Bir maden eritme ocağı bir olduğu sanayi montaj aynı anda amaçlanmıştır oksitsizleştirmek ve metallerin erimiş bir içerdiği cevheri ile, yanma açısından zengin bir katı yakıt karbon . Tipik olarak, yüksek fırın demir cevherini erimiş dökme demire dönüştürür , hem yakıt hem de indirgeyici madde olarak işlev gören kok yakar . Üretilen dökme demir başlı başına bir malzeme olmasına rağmen , genellikle bu alaşımın rafine edilmesi amaçlanır .çelik işleri .
Yüksek fırın pik demir üretir eriyik aksine, fırın tabanında bir üretir, lens bölgesinin demir elde edilmiştir. Ancak bu doğrudan bir evrimdir, ancak üretilen dökme demirin değerini nasıl artıracağımızı öğrenene kadar yaygınlaşmadı. Böylece, Çin den geliştiriyor ben st yüzyılda boyunca yüksek fırının kullanılması dökümhane . Batı sonra kabul edecek XII inci dökme demir rafinasyonu yöntemlerinin gelişmesiyle birlikte, yüzyılın doğal çelikten . İlk sanayi devrimine katkıda bulunan kok ve yanma havası ön ısıtmasının yaygın olarak kullanılmasıyla mevcut biçimine burada evrildi .
Temel prensibi değişmeden dev bir alet haline gelen yüksek fırın, artık bir fırınla ilişkili bir dizi kurulumdur. İlkenin yaşına rağmen, bütün, son derece karmaşık ve ustalaşması zor bir araç olmaya devam ediyor. Onun termal verimlilik ve kimyasal istisnai onu başına kadar hayatta kalmak için izin XXI inci yüzyıl, işaretlediğiniz teknik değişiklikler çelik üretiminin geçmişi .
İster “ateşin katedrali” ister “mide” olsun, yüksek fırın aynı zamanda genellikle bir demir-çelik kompleksini özetleyen bir semboldür . Yine de bu sadece bir bağlantıdır: çelik üretim sürecinin kalbinde yer alır ve en az onlar kadar karmaşık ve pahalı olan bir koklaştırma tesisi , bir aglomerasyon tesisi ve bir çelik tesisi ile ilişkilendirilmelidir . Ancak elektrikli çelik fabrikalarının ilerlemesi ve doğrudan azalma göz önüne alındığında düzenli olarak duyurulan bu fabrikaların ortadan kalkması henüz öngörülmemektedir.
Bakış açısından sözlüğü , bir bakıma kelimenin tarih nesnesinin tarihini önce gelir. Biz gerçekten de "yüksek fırın" nde toplantı XV inci yüzyıl, ama kadar XIX inci yüzyıl, bu isim "fırın", "demir fırın", "ergitme fırını", "büyük fırın", "Yüksek soba" gibi düzenli yanında başka isimler , vb. Bu isimlerin tümü, bir büyüteç fırınının aksine bir döküm fırınına atıfta bulunur . Ancak 5 ile 20 metre arasında değişen yükseklikler isim belirlemez. Anketlerde, birçok fırın gerçekten de yüksek fırınlardan daha uzun . Orta kadar değildi XIX inci yüzyılın, nesne adını katılır. As Roland Eluerd yazıyor : “tarihin dört asır tarafından cilalı, adı yüksek fırın modernitenin saf sembol, kırktan fazla metreye yükseltilmiş fırın, gerçek bir çelik endüstrisinin sözlüğünde geçmişten gelen bir süper mevcut haline gelebilir şirketin sinyali, kuşkusuz yüksek fırın olacaktı. "
Böylece Fransızlar, Francique'den gelen Hochofen unvanına karşılık gelir . Tersine, İngilizce yüksek fırın kelimesi, yüksek fırının temel bir özelliğini, yanma havasının cebri enjeksiyonu, "rüzgar" anlamına gelir.
İlk cevher indirgeme aracı yüksek fırındı . “Düşük ocak” olarak adlandırılan en ilkel haliyle, toprakta yaklaşık 30 cm çapında, kömür ve cevherle doldurulmuş bir deliktir . Ateş genellikle deri ilavesi olarak yapılmış bir körükle beslenir . On saatin sonunda, fırın yıkılır ve yumruk büyüklüğünde, az ya da çok indirgenmiş demir ve cüruftan oluşan heterojen bir karışım olan akkor bir büyüteç elde edilir . 700 ile 900 °C arasında ulaşılan sıcaklık , demir cevherinin indirgenmesi için yeterli olmasına rağmen, demirin erime sıcaklığından, 1535 °C'den uzaktır .
“Klasik” alt fırına doğru evrim, yapının yükseltilmesinden ve hava beslemesini kolaylaştırmak için tabanında bir yan açıklığın sağlanmasından ibarettir. Kısa bir baca, çalışma sırasında fırını yeniden doldurmayı kolaylaştırırken aynı zamanda çekişi de etkinleştirir. Sıcaklıklar 1000 için 1200 ° C ve böylece ulaşılır ve sıvı hale gelmiştir cüruf, açıklıktan çıkarılabilir.
Adı verilen bu cürufun demir içeriği, cüruf , sıcaklık arttıkça azalır. Yangın daha sonra, örneğin yapı bir yamaca yaslanarak yüksekliği artırarak doğal çekişi güçlendirerek ateşlenir. Aynı şekilde, körükler daha verimli ve daha iyi kontrollü bir hava beslemesine izin verir. Bu “doğal taslak” ve “Körük” sobalar birkaç birkaç kilogram ağırlığındaki bir büyüteç üretmek quintals 4 ile 20 saat arasında bir kampanyanın sonunda. Bu büyüteç, birkaç yeniden ısıtma ile dönüşümlü olarak bağlama ile kömür ve cüruf topaklarından hemen temizlenir ve sonunda istenen nesneleri elde etmek için dövülür . In Batı Avrupa , tesis ve komşu uydurandan "tilki çiftlikleri" kadar yaygın kalır demek XVIII inci yüzyılın. Daha sonra 5 ila 10 kişi çalıştırdılar, o zamanın yüksek fırınlarının kapasitesi yılda 60 ila 120 ton arasındaydı ve 100 kg demir için 270 kg odun kömürü tüketiyordu .
Japonya için kıtanın fırın tabanını ithal VIII inci yüzyıl. Teknik biten kadar mükemmel olduğunu XV inci yüzyılda, Tatara . Aranan ürüne bağlı olarak fırının konfigürasyonu değişir: 0.9 ila 1.2 m yüksekliğindeki tataralar çelik üretimi için tasarlanmıştır; 1,2 m'nin üzerinde , katılaşana kadar fırından çıkarılmayan beyaz dökme demir üretirler . Kullanılan demirli kumların düşük geçirgenliği yüksekliği 1,6 m ile sınırlar ve bu nedenle yüksek fırına doğru hareketi engeller. Erken dek kullanılmış XX inci yüzyılda Tatara , son haliyle, için, derin küvetli ve 70 hakkında saatlik bir kampanya süreci içinde metal bir kaç ton üretim şeklinde bir fırının çalışması adanmış bir yıllık sanayi yapıdır hangi fırının konstrüksiyonu eklenmelidir.
Olarak Afrika , demir ve çelik fırınlarında en eski izleri, demir ve karbon gibi kabartılar keşfedilen Nubia (özellikle de Meroe ) ve Aksum ve tarihli için 1000 - 500 MÖ. AD . Düşük doğal taslak sobalar başına kadar bu kıtada kullanılmaktadır XX inci yüzyılın. 1 ila 3 arasında bir yüksekliğe sahip bazı m , inşa edilir termit höyüklere uygun oyulmuştur ve içinde bir kil fırın inşa edilmiştir. Ki memeler fırının tabanında yerleştirilen seramik bir hava yeterli miktarda sağlar. Yaklaşık yirmi saat sonra, futbol topu büyüklüğünde bir büyüteç topluyoruz. Ülkenin tipik Böyle yüksek fırınlar, bassar içinde Togo , çok saf cevheri kullanmak Bandjéli .
Çin demiri eritmek başlıyor V inci yüzyıl M.Ö.. MÖ sırasında Savaşan Devletler dönemine göre tarım alet ve silahlar sırasında eritme yaygın hale iken kurucuları III inci yüzyıl M.Ö.. AD iki yüzden fazla kişiden oluşan ekipler istihdam etmektedir.
