než 6000 tun surového železa za den. Provozní schéma vysokopecní haly moderního hutního závodu je znázorněno na obr. II. 1. Obr. II.1. Schéma provozu vysokopecní haly Suroviny přijíždějí v samovykládacích vozech na rudný dvůr, který se nachází rovnoběžně s řadou pecí. Mostový jeřáb přepravuje materiály do příjmových zásobníků vysokých pecí, odkud jsou přepravovány pomocí vážících vozů. 1 projít bunkrem 2 do nakládání kontejnerových vozů 3. Aglomerát, ruda, tavidlo a koks vstupující do pece v určitém poměru se nazývají dávka. Kontejnerový výtah je šikmý železniční most, po kterém se pohybují dva vozíky. Kontejner je zvednut ocelovým lanem na vrchol železničního mostu a poté převrácen. Pomocí nakládacího zařízení 4 Vsázka vstupuje do vysoké pece. Pec se skládá z vysoké pece 5, šachty 6, pár 7, ramena 8 a kovárna 9.

Vysoké pece, stejně jako všechny šachtové pece, fungují na principu protiproudu. Vsázka se shora snáší dolů a plyny vznikající při spalování paliva se k nim pohybují zespodu. Hrdlo má válcovitý tvar. Slouží k zavážení surovin a odvodu plynů. Hrdlo je vyloženo šamotovými cihlami a zevnitř chráněno ocelovými deskami. Zavážecí zařízení, umístěné nad hrdlem, přivádí suroviny v určitém pořadí. Kuželová šachta, rozšiřující se směrem dolů, usnadňuje spouštění materiálů a rovnoměrné rozložení plynů po průřezu pece. Pod šachtou se nachází nejširší válcová část vysoké pece – parní komora. Zde dochází k tavení hlušiny a tavidel za vzniku strusky, která končí rameny, která mají tvar komolého kužele zužujícího se směrem dolů. Spodní základna ramen má menší průměr v důsledku zmenšení objemu materiálů v důsledku jejich tavení. Ohniště umístěné pod rameny má válcovitý tvar. Ohniště a zdivo ramen jsou chlazeny vodou chlazenými deskovými chladiči. V horní části nístěje jsou vodou chlazené měděné trysky, kterými vstupuje ohřátý vzduch do vysoké pece. Zde se spaluje koks a ve spodní části nístěje na nístěji 10 Tekuté železo a struska se hromadí a periodicky uvolňují speciálními otvory zvanými odpichy. Železný odpich se nachází 0,5 m nad nístějí a struskový odpich 1,5 m nad nístějí. Půlmetrová vrstva tekutého železa, která neustále zůstává na nístěji, ji chrání před zničením. Železný odpich je mezi odpichy ze železa vyplněn žáruvzdornou hmotou. Struskový odpich je vodou chlazená dmychadla. Vysoká pec je vybavena několika ohřívači vzduchu – kaplery. Jejich počet je obvykle nejméně tři (obvykle čtyři), z nichž jeden je ohříván výfukovými plyny, další ohřívá studený vzduch a třetí je v záloze. Obr. II. 1 znázorňuje dva ohřívače vzduchu. Dmychadlo dodává studený vzduch do ohřívače vzduchu. 11, kde prochází vyhřívanou tryskou, zahřívá se na 1200–1300 °C a vstupuje do vysoké pece přes dmychadla. Tryska ohřívače vzduchu 12 je ohříván teplem ze spalování vysoké pece a zemního plynu dodávaného do jejích hořáků po čištění plynu 13. Produkty spalování jsou odváděny komínem 14. Když tryska ohřívače vzduchu 11 ochlazuje se a ohřívač vzduchu 12 – zahřívají se, automaticky se přepínají. Ohřev větru umožňuje výrazně zintenzivnit proces ve vysoké peci. Na úrovni dmychadel hoří horký koks v proudu ohřátého vzduchu a uvolňuje velké množství tepla: Vzniklý oxid uhličitý reaguje s pevným uhlíkem koksu a redukuje se na oxid uhelnatý. Tato reakce probíhá za absorpce tepla:

Když oxid uhelnatý narazí na rudu, redukuje oxidy železa a přeměňuje se na oxid uhličitý: Redukce železa oxidem uhelnatým se nazývá nepřímý nebo nepřímá obnova. Celkový tepelný efekt nepřímé redukce je pozitivní. Tento proces probíhá ve spodní části šachty vysoké pece při relativně nízkých teplotách. Přímá restaurování se nazývá redukce koksu pevným uhlíkem. Redukce pevným uhlíkem probíhá hlavně celkovou reakcí: Když železo reaguje s oxidem uhelnatým nebo přímo s uhlíkem, vzniká karbid železa Fe.₃C (cementit): Cementit se v železe dobře rozpouští a postupně ho nauhličuje, čímž vzniká slitina železa a uhlíku s výrazně nižším bodem tání. Ve vysokoteplotních zónách (napařování, ramena) taková slitina přechází do kapalného stavu a proudí do pece. Současně s redukcí a nauhličováním železa se oxidy křemíku, manganu, fosforu a některých dalších prvků redukují a rozpouštějí v kovu. Litina se z pece uvolňuje litinovými odpichovými otvory 4–6krát denně. Litina stéká žlabem do speciálních litinových pánví s kapacitou až 100 tun, ve kterých je po železničních kolejích posílána k odlévacímu stroji, nebo – v případě přeměny na ocel – se nalévá do speciálních vyhřívaných sběračů – míchaček. Udržování v míchačce pomáhá vyrovnat chemické složení litiny.

Litina se také taví ve vysokých pecích. Litina se do strojírenských závodů dodává ve formě plných odlitků – poskoků. Poté se přetavuje v kuplovnách, plazmových, elektrických obloukových a indukčních pecích. Vzhledem k jednoduchosti konstrukce se nejrozšířenější stala kuplovna, jejíž schéma je znázorněno na obr. II.2. Princip činnosti kuplovny je následující. Šachta pece se nejprve naplní koksem do výšky přibližně rovné vnitřnímu průměru kuplovny nad dmychadly. Poté se naloží kovová vsázka (slévárenské a surové železo, vratná surovina z vlastní výroby, ocelový šrot, feroslitiny atd.), koks a tavidlo potřebné pro tvorbu strusky. Jak je znázorněno na obr. II.2. Diagram kupole: 1 — sloupy; 2 — základní deska; 3 — nakládací okno; 4 — hřídel; 5 — dmychadlo; 6 – sběrač strusky; 7 — otvor pro vypouštění strusky; 8 — vápenec se používá jako výstup tavidla pro litinu. První porce koksu se zapálí, načež se dmychadlem přivádí proud vzduchu. Jak se kov taví, shromažďuje se ve sběrači a pravidelně se z něj uvolňuje. Jak se kov taví, vsázka se systematicky zaváží. Moderní kuplovny mají kapacitu 2,5–50 t/h tekuté litiny. Pro snížení spotřeby koksu se proud vzduchu zahřívá na 350–550 °C.

Vysoké pece hrají důležitou roli ve výrobě oceli, kde přeměňují železnou rudu na železo pomocí vysokoteplotního redukčního procesu tavení. V tomto článku se podrobně podíváme na princip fungování vysoké pece, její části a funkce a její využití v dalších aplikacích.

Co je to vysoká pec?

Vysoké pece jsou v podstatě vysoké vertikální šachty, které využívají teplo a chemické reakce k přeměně železné rudy na roztavené železo. V podstatě se jedná o obrovskou ocelovou skříň, která pracuje pod vysokým tlakem a teplem, aby přeměnila železnou rudu na kov, což je hlavní surovina při výrobě oceli. Slovo „výbuch“ ve skutečnosti označuje vysokotlaký vzduch, který je do pece vháněn, aby se proces udržel. Kyslíková pec (BOF) se používá především k výrobě železa a oceli a její použití se v průběhu staletí vyvíjelo.

Hlavní složky vysoké pece

Železná ruda je primární surovinou pro vysokou pec a obvykle se jedná o oxid, jako je hematit (Fe2O3) nebo magnetit (Fe3O4). Tyto rudy mají vysoký obsah železa, ale kov je chemicky vázán s kyslíkem a dalšími prvky. Železná ruda se chemickými reakcemi přeměňuje na železo.

Koks je materiál bohatý na uhlík, který se získává zahříváním uhlí bez přístupu kyslíku.

Vápenec se v peci používá k odstranění nečistot v železné rudě, jako je oxid křemičitý. Tyto nečistoty se přimísí, když se vápenec přeměňuje na vedlejší produkt zvaný pecní struska.

Formování železa ve vysoké peci znamená, že se tyto materiály za určitých podmínek vsázejí do pece.

Jak funguje vysoká pec?

Vysoká pec se naplní železnou rudou, koksem a vápencem a odešle se na cestu. Štěpky a vláknité materiály se střídají do horní části pece. Pec nyní pracuje při velmi vysoké teplotě – asi 2000 °C (3632 °F). Do pece je zespodu vháněn horký vzduch, který zapaluje koks a spouští chemické reakce, které rozkládají rudu.