Yüksek fırında elde edilen büyüteçten elde edilen demir daha sonra kupol fırınlarına benzer fırınlarda eritilir . Ancak sıcak demir, odun kömürü ile temas ettiğinde, doygun hale gelene kadar yakıtta bulunan karbonu emer. Daha sonra dökme demir elde edilir, eritilmesi demirden daha kolay, homojen ve büyüteçte bulunan yabancı maddelerden arındırılır. Çin tüm demir bileşiklerinin gelişimini geliştirdi: ek olarak arıtma ve mazéage dökme demir, üretilir I st yüzyıl M.Ö.. AD ve çelik demir ve dökme demir karıştırarak.
In 31 AD AD , Çin Du Shi , körüğü hareket ettirmek için hidrolik kuvvet kullanarak havalandırmayı iyileştirir . Yanma daha güçlü ve Çin'de ortaya çıktı cevheri, doğrudan demir üretmek ilk yüksek fırın olan I st sırasında yüzyılda Han Hanedanı . Bu ilkel yüksek fırınlar kilden yapılmıştır ve fluks olarak fosfor (muhtemelen vivianit ) içeren bir "kara toprak" katkı maddesi kullanır . Du Shi'nin geliştirilmesi ayrıca yanma havasının daha yüksek bir yükten geçmesine ve fırınların daha sonra heybetli boyutlara ulaşmasına izin verir: 12 × 18 m'lik bir toprak tabanına yerleştirilmiş 2,8 × 4 m'lik oval bir potanın kalıntıları, kalıntıları ile birlikte. çevre tesisatları (kanal, cevher kaldırma mekanizması, körük vb. ) bulunmuştur. “Yüksek” fırının özelliği olan boyuttaki bu artış, daha yüksek bir sıcaklık elde edilmesine katkıda bulunur.
Sırasında Han hanedanı , geliştirilen teknik, demir endüstrisi bile oldu kamulaştırdı . Tang ve Song hanedanlıkları sırasında yüksek fırınların ve kupol fırınlarının kullanımı yaygındı . Gelen IV inci yüzyılda, Çin demir sanayi sınırlar ormansızlaşmayla benimseyerek kömür demir ve çelik eritmek için. Bununla birlikte, geliştirilen prosesler , kömürde bulunan kükürt tarafından metalin kirlenmemesini garanti ediyorsa, kömürün yüksek fırın ile birlikte kullanıldığına dair hiçbir iz yoktur. Gerçekten de sadece odun kömürü yüksek fırında kullanıma uygun bir kaliteye sahiptir, çünkü indirgeyici madde rolünü oynayabilmesi için cevher ile temas halinde olması gerekir.
Gelen XIX inci yüzyılda, bu fırınlar, ters kesik koni şeklinde, 2 olması m yüksekliğinde, gelişen 0.6 iç çapı 1.2 m tabanına üstten. Duvarlar kilden yapılmış ve demir bir kafes ile güçlendirilmiştir. Ocak yaklaşık olarak 30 ° daha uygun döküm hasat için eğilebilir. Limonit veya kömür demir cevheri ve yapısına bağlı olarak kömür veya kok ile yüklenir . Rüzgar bir pistonlu üfleyici tarafından enjekte edilir . Bu tip bir düzenek daha sonra 450 ila 650 üreten kg , 100 bir tüketimi ile, günlük dökme demirden kg başına 100 kok kg üretilen demir.
Bu teknoloji başında ortadan kalkmaz XX inci yüzyıl. 1900 civarında , Filipinler'de Bulacan'da benzer bir yüksek fırın bulunabilir . Daha sonra, Büyük İleri Atılım sırasında Mao Zedong tarafından savunulan "avludaki yüksek fırın" bu türdendir. Deneyim, yalnızca know-how'ın olmadığı veya ortadan kalktığı bölgelerde teknik bir başarısızlıktır.
Avrupa'daBoyunca fırın, düşük Ortaçağ , cevher Çıkıntılar ve yakıtın mevcudiyetine ama başında bağlı yapýlar göçebe süreç XIII inci yüzyıl, sobalar daha etkili görünmektedir. Bunlar, yanma havasını üflemek için hidrolik enerjiyi kullanarak daha büyük hale gelir ve yakıtı daha iyi kullanır. Bu "kitle fırınlar", tankı korunan yüksek fırınlardır: büyüteç, fırının tabanındaki büyük bir açıklıktan çıkarılır. Bu tip fırınların başarılı bir örneğidir Stückofen 4'tür, kare ve duvarcılık bölümünde, m en fazla 10, Ortaçağ'da m içinde XVII inci olanların yüzyıl Vordernberg içinde Styria ardından Orta Avrupa merkezi dökme demir üretim. 1.600 °C civarında sıcaklıklara ulaşabilen bu fırınlar metali kısmen veya tamamen eritebilir. İkinci durumda Flussofen (yani “ergitme fırınları”) olarak adlandırılanlar, erimiş dökme demir üreten otantik yüksek fırınlardır.
Bu, bir kitle alt fırın fırın kadar gelişmiş, bu erimiş demir üretebilir, çeşitli yerlerde Avrupa'da meydana XII th için XV inci yüzyılda. İlk yüksek fırınların görünüm kesin yeri ve tarihi henüz kesin olarak belirlenmiş değildir: eski Avrupa yüksek fırınların gelen kalıntılarıdır onaylanmış Lapphyttan , İsveç kompleksi aktif oldu, 1150 1350 . Noraskog olarak, içinde Järnboås İsveç kilise , hatta eski yüksek fırınların izleri de muhtemelen de 1100. yılında kıta Avrupa'dan, kazı gün ışığına çıkardıklarını yüksek fırınları kalma bulunmuştur İsviçre yakınında Durstel vadisinde, Langenbruck ve aralarında tarihli XI inci ve XIII inci yüzyıllar. Aynı zamanda tespit edilmiştir Almanya'da erimiş demir (a üreten bir fırın Flussofen vadide) Kerspe 1275 tarihli ve içinde Sauerland , yüksek fırın ve orijinal tarihli XIII inci yüzyıl. Son olarak, Fransa ve İngiltere'de, Sistersiyenler en iyi metalurji teknolojilerini incelediler ve yaydılar: kütle fırınlarının verimliliği bir yüksek fırınınkine çok yakın çıktı .
Çin'den Avrupa'ya bir teknoloji aktarımı mümkündür, ancak hiçbir zaman kanıtlanmamıştır. Gelen XIII inci yüzyılın Al-Kazvinî dağlarda bir demir endüstrisinin varlığı dikkat Elburz güneyindeki Hazar Denizi teknikleri kadar gerçekleşebileceğini, İpek Yolu . Bu teknoloji aşağıdaki İsveç'e, Avrupa'ya yayılmasını olabilir Varègues ticaret yolu ( Rus' birlikte) Volga veya 1226 yılında, İtalya'nın kuzeyindeki Le Filarete iki-inme bir süreç tarif Ferriere a ile, pelet yapmak için dökme demiri günde iki kez suya dökülen yüksek fırın.
Daha olası yüksek fırın içinde zuhur ettiğini ise İskandinavya ve başka yerlerde ne olursa olsun Çin buluşlarından, Avrupa'da yüksek fırının genelleme başlayan Burgonya Hollanda arasındaki Liege ve Namur ortasında XIV inci yüzyılın. Bu, dökme demirin rafine edilmesi için verimli bir sürecin , doğal çeliğin kitlesel olarak üretilmesini sağlayan " Valon yöntemi "nin geliştirilmesidir . Oradan, yüksek fırınlar Fransa'da, Bray (Normandiya) ülkesinde , ardından İngiltere'de, Weald'de ( Sussex ) yayıldı .
At XVI inci yüzyılın ihtiyaçları topçu başarısı artırdığını, silah için Marignan savaşında , ahşap ısıtılan büyük ocaklarından oluşturulmasını hızlandıracaktır. Halihazırda mevcut olan 460'a ek olarak, her yıl 20 ila 30 arasında inşa ediliyor. 1546'da, Francois 1 st ormanların tahrip sınırlamak için sayısını azaltmak zorunda kaldı. Havzalar ortaya çıkıyor, bu aktivitede uzmanlar. Liège, Avrupa'nın metalurji merkezi olur.
Çince aksine, eğer "Avrupalılar için İsveç'te döküm yaptık XIII inci yüzyıl, onlar yapmak için kullanılan vermedi dökümleri . Bu döneme ait herhangi bir tencere, tava (yemek pişirmek için), çan, ocak tabağımız yoktur. " Erime yöntemleri rafine gelişimi (Valon yöntemlerle, şampanya, ek olarak Osmond , vb ), faaliyet daha fazla olur sermaye . Kereste ve cevher gereksinimlerinin yanı sıra hidroelektrik mevcudiyeti kritik öneme sahiptir. 1671 yılında bir yüksek fırın Putanges , içinde Aşağı Normandiya için blok halinde satıldı 500 lira bir yüksek fırın tarafından değiştirilecek, kiralanan 1.200 yılda pound. Bu kısıt olarak, geliştirilmiş soba düşük hayatta kalma açıklar Katalan demirhaneye içinde, o Fransa'nın , başında kaybolur XIX inci yüzyıl, Thomas süreç spread.
Dökme demirin üretimi, demire dönüştürülmesi gibi, ahşap ihtiyaçları nedeniyle çok kısıtlı kalmaktadır. Yakıt tüketimi oldukça fazladır: günde 50 kg demir elde etmek için günde 200 kg cevher ve 25 metreküp odun gerekir ; kırk gün içinde, tek bir kömür madeni 1 km yarıçapındaki bir ormanı temizler . Bu pozlar sürece hiçbir sorun açıklıklar tarımın gelişmesi için yararlı olmakla birlikte, XIII inci bir sınıra ulaşıldığında yüzyıl: ormanlar önemli bir besleyici rolünü korumak, ahşap bina ve ısıtma ve için gerekli olan asalet günlük geliri türemiştir. Sonuç olarak, ahşabın kesilmesi giderek daha düzenli hale gelir.
Kömür, yakıt ve indirgeyici ajan olarak, tarafından kabul edilmişti Çince sırasında Savaşan Devletler dönemine göre IV inci yüzyıl M.Ö.. AD . Onlar yakıt demire temas etmedi hangi bir kömür fırını geliştirdik ve rağmen kömür yaygın içinde demirhanelerde ahşap ek olarak kullanıldı XVIII inci yüzyılın yüksek fırın içerisinde bu kayanın tarafından kömür odun yedek sadece kalitesiz dökme demir verdi.
Aslında, taş kömürü, uygun son işlem ( ızgara ) olmaması nedeniyle dökme demirin kalitesini değiştiren elementler içerir . Silikon , sınırlayıcı çözünürlüğe demirin karbon, ince tabakası oluşmasına neden olur ve grafit metal zayıflatır. Kükürt daha sorunlu: bir elemandır gevrekleştirici ve içeriği% 0.08 aştığında zayıflaması. Demir cevherlerinde yaygın olan manganez ile birleştiğinde çeliklerin kalitesini önemli ölçüde düşürür. Silikon durumundan farklı olarak, sıvı demirde çözünmüş kükürtün ekstraksiyonu, hava tarafından tüketilemediği için zordur.
İbrahim Darby 1709 yılında dökme demirden ilk döküm yürütülen kola küçük eritme ocağında, Coalbrookdale o kiralamıştı:
"Yüksek fırında demiri kömürle eritmenin mümkün olduğu aklına geldi ve oradan önce ham kömür kullanmayı denedi, ama işe yaramadı. Cesaretini kaybetmedi , malt fırınında olduğu gibi kömürü küle çevirdi ve sonunda tatmin oldu. Ama kaliteli demir yapmak için en uygun kömürün yalnızca bir tür olduğunu buldu…”
- TS Ashton , Sanayi Devriminde Demir ve Çelik
Sürecin ayrıntıları hakkında çok az iletişim kuran Darby'ler, süreci ve üretilen dökme demirin kalitesini sürekli olarak iyileştirmektedir. 1750 civarında, Abraham Darby II , kok döküm demirini kaliteli çeliğe dönüştürmeyi başardı. Ama genelleme önce birikmesi erken XIX inci yüzyılın ardından herhangi erime meydana dönüştürme yeteneğine hiçbir işlem yoktur. Dayanıklı ve ucuz nesneler üretmek için dökme kalıplamanın benimsenmesi , Sanayi Devrimi'nin önemli bir bileşenidir .
Kok genelleme çünkü hem genelde vasat kalitesi ve belli isteksizliği, yavaş Forge ustaları aynı zamanda nedeniyle, korumacılık üreten ülkelerde (Fransa, Almanya, vs) vis-à-vis genişlemesi tarafından uygulanan İngiliz çelik endüstrisi. 1760'ta Birleşik Krallık'ta hala sadece 17 koklu yüksek fırın vardı, ancak 20 yıl sonra yeni süreç orada yaygınlaştı.
Gerçekten de, kendisini düşük kömür mevcudiyetinden kurtaran İngiliz dökme demir üretimi patlıyor. 1809'da, kok ergitmenin icadından bir asır sonra, yıllık üretim 400.000 tona ulaşırken, aynı dönemde kömür ergitme üretimi 15.000 ila 25.000 ton arasında dalgalandı. Bu tarihten sonra kömürlü yüksek fırınlar ülkeden kaybolurken, Fransa ve Almanya'da bazı cesaret verici testlere rağmen (1769'da Hayange'de ve 1796'da Gleiwitz'de ) kok üretimi hala çok marjinaldi . Ancak İngiltere ile yapılan savaşların sona ermesinden itibaren süreç kıtada gelişti. Ahşabın mevcudiyeti ile daha az kısıtlı olan Amerikan çelik endüstrisi, yavaş yavaş kok lehine terk etmeden önce Pennsylvania'da bol miktarda bulunan antrasit kullanımını geliştirecek .
Gelen XIX inci yüzyılın kok kullanımı sanatta radikal bir değişim sağlar. Bu yakıtın mevcudiyetine ek olarak, yüksek sıcaklıkta sıkıştırmaya karşı direnci , indirgeyici gaza karşı iyi bir geçirgenliğin korunmasını mümkün kılar . Yüksek fırınların yüksekliği daha sonra yirmi metreye ulaşır ve bu da termal verimliliği önemli ölçüde artırır . Boyutundaki artış, aynı zamanda fırının görünümünü değiştirir: eski piramit şeklinde bir yapı duvar demir hafif ve güçlü bir yapı ile değiştirilir. Daha iyi soğutulan refrakter astar ayrıca daha uzun süre dayanır.
Kalitesi nedeniyle, kömürlü dökme demir, çok düşük üretimle hayatta kalır. Bessemer , sürecini geliştirirken, onu İsveçli dökme demirin kömürle rafine edilmesine adadı. Başında XXI inci yüzyıl, hala bazı yüksek fırınlar kömür orada var okaliptüs ağırlıklı yılında, Brezilya .
Sıcak rüzgarÖnceden ısıtılmış bir rüzgar ile üfleyerek eritme fırınının verimini arttırma mantıklı adımdır: sırasında Han Hanedanı (206 BC 220 , AD ), Çin şişmiş besleme rüzgar yapılan boğaz üzerinde ısının geri kazanılması..
Ancak teknik kaybolur. 1799'a kadar Seddeger adında bir mühendis bu fikri savundu ve bir başkası, Leichs, 1812'den 1822'ye kadar deneylerle bunu doğruladı. Ancak, 1828'de, İskoçyalı Neilson ilkenin patentini aldığında , bu araştırmalar biraz şüphecilikle karşılandı:
“Teorisi, mümkün olan en soğuk havayı tercih eden yerleşik uygulama ile tamamen çelişiyordu; genel olarak kabul edilen fikir, kışın havanın soğukluğunun o zaman üretilen dökme demirin daha iyi kalitesini açıkladığıydı. Bu gözlemden hareketle, demirci ustalarının çabaları her zaman üflenen havanın soğutulmasına yönelik olmuş ve bunun için çeşitli çareler icat edilmişti. Böylece regülatörler beyaza boyandı, hava soğuk suyun üzerinden geçirildi ve birkaç durumda enjeksiyon boruları buzla bile çevrildi. Bu yüzden Neilson süreci tamamen tersine çevirmeyi ve soğuk yerine sıcak hava kullanmayı önerdiğinde, demir ustalarının inançsızlığı kolayca hayal edilebilir…”
- R. Chambers , Seçkin İskoçların Biyografik Sözlüğü
Gerçekten de, soğuk havanın avantajının yalnızca daha kuru olması gerçeğinde yattığını kimse anlamamıştı. Ancak bir sanayici olan Neilson, 1829'da Clyde Iron Works'ün yöneticilerini bazı cesaret verici testler yapmaya ikna etti . Kısa sürede 150 °C'ye ulaşabilecek hale gelir ve üç yıl sonra Calder Works , yaklaşık 350 °C'de bir hava uygular .
Borulu tip ısıtıcının yakıt tüketimi hesaba katıldığında bile, sağlanan ısı, cürufun demir içeriğini önemli ölçüde azaltırken toplamda üçte bir oranında kok tasarrufu sağlar. Son olarak, araştırmacılar sıcak rüzgarın kimyasal ve fiziksel davranış üzerindeki etkisini tartışırken, üreticiler kok gereksinimlerinin sınırlandırılmasının hem aynı tanka daha fazla cevher koymayı hem de tahliye edilecek kok külü miktarını azaltmayı mümkün kıldığını çabucak anlarlar. Kömürün yerini alması neredeyse bir yüzyıl süren kok kullanımının aksine, süreç hızla benimsendi.
Neilson cihazının bir avantajı da kalitesiz karbon içerikli olmasıdır. Bununla birlikte, boğazdan çıkarken kendiliğinden tutuşan yüksek fırın gazlarının kalorifik değeri hiç kimsenin gözünden kaçmamıştı: 1814'ten itibaren Fransız Aubertot, fabrikasının birkaç ek fırınını ısıtmak için onları geri kazandı. Gerçekten de, bu gazlar küçük bir oranda (o sırada yaklaşık %20) toksik ama yanıcı bir gaz olan karbon monoksit içerir . 1837'de Alman Faber du Faur , yüksek fırın gazıyla çalışan ilk hava ısıtıcısını geliştirdi.
Geriye, malzemelerin yüklenmesine müdahale etmeyen bir gaz yakalama tesisatı geliştirmek kalıyor. Faber du Faur, bu gazları yükten ayrılmadan önce tank kalınlığındaki açıklıklardan alır ve dairesel bir boruda toplar. Bu açıklıkların üzerinde bulunan yükler daha sonra bir kapatma görevi görür. 1845'te James Palmer Budd, boğazın altından gaz alarak bir iyileştirmenin patentini aldı. Sonunda, 1850'de Ebbw Vale'de, yavaş yavaş dayatılan zili bir zille kapatma sistemi ortaya çıktı.
Şarjdan geçen bu gazların fırınları tıkamamaları için tozlanması gerekir : Toz kapları , siklonlar ve filtreler bu dumanları normal metreküpte birkaç miligram toz seviyelerine kadar arındırır . Bu tesisler, büyük miktarlarda üretilen zehirli bir gazın yönetimiyle bağlantılı kısıtlamaları hesaba katar.
Ancak 400 °C'nin üzerinde en iyi metal kazanlar bile çabuk bozulur. Verimli bir ısıtıcının geliştirilmesini teşvik etmek için Neilson , kendi yöntemiyle üretilen ton başına bir şilin gibi mütevazı bir telif hakkıyla yetindi .
Bir refrakter tuğla aparatı daha yüksek sıcaklıklarda çalışmaya olanak sağlarken , malzemenin düşük ısıl iletkenliği , iletim yerine ısının birikmesine ve salınmasına dayalı bir çalışmaya yol açar . Bunu akılda tutarak, İngiliz mühendis Cowper 1857'de bir patent başvurusunda bulundu. İlk testler 1860 yılında Clarence fabrikalarında başladı ve 750 °C'yi aşmayı mümkün kıldı , ancak Carl Wilhelm Siemens'in fikrine göre kademeli sıralar halinde istiflenen tuğlalar termal döngüye dayanamadı. Cowper, aynı yıl, nihai fırının habercisi olan iyileştirmeler önererek tepki gösterdi: alev tuğlalardan uzaklaştırıldı ve bunlar arasında doğrusal kanallar vardı.
Fırınlar gelişmeye devam edecekse, daha önce kullanılmayan bir enerji sayesinde 1000 °C sıcaklığa ulaşmayı sağlayan teknik prensipler benimsenir: “ copper ”lar yüksek fırından ayrılmaz hale gelir.
"Yüksek fırın" terimi bazen fırının kendisini ifade eder, ancak daha kesin olarak fırının çalışmasıyla ilgili tüm kurulumları ifade eder. Fırının kendisine gelince, “tank” olarak adlandırılabilir, ancak tankın kendisi fırının bir parçası olduğundan, “cihaz” terimi onu belirtmek için kullanılır.
Başında XX inci yüzyıl, yüksek fırınları sık pil inşa edildi ve sık sık yakından pik demir, bir üretimi ile ilişkili bulunmuştur kola ve üniteyi sinterleme cevher . Gelen XXI inci yüzyılın yüksek fırınları devleri araçlardır ve bu memba araçları ayırın.
Bu nedenle, bir yüksek fırın kurulumu, fırının kendisine ek olarak, kok ve aglomeranın alınmasını sağlayan bir dizi başka temel kurulumla ilgilidir . Sürekli bir besleme sistemi çalışır halde katı hazırlanması için bir atölye vardır en . Rüzgârın üretimi ve yeniden ısıtılması ayrı bir tesis oluşturur, ancak yüksek fırının çalışmasıyla yakından ilişkilidir. Cüruf ve erimiş demiri yöneten tesislerin yanı sıra yüksek fırın gazının işlenmesine ayrılmış tesisler de bulunmaktadır .
Yükü oluşturan malzemeler, aglomerasyon tesisinden ve koklaştırma tesisinden trenle, tekneyle veya entegre tesisler söz konusu olduğunda konveyör bantlarla gelir. Malzemeler, az ya da çok kuru, beton veya çelik haznelerde depolanır . Aracın dibinde bir depolama için stratejik bir gerekliliktir arasında "yüksek fırın XX inci yüzyıl sürekli çalışmaya mahkum edildi. Ancak en büyük önlemlerle söndürülebilir. Kapatılması, ne kadar kısa olursa olsun, demirhaneyi ve ondan türeyen endüstrileri mahvedebilir. Bu gerçekle, önemli miktarda yakıt ve cevher stokları gerektirir. "
Tarihsel olarak bu zorunluluk, kömür veya cevher yataklarının yakınında çelik fabrikalarının kurulmasını zorunlu kılmıştır. Bu yakınlık 1970'lere kadar kârlılık için gerekliydi ve birçok mevcut yüksek fırının şarj hazırlama tesisleri dahil olmak üzere yüksek fırınların tasarımındaki farklılıkları açıklıyor.
Yüksek fırın ne olursa olsun, aglomera ve kok , çeşitli elleçleme operasyonları tarafından oluşturulan ve fırını tıkama eğiliminde olan ince maddeleri çıkarmak için yüklemeden hemen önce sistematik olarak elenir . Ayrıca, flukslar ( çakmaktaşı , kayalık demir cevheri), indirgeyici maddeler (küçük kok veya antrasit ), yemdeki demir zenginleştirme ( hurda , önceden indirgenmiş demir cevheri , peletler ) ve bazen özel katkı maddeleri ( refrakterleri korumak için ilmenit , granül cürufun hidrolikliğini artırmak için boksit vb. )
YükleniyorAtölyeden, kok ve aglomera tankın üst açıklığına, " gueulard "a monte edilir . Geçmişte, atlamalar kullanılıyorsa, şimdi yalnızca atlamalar veya konveyör bantları kullanıyoruz .
Atlamalı besleme en kompakt olanıdır. Yüksek fırınlar, dengelemek için iki bağlantılı atlamalı atlama kullanır. Yer müsaitse, gıda için taşıma bantları kurmayı tercih ediyoruz. Yalnızca daha düşük eğimlere tırmanabilmelerine rağmen, daha büyük kapasiteye sahiptirler, otomasyonu daha kolaydır ve malzemelere daha az zarar verirler.
boğazı kapatmakYüksek fırın gazı boğaz bırakarak bir zayıf gaz , esas itibarı azot (N 2) - nozullardan gelen ve reaksiyona girmeden yükün içinden geçen karbon monoksit (CO) ve karbondioksit (CO 2). Bu zehirli ama yakıt gazının geri kazanımı ortasında yaygın hale gelmiştir XIX inci zaman, yüzyılın Parry şarj aksatmadan gaz toplanmasına imkan vererek konik deklanşör geliştirir.
Başında XX inci yüzyıl, McKee iki üst üste çan, üst malzemesi, alt sızdırmazlık, bir olarak ayarlanan Behaving dağıtarak bir sistem üzerinden Parry gueulard iyileştirir kilidi . Bu sistem ve varyantları 1970'lere kadar kaçınılmaz hale geldi.O zamanlar yüksek fırınların çapı ve basıncı arttıkça, her biri 120 ton ağırlığında 3 veya 4 çanlı boğazlar gerekli hale geldi: sonra teknoloji sınırlarına ulaştı.
1970'lerin başında Lüksemburglu Paul Wurth firmasının çansız zili icadı , modern yüksek fırınların tasarımında bir atılım oldu. Bu, yüksek fırın tarafından basınçlandırıldıktan sonra kademeli olarak yüksek fırına akan bir veya daha fazla silodan oluşur, malzemelerin düşüşü yönlendirilebilir bir kanaldan kanalize edilir. Üst fırın çanları hala başında mevcut iken XXI inci yüzyıl, patlama çan olmadan fırın ve türevlerinin beri yayılıyor. Gerçekten de, çanlardan daha karmaşık olmasına rağmen, hafifliği ve esnekliği, dev yüksek fırınların (günde 8000 tondan fazla) tedariki için esastır ve sızdırmazlığı, yüksek basınçta ( 3 bar) operasyonlara izin verir ve bu da performansı iyileştirir. Tankın üretkenliği.
Yüksek fırın reaktörü ("fırın", "tank" veya "cihaz" olarak da adlandırılır) atalarından , malzeme ve gaz arasındaki temasın yanı sıra taslağı da destekleyen bir baca şeklini alır . Bu baca, cevherin alçaldıkça maruz kaldığı değişikliklere eşlik etmek için bölüm değiştirir: termal genleşme , ardından cevherin sinterlenmesi nedeniyle büzülme ve son olarak erime . İdeal biçimler, ömürlerinin sonundaki fırınların gözlemlerinden ampirik olarak belirlendi ve hala belirleniyor; böylece dairesel bölüm daha narin yapısına rağmen kendini empoze etmiş ve göbeği aşınma bölgelerinde yaratmıştır:
“Bir sobaya verilmesi gereken profil, belli ki birkaç hafta çalıştıktan sonra alacağı ve hızın düzenli olduğu süre boyunca sürdüreceği profildir. "
- E.-L. Grüner, Metalurji Üzerine İnceleme
Profillerin çeşitliliği, yerel minerallerin (az ya da çok geçirgen, zengin veya eriyebilir) ve yakıtların (kömür yüksek fırınları küçük potalarından tanınabilir) özellikleriyle uzun süredir haklı çıkarılmış olsa da, reaktörün genel şekli homojenleşme eğilimindedir, bunu takiben zengin ithal cevherlerin kullanımının genelleştirilmesi ve metalurjik reaksiyonların anlaşılması.
Pota özeldir, çünkü cevherin eritilmesinden gelen sıvıları toplar, bu da yanmamış kok içinden süzülür, tankın geri kalanı sadece katıları ve gazı görür. Böylece pota yakın zamana kadar tanktan bağımsızdı. Sütunlara yerleştirildiğinde yüksek fırına " üvey anne " denir . Musluk deliğine erişimi zorlaştıran bu sütunlar ve iki parça arasındaki sızdırmazlık sorunları kritik olduğundan, bu tasarım 1960'lardan beri yavaş yavaş terk edildi, tek bir elemandaki tanklar lehine: yüksek fırının "kendi kendini desteklediği" söyleniyor. . ".
Boyutlar"Bu reaktör, tüm endüstriyel reaktörlerin en büyüğü", akıma karşı çalışır (sıcak gazlar yükselir ve soğuk malzemeler düşer). Yüksekliği, %70'in üzerinde mükemmel termal performans sağlar, ancak sinterlenmiş cevherin ezilme mukavemeti ile sınırlıdır , XIX . yüzyılın sonundan itibaren yaklaşık 30 metrede stabilize olmuştur . İç hacmine bağlı olan üretim kapasitesi bu nedenle nozul veya pota seviyesinde düşünülen iç çapı olarak özetlenebilir. Bu gazların artan hızı, maksimum (dolayı sıcaklık) olduğu olduğu için bu dairesel yüzey reaksiyonları sınırlayan bir boyun: o zaman eriyik malzemenin iniş karşı 75 ton verimlilik / m 2 / gün 2012'deki sınırdır.
![]() | |||||
Bölge ve dönem |
Ø pota d (m) |
Yüksek. H (m) |
Uçuş. faydalı (m 3 ) |
Üretim (t/d) |
|
---|---|---|---|---|---|
1) | 1861 | 0.9 | 15.3 | 64 | 25 |
2) | Almanya dökme demir spec. 1930'lar |
4.5 | 20.0 | 425 | 450 |
3) | Almanya çelik döküm ve Thomas 1961 |
6.5 | 24.0 | 900 | 1.200 |
4) | 1959 | 9.0 | 26.1 | 1.424 | > 2.000 |
5) | SSCB 1960 | 9.8 | 29.4 | 1.763 | 4000 |
6) | Japonya 1968 | 11.2 | 31.5 | 2 255 | 6000 |
7) | Almanya 1971/72 | 14.0 | 36,7 | 4.100 | ≈ 10.000 |
Yüksek bina büyük fırını sağlayan kok kullanımı sırasında kaybına neden XIX inci yılında yüzyıl binaları yonu taşı , metal bir kılıf lehine. Modern bir serbest duran yüksek fırının kasası , potada 10 cm'den üstte 4 cm'ye kadar değişen kalınlıkta, özenle yapılmış bir metal kap olan "kalkan" dır . Bu perdeleme esas olarak iki işlevi yerine getirir: refrakter iç astarı taşımak ve ısıyı tahliye etmek.
Dahili refrakter astar termal, mekanik ve kimyasal saldırılara karşı dayanıklı olmalıdır. Bu gerilimler bölgelere göre değiştiğinden ve maliyet nedenleriyle daha kaliteli malzemelerin genelleştirilmesi söz konusu olmadığından, değişken bileşimli refrakterler vardır.
![]() | |||
zonlu | Fiziksel stres | refrakter malzeme | Çıkarılacak ısı ( stabilize işletmede kW/m² ) |
---|---|---|---|
Tankın üstü | Mekanik şoklar ve aşınma. | Dökme sert çelik “darbe plakaları” . Kil ile bağlı silisyum karbür . |
12 |
orta tank | CO ve alkaliler tarafından kimyasal saldırı . Olası termal dalgalanmalar. |
Aluminyum refrakterler : sillimanit (%62 Al 2 O 3) veya korundum (%84 Al 2 O 3). | 18 |
Tankın Alt Göbek Ekranları |
Gazlar ve yükler tarafından aşınma. CO ve alkaliler tarafından kimyasal saldırı . Isı, güçlü termal dalgalanmalar. |
Sialon ile bağlı silisyum karbür (Si 3 Al 3 O 3 N 5). Bazen: yüksek termal iletkenliğe sahip grafit . |
37 29 23 |
pota | Erimiş malzemelerin sirkülasyonu. Basınç. |
Yüksek yoğunluklu saf karbon . | 10 |
Fırınlamadan sonra, modern bir yüksek fırın 15 ila 20 yıl boyunca kesintisiz olarak çalışabilir: bu nedenle refrakterler özenle seçilir. Montaj, malzeme kalitesine ek olarak genişlemeleri de dikkate almalıdır. Pota genellikle birkaç ton ağırlığındaki karbon bloklardan yapılır, harç olmadan veya milimetrenin birkaç onda birinden daha büyük boşluklar olmadan monte edilir. Aşındığında, refrakter astarı aşağıdan yukarıya yeniden inşa etmek için cihaz tamamen boşaltılmalıdır.
SoğutmaGünde 6000 ton pik demir üreten bir yüksek fırının aparatı yaklaşık bir gigawatt'lık bir ergitme fırını olarak kabul edilebilir . Bu tür ısı alışverişleri, cihazın korumasının hızlı bir şekilde tahrip olmasını önlemek için kuvvetli soğutma gerektirir. Herhangi bir soğutma arızası felakete yol açabileceğinden, arızalara karşı çeşitli şekillerde garanti edilir. Modern bir devrenin tasarımı, bir nükleer santralin tasarımına benzer , cihazı soğutan devre, sudaki herhangi bir sızıntıyı veya kirliliği tespit edebilmek için kapalı bir döngüdedir.
Güçlü soğutmanın varlığına rağmen, bir yüksek fırının termal verimliliği %70'in üzerinde yüksektir. Paradoksal olarak, cihaz yoğun bir şekilde soğutulduğunda iyileşir. Gerçekten de soğutma, hem aşınmaya karşı koruma hem de ısı yalıtımı sağlayan bir iç astarın görünümünü sağlar. Bu rol, malzemelerin akışını bozmamak için yapışması ve kalınlığı kontrol edilirse doğru bir şekilde yerine getirilir.
Cihazın soğutulması için çeşitli teknolojiler bir arada bulunur:
Yüksek fırının çalışması bozulduğunda (gaz veya malzeme akışındaki dengesizlikler, çalışma rejiminin değişmesi vb. ), üstten ve kaptan ısı kayıpları artar. Soğutma sisteminin yerel olarak 300 hatta 500 kW/m 2 veya ortalama gücün 15 katı kadar tahliye etmesi gerekebilir . Devrelerin boyutlandırılmasını dayatan bu tepe noktalarıdır.
Yanma havasının cebri enjeksiyonu, "rüzgar", yüksek fırının temel bir özelliğidir. İngilizce çevirisi olan yüksek fırın bile süreci bu noktaya kadar kısıtlıyor. Metalin kaynaşması için gerekli sıcaklıkların elde edilmesi, aslında ancak kas kuvvetinin üretemeyeceği güçlü bir rüzgarla mümkündür; kanatlı tekerlekler tarafından çalıştırılan körükler , yüksek fırının görünümünden ayrılamaz. Tesisat (ve bu nedenle artan boyutu Bu kombinasyon terk edilir basınç damla ) ve (sıcak hava fırınları ve genişleyen bir rüzgar enjekte vasıtasıyla her iki geçişi sağlayan) rüzgar yeniden ısıtma gücüne ihtiyaç artmaktadır. Hidrolik güç ile ikame edilmiş buhar motorları 1776'dan itibaren çelik gazlarına ( yüksek fırın gazı ve kok fırını gazı ) hızla adapte oldu . Dökme demir pistonlar da bu sırada körüklerin yerini aldı. Son olarak, başında XX inci yüzyılın, pistonlar lehine aşamalı yapılmaktadır santrifüj kompresörler veya turbo .
Bu aynı zamanda başlangıcıdır XX inci süreçlerin buluşla, yüzyıl sıvılaşma soğuk rüzgarda oksijen enjeksiyonu çalıştığı şey, havanın. Süreç 1960'larda yaygınlaştı ve hem yüksek fırınların verimliliğini hem de tüyerlerden yakıt enjeksiyonunu artırdı.
Yükü geçebilmek ve yüksek basınçta çalışabilmek için rüzgar 2 ile 4,5 bar arasında sıkıştırılır . Soğuk rüzgarın akış hızı ve oksijen içeriğinin değiştirilmesi kolay ve hızlı olduğundan, bu yolla yüksek fırının çalışmasına etki edilebilir.
CowpersBir Modern Cowper 6 ila 9, silindir dikey çelikten oluşur m çapında ve 20-35 m yüksekliğe . Bu mahfaza, doğası role bağlı olan refrakter tuğlalarla doldurulur : yalıtkan tuğlalar, ısıyı depolamak ve serbest bırakmak için diğer tuğlalar kullanılırken, yalıtıcının korumasının iç yüzünü korur . İkincisi, alevin yayıldığı yanma şaftının ve dumanın ısısını emen bir delikli tuğla yığını olan rûching için kullanılır. Kuyu genellikle fırın bölümünün yaklaşık üçte birini kapladığı silindire entegre edilir. En büyük kovucular , yanma bölgesinin ısı biriktirme / boşaltma bölgesinden daha iyi izole edilmesini sağlayan harici kuyularla donatılmıştır.
Isıtma, soğutmadan daha yavaş olduğundan, her bir yüksek fırın, her aşamada dönüşümlü olarak geçen üç, bazen dört, üfleyici ile donatılmıştır . Sürekli işletimde, rüzgar, 50 dakikalık bir yeniden ısıtmayı yeni bitirmiş olan bacaya doğru yönlendirilmeden önce, yaklaşık 30 dakika boyunca bir siperlik ısısını geri kazanır (süre, 10 dakika süren basınçlandırma aşamalarının eklenmesi gerekir ).
Bir Modern Cowper rüzgarın yaklaşık 1.4 ton ısıtabilen 1200 ° C dökme demir tonu başına,. Bu nedenle ısısını serbest bıraktığında, günde 6.000 ton dökme demir üreten bir yüksek fırın için yaklaşık 100 MW gücünde bir fırındır . Isıtma, yüksek fırın tarafından üretilen gazın , istenen sıcaklıklara ulaşmak için zengin bir gazla karıştırılması gereken kısmının yakılmasıyla gerçekleştirilir .
Sıcak püskürtme dairesel ve nozullar(Sıcak hava 900 ile 1300 ° C , yüksek fırın özelliklerine bağlı olarak) getirilmektedir Cowpers refrakter ile kaplı bir boru, daha sonra dağıtılır memeleri bir yan torus- şekilli boru , dairesel bir. Nozulların çıkışında rüzgar 200 m/s'ye ulaşır , kokuyu ateşler, bu da sıcaklığı 2000 - 2300 °C'ye yükseltir .
Ürün:% s | Teorik maksimum (kg / t dökme demir) |
Kok eşdeğeri |
---|---|---|
plastikler | 70 | 0.75 |
Ağır yağlı yakıt | 65 | 1.2 |
Yağ / O 2 | 130 | |
kok fırını gazı | 100 | 0.98 |
Kömür | 150 | 0.85 - 0.95 |
Kömür / O 2 | 270 |
Kokun yanması hem indirgeyici gazın ( CO ) üretilmesine hem de proses için gerekli sıcaklıkların elde edilmesine olanak tanır . Kok tüketimini azaltmak için birçok fabrikada nozüllerin uçlarından rüzgara enjekte edilerek aynı kimyasal ve termal etkilerle yanan ikame yakıtlar kullanılmaktadır. Sıvı veya ince öğütülmüş, olası tamamlayıcı yakıtlar çoktur: hayvan unu , ağır fuel oil , plastik atık , doğal veya kok kömürü gazı , linyit , vb. Bununla birlikte, en verimli ürün , rüzgarın oksijenle zenginleştirilmesiyle birleştirilen enjeksiyonu, bir ton eritme üretimi için gereken 480 kg kok kömürünün yarısını değiştirmeyi mümkün kılan ince öğütülmüş kömür olarak kalır .
Sıcak hava borularının aksine, nozullar, hacimlerini sınırlamak için yalıtkan bir refrakter ile kaplanmamıştır. Bunlar, suyla yoğun bir şekilde soğutulmuş bakır parçalardır. Hem kok ve enjekte edilen yakıtların yanması nedeniyle yüksek sıcaklıklara maruz kaldıkları hem de fırın içinde 50 cm'ye kadar çıkıntı yapabildikleri için aşınmaya maruz kaldıkları için kolayca değiştirilebilir olmalıdırlar .
Üstünde toplanan gaz 5-10 g / içeren Nm 3 yükten yırtılır toz. Yüksek fırının tabanına büyük borularla getirilen gaz, statik ayırıcılarda ilk saflaştırma aşamasından geçer. Gerçekten de gazın basıncı, sıcaklığı ve toz içeriği çok hızlı değişebilir, basit ve sağlam teknolojilere ihtiyaç vardır: toz kapları ve siklonlar kullanılır. Bunlar tozun %85'ine kadarını kaldırabilir.
Bu cihazlar doğrudan boğaza bağlı olduklarından , yüksek fırının tepesinde bulunan hava alma cihazları, emniyet valfleri tarafından katastrofik aşırı basınçlardan (genellikle gazı aşırı ısıtarak genleştiren kararsızlıklar nedeniyle) korunurlar .
Islak veya ikincil arıtmaYarı saflaştırılmış gaz daha sonra 3 rolü birleştiren ikincil saflaştırmada işlenir:
Bu üç işlev, gazın basıncı boşaltıldığında su püskürten bir cihaz olan ıslak bir yıkayıcıda aynı anda gerçekleştirilebilir. Bu teknoloji, yüksek üst basınçta çalışan yüksek fırınlarla yaygınlaşmıştır.
Büyük yüksek fırınlara da yakın zamanda gazların dekompresyonundan enerjiyi geri kazanarak 15 MW'a kadar elektrik üretebilen bir turbo alternatör takıldı . Bu durumda, gazın dekompresyonundan artık faydalanamayacağından, ıslak gaz yıkayıcı ile saflaştırma daha zordur. Ek olarak, daha büyük hacminden yararlanmak için gazı sıcak tutmak avantajlı olduğundan, özellikle Asya'da 2000'li yıllardan beri kuru ikincil arıtma yeniden ortaya çıkmıştır.
Demir ve gang , tüyerler seviyesinde erirken potaya akar. Bu sıvılar , potayı dolduran yanmamış kok parçalarından süzülür . Sıvı seviyesi yükseldiğinde, bir makine, "matkap", potayı boşaltmak için tabanından deler. Batarken, erimiş malzeme taphole deliğini hızla aşındırır. Daha sonra , çalışması bir şırınganınkine benzer bir makine olan "corker" tarafından enjekte edilen bir kil kütlesi ile kapatılır . Modern bir yüksek fırın, her biri 80 ila 180 dakika süren günde 8 ila 14 döküm üretir.
Kapak ve matkap güçlü, hassas ve kritiktir. Matkap, gerçekten de, önceki tıkama tarafından oluşturulan kil tapadaki deliği, ucun erimesinden daha hızlı bir şekilde yeniden delmelidir. Kapak, kendi adına, gerekirse, erimiş malzeme jetine nüfuz ederek musluk deliğini kapatabilmelidir: herhangi bir zamanda dökmeyi durdurabilmesi gereken bir güvenlik cihazıdır.
Erimiş malzeme ana kanala akar. 8 ila 14 m arasında ölçülebilen ve 30 ila 60 ton arasında eriyen-cüruf karışımı içeren bunda, dökme demirden üç kat daha az yoğun olan cürufun, dökme demirden kademeli olarak ayrılarak yüzer durumda olduğu yerdir. yüzey. Ana kanal, ters çevrilmiş bir sifonla sona ermektedir . Bu, daha sonra sığ kanallara yönelen cürufu durdurur. Sifon geçti dökme demir dökülür torpido arabalara götürün, çelik işleri veya dökümhane .
Günlük 6.000 ton dökme demir üretiminin ötesinde, birkaç musluk deliğine sahip olmak gerekir. Yüksek fırınlarda, potadan dökme demir ve cürufu çıkaran 1 ila 5 delik bulunur. Makinelerin ve olukların bakımının yanı sıra erimiş sıvıların analizi ve yönlendirilmesi, döküm salonlarını karmaşık kurulumlar haline getirir. Sıcak akışkanların düzenli geçişiyle ilişkili mekanik ve termal kısıtlamalar, genellikle kanal ve eklemli levha tasarımlarına yol açar. Büyük toz toplama sistemleri (tipik olarak 700.000 Nm 3 /h) da gereklidir.
cüruf tedavisiZengin cevherlerle yapılan bir yürüyüş için , ilgili yoğunluklarına göre aynı hacimde, bir ton dökme demir başına yaklaşık 300 kg cüruf üretiyoruz . Erimiş cüruf ya yerinde soğutulur ya da özel vagonlarda alınır. Öncelikle iki şekilde soğutulur:
Sıvı cüruf, kalsiyum ile sabitlenmiş %1 ila %2 arasında kükürt içerir . Tedavisi, özellikle su ile soğutulduğunda kükürt emisyonlarına neden olur.
Bir yüksek fırının aparatı , akıma karşı çalışması (katı madde düşerken gazlar yükselir) mükemmel termal verim sağlayan kimyasal bir reaktördür . Prensibi esas olarak, cevherin oksijenine olan afinitesi, oksijen ve demir arasındaki afiniteden daha güçlü olan, cevheri deoksidize eden karbon monoksit yaratmaktan ibarettir . Demiri indirgemek ve karbürlemek için , raflarda ve potalarda sıvıların eklendiği tanktaki gaz ve katılar arasında çok sayıda termal ve kimyasal değişim gerçekleşir .
Malzemelerin durumundaki değişikliklerle birlikte birçok kimyasal reaksiyon , bir yüksek fırının ideal çalışmasının anlaşılmasını önemli ölçüde karmaşıklaştırır. Sıcaklıklar, basınçlar ve malzeme hareketlerini daha yasaklayan XXI inci yüzyılın, cihazın merkezinde herhangi bir önlem. Bazıları feci sonuçlara yol açabilen termal veya mekanik kararsızlıkları anlamak ve tahmin etmek son derece zordur. Örneğin, 1970'lere kadar, Japonya'da yürütülen komple yüksek fırınların söndürülmesi sayesinde , özellikle izotermlerin çan şeklinin keşfedilmesi , "ölü adam" (konik bir kok yığını) teorisini geçersiz kıldı. ve potanın ocağına oturan katılaşmış demir), belirli kararsızlıkların boyutunu not etti ve farklı katmanlarda kok ve cevher beslemenin önemini kanıtladı.
Düzgün çalışma için gerekli bir koşul , malzemelerin iyi geçirgenliğini garanti etmektir. Kok , 900 °C'den itibaren cevher sinterlenirken 1500 °C'ye kadar mekanik özelliklerini koruduğu için önemli bir rol oynar . Çan şeklindeki izotermler , gazları yüke yaymadan önce tankın merkezinde yoğunlaştıran kok katmanları seviyesinde panjurlar oluşturarak malzeme katmanlarını geçer. Her bir nozülün önünde oluşan boşluklar dışında, yakılmamış kok parçaları aparatın alt kısmını doldurur. Bu nedenle üstlerinde yığılan malzemelerin ağırlığını taşıyarak sıvıların ve gazların geçmesine izin verirler.
Piston tipi malzeme akışı ile sürekli çalışma, tıkanma cezası altında içine giren tüm elemanların boşaltılmasını gerektirir. Bu, cüruf için olduğu kadar çinko veya alkali metaller gibi belirli elementler için de geçerlidir .
Demir cevherini azaltmak için önce gerekli indirgeyici gazları üretmelisiniz. Bu, yüksek fırının alt kısmında, kokta bulunan karbonun rüzgardan gelen oksijenle yanması ile gerçekleşir: C + O 2 → CO 2 401.67 kJ/mol üreten
Bu reaksiyon çok ekzotermik olduğundan , sıcak hava püskürtme memelerindeki sıcaklık 1800 ila 2000 °C'ye , hatta rüzgar oksijence zenginleştirilmişse 2250 °C'ye yükselir . Bununla birlikte, sıcaklığı 1600 ile 1800 °C arasına düşüren endotermik bir reaksiyon hemen ardından gelir : CO 2 + C → 2 CO 163.45 kJ / mol tüketen
Bu son tepki toplam değildir, Boudouard'ın dengesi ile ilgilidir . Bu, cihazın alt kısmındaki azalma tarafından tüketilen CO'nun yenilenmesini sağlar: CO 2 + C ⇋ 2 CO T> 1000 ° C olduğu sürece
Karbondioksit CO 2 olduğu sürece1000 ° C'nin üzerindeki sıcaklık aralığında kalır , Boudouard reaksiyonu tarafından sürekli olarak karbon monoksit CO'ya dönüştürülür , bu nedenle indirgeme işlemi için kullanılabilir kalır.
Başka bir indirgeme gazı, hidrojen , H 2rüzgarda doğal veya yapay olarak bulunan su buharının termal bozunmasıyla eş zamanlı olarak üretilir . İkincil öneme sahip olmasına rağmen, bu gaz özellikle 900 °C ve ötesinde etkilidir : reaksiyon gazındaki sadece %10 hidrojen içeriği, indirgeme oranını üç katına çıkarır. Bu üretim, karbon monoksit gibi çok endotermiktir: H 2 O + C → H 2 + CO 131.4 kJ / mol tüketen
Demir oksitler , aşağıdaki sırayla indirgenir:
Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO → Fe hematit → manyetit → wustit → demir
Bir oksitten diğerine her geçiş, birkaç eşzamanlı indirgeme reaksiyonundan kaynaklanır:
![]() | |||
Sıcaklıklar | Dolaylı azalma | Doğrudan azaltma | hidrojen azaltma |
---|---|---|---|
100 °C <T < 260 °C | kuruma | ||
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 < 1.100 °C 1.100 °C <T < 1.150 °C |
FeO + CO → Fe + CO 2 | FeO + C → Fe + CO | FeO + H 2 → Fe + H 2 O |
1200 °C <T < 1600 °C | Karbürasyon ve füzyon |
Cevherin gang ve safsızlıkları da potaya doğru inişleri sırasında çeşitli kimyasal reaksiyonlara girer; hepsi endotermiktir. De tepkiler karbonatlaşma ait siderite (FECO 3) ve kireçtaşı ( CaCO 3) demir indirgeme reaksiyonlarından önce meydana gelir:
FeCO 3 → FeO + CO 2 için 500 ° C <T < 700 ° C
CaCO 3 → CaO + CO 2 için 700 ° C <T < 900 ° C
Bir yüksek fırın, MnO 2 manganez oksitlerinin sadece yaklaşık yarısını metale indirgerve MnO demir cevheri ile yüksek fırına verilir. MnO 2 azalırken CO tarafından hızlı bir şekilde yapılır, MnO'nun indirgenmesi doğrudandır: MnO + C → Mn + CO için T> 1000 ° C
Aynı şekilde silika SiO 2 doğrudan bir indirgeme ile kısmen azaltılır: SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO T> 1500 ° C için
Bakır , fosfor ve nikelin tüm oksitleri tamamen metale indirgenir. Krom ve vanadyum , manganez, olarak hareket titanyum silikon gibi. Kalsiyum oksitleri ( CaO ), alüminyum ( Al 2 O 3) ve magnezyum ( MgO ) indirgenemez ve tamamen cürufta bulunur. Çinko , alkali ve kükürt harf:
S + CaO + C → CaS + CO için T ≈ 1.550 ° C
Gelince , azot rüzgarda, çok az tepkimeye girer, ve tersinir bir şekilde. Bu nedenle öncelikle bir termal balast görevi görür.
Tankın alevlenmesi, yüklerin alçalmasını kolaylaştırır ve genişlemelerine eşlik eder. Raflardaki büzülme, cevherin sinterlenmesine ve ardından eritilmesine eşlik eder. Sinterlemeyen veya erimeyen kok, gaz geçirgenliği ve şarj desteği için esastır. Aslında rolü çoktur: Nozullarda her bir ton dökme demir, 294 kg kok ve 180 kg kömür tüketen modern bir yüksek fırın için :
![]() | ||
Sıcaklıklar | olaylar | |
---|---|---|
cevher | kola | |
100 °C <T < 260 °C | kuruma | |
500 °C <T < 900 °C | İndirgeme (Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO) | |
900 °C <T < 1200 °C | İndirgeme (FeO → Fe) Karbürasyon ve sinterleme |
CO rejenerasyonu |
1200 °C <T < 1600 °C | birleşme | Yanma |
T ≈ 2.100 ° C | Her bir memeye bakan boşluk | |
1600 °C | Karbürizasyon ve kükürt giderme | çözünme |
Yüksek fırın, herhangi bir anormalliğe karşı çok hassas bir reaktördür. Ek olarak, aletin boyutu, herhangi bir termal kaybı veya kilometrenin bozulmasını çok pahalı, hatta tehlikeli hale getirir . Bu nedenle, cihazın içinde meydana gelen fiziksel ve kimyasal olayları anlamak çok önemlidir.
Ancak, bir yüksek fırında hakim olan aşırı koşullar, ona tepki veren malzemelere doğrudan erişime izin vermez. Ölçümler daha sonra yükün çevresinde, yani üstte, aparatın duvarlarında ve dökümde çarpılır. Amaç, madde içinde yükselen gazların basıncını ve hızını, aynı zamanda katı ve sıvıların hareketlerini de ortaya çıkarmaktır. Besleme yüzeyinin yüksekliği veya duvar sıcaklıkları gibi önemli parametreler, herhangi bir arızaya karşı koruma sağlamak için çeşitli şekillerde ölçülür.
![]() | ||
zonlu | Ölçülecek miktarlar | Kullanılan teknolojiler |
---|---|---|
guelard | Yükün yüksekliği Malzemelerin yüzeyinin morfolojisi Yükü terk eden gazın sıcaklığının ve/veya bileşiminin radyal dağılımı |
Probe mekanik veya radar haritalama radarı Radyal ölçüm ışını |
Tankın üstü | Sıcaklığın ve / veya gazın ve yükün bileşiminin radyal dağılımı | Yüke yatay olarak giren mobil prob |
Deponun altından raflara |
Malzeme akışı Aşınma / refrakter astar |
Radyoaktif problar (nadir) Ultrason probları |
nozullar | Nozullara enjekte edilen rüzgar ve katkı maddelerinin doğası ve akış hızları Soğutma suyu tarafından boşaltılan ısı |
Akış / sıcaklık ölçümü |
pota | Pik demir ve cürufun bileşimi ve sıcaklığı | Sıcaklık ölçümü ve dökme demir numunesi |
Of aramalar ölçüm başka yöntemler değerlendirmek için yapılmaktadır. Örneğin, potadaki erimiş malzemelerin mevcudiyetinin , ekranlamada düşük bir elektrik voltajı ürettiği gözleminden yararlanmak mümkündür . Ultrason, sıcaklıkları veya malzemelerin yüzey morfolojisini vb. ölçmek için kullanılabilir .
Ancak, "bu kadar büyük miktarda bilgiyi işlemek, herhangi bir insanın hesaplama kapasitesinin ötesindedir . " Aslında, 1990'ların sonundan itibaren, sürüş yardım sistemleri , yaklaşık 1000 ölçümle sürekli olarak değerlendirilen 150 ana fiziksel ve kimyasal olay kaydetti. Belli olgular diğerleri görünmesini çok yavaş olsa da, hemen olduğu gelişmesine yol açmıştır gerçeği uzman sistemler , yapay sinir ağları , bilişsel ergonomi çalışmaları , vb
Bir yüksek fırını ateşlerken, refrakterlerin zarar görmemesi için cihazı yeterince yavaş kurutmak ve sonra ısıtmak, aynı zamanda şarj edilen ürünlerin sıvı halde tahliye edilebilmesi için yeterli bir sıcaklığa hızla ulaşmak gerekir. Bunun için yüksek fırına yüksek miktarda yakıt (genellikle odun) yüklüyoruz, cevher yerine cüruf yükleyerek termal ihtiyacı sınırlandırıyoruz ve rüzgar akışını ayarlayarak yavaş yavaş yanmayı etkinleştiriyoruz. Gerçek şu ki, birkaç hafta süren ve yaklaşık on beş yıllık kesintisiz bir üretim kampanyasına başlayan bir yüksek fırının devreye alınması hassas bir işlem olmaya devam ediyor, çünkü bu kısıtlamalara bir fırının başlatılmasıyla bağlantılı kaçınılmaz arızalar ekleniyor. davranışı ve tasarımı her zaman farklı olan yeni ve karmaşık kurulum.
Bakımın veya olaylarla ilgili kaçınılmaz arıza süreleri, cihazın "dondurulması" cezası altında birkaç günü aşamaz. Bunlar kesinlikle öngörülmelidir: çok miktarda kok yüklenir ve birkaç saat sonra bu kok nozüllerin önüne geldiğinde rüzgar kesilir. Böylece, yeniden başlatmada, ilave kokunun yanması, kapatma sırasında kaybedilen ısıyı yenileyecektir.
Daha uzun veya nihai bir kapatma, cihazın mümkün olduğunca boşaltılmasını gerektirir. Potanın en alt noktasında bulunan özel bir musluk deliği, tüm erimiş malzemelerin tahliye edilmesini sağlar. Başta kok olmak üzere erimeyen malzeme seviyesi, nozullara iner. İşlem risklidir çünkü artık örtülmeyen alçak ve sıcak alanlar, hidrojence zengin olduğu için ayrışması patlayıcı gaz oluşturan su ile püskürtülerek soğutulmalıdır.
OlaylarKorkulan ancak nadir görülen bir olay, yüksek fırının “tıkanmasıdır”. Aparatın üst kısmında meydana gelirse, malzemelerin potaya doğru inmeye devam ettiği bir tonoz oluşumuna tekabül eder. Aniden çökene kadar tonozun altında bir boşluk oluşur. Alt kısımdaki bir tıkanıklık, erimiş malzemelerin tahliye edilememesi anlamına gelir. En sık görülen kaynak, aşırı ısının aynı sonuca yol açtığını bilerek, yanlışlıkla su girişi veya rüzgar veya kok tarafından getirilen ısı eksikliği nedeniyle soğuk bir yüksek fırındır. Bu nadir ve korkulan olay, belki de kesin olarak tesisin kapatılması