Od horní části pece až po dno procházejí materiály několika procesy, jejichž výsledkem je zkapalněné železo na dně pece. Pokud se podíváte na každý krok podrobně – ohřev, chemické reakce, oddělování nečistot – můžete vidět, jak vysoká pec funguje.

Úloha vzduchu v topeniště

Vzduch je do pece přiváděn dmychadlem nebo speciální tryskou umístěnou ve spodní části pece. Vháněný vzduch zajišťuje přívod kyslíku, který podporuje spalování koksu, a reakčními produkty jsou oxid uhličitý a oxid uhelnatý. Oxid uhelnatý je velmi důležitý, protože je to redukční činidlo, které reaguje se železnou rudou za vzniku železa.

Pro udržení požadované teploty ve vysoké peci je zapotřebí ultravysokotlaký vzduch, který usnadňuje chemické reakce. Bez takového proudu vzduchu nebudou chemické reakce probíhat efektivně a pec nebude schopna produkovat roztavené železo.

Reakce ve vysoké peci

Redukce železné rudy

V důsledku koksování vzniká oxid uhelnatý (CO), který reaguje s oxidem železitým (Fe2O3):

Tato reakce uvolňuje kyslík z železné rudy a vytváří čisté železo (Fe), které se mění na tekuté železo, jež se usazuje na dně pece.

Tvorba strusky

Vápenec (CaCO3) se přidává, aby se spojil s nečistotami v železné rudě, jako je oxid křemičitý (SiO2), za vzniku strusky:

Oxid vápenatý (CaO) se poté spojí s nečistotami a vytvoří křemičitan vápenatý (strusku), který stoupá na povrch roztaveného železa.

Tyto reakce jsou základem reakce ve vysoké peci které přeměňují suroviny na použitelné roztavené železo.

Roztavené železo a struska

Po dokončení reakce klesá roztavené železo ke dnu pece a struska plave nahoru. Oxid železa, jak se surovina nazývá, klesá ke dnu pece, kde se taví, a roztavené železo se odstraňuje speciálním ventilem. Nečistý materiál, známý jako „struska“, se z pece odstraňuje samostatně.

roztavené železo

Když se na dně pece vytvoří dostatek roztaveného železa, je „vytlačeno“ hubicí do formy nebo nádoby. Toto železo, nazývané surové železo, je surovinou pro další výrobu oceli. Právě v této ocelářské peci se obsah uhlíku v surovém železe snižuje a používá se k výrobě oceli. Klíčovou roli hraje surové železo vyrobené ve vysokých pecích.

Co se stane se struskou?

Odpad z vysokých pecí se neplýtvá. Často se používá pro stavební práce, na povrchy silnic nebo se recykluje k výrobě cementu. V některých případech lze strusku zpracovat také za účelem získání železa, a je tak cenným vedlejším produktem.

Teplota a regulace

Optimalizace provozu vysoké pece vyžaduje pečlivou regulaci teploty. Pokud je příliš nízká, reakce nebudou účinné. Příliš vysoká teplota může způsobit poškození pece. Regulace teploty Nastavení množství koksu nebo průtoku vzduchu. Později byly tyto faktory začleněny do pokročilých systémů řízení vysoké pece, aby se správně reguloval a řídil hladký provoz vysoké pece.

Úloha vysoké pece ve výrobě oceli

Vysoká pec je velká tavicí pec, která je klíčovou součástí procesu výroby oceli. Její hlavní funkcí je přeměňovat železnou rudu na roztavený kov pro výrobu oceli.
Proces zahrnuje přivádění železné rudy a koksu z horní části vysoké pece a redukci plynů stoupajících zespodu, které nakonec přeměňují oxid železa na rozžhavený kov.
Ve vysoké peci se tedy vyrábí surové železo, které se ve druhé fázi přeměňuje na ocel.

Moderní vylepšení

Díky novým technologiím jsou vysoké pece energeticky účinnější a šetrnější k životnímu prostředí. Nové pece mají sofistikované řídicí mechanismy, které optimalizují teplotu, proudění vzduchu a přísun materiálu. Vysoké pece nejenže mohou pracovat na alternativní materiály, jako je biomasa, aby se snížily emise uhlíku, ale stále častěji se také navrhují tak, aby alespoň fungovaly na alternativní materiály, aby se snížily emise uhlíku a emisí. Tímto způsobem pomáháme tomuto odvětví směřovat k udržitelnosti.

Závěr

Vysoká pec je životně důležitou součástí ocelářského a dalších průmyslových odvětví. Proto nám pochopení procesu ve vysoké peci a toho, co se v ní děje, pomáhá pochopit, jak složitá může být průmyslová výroba. Principy vysoké pece formovaly rozvoj průmyslu po staletí a nadále hrají důležitou roli v moderní výrobě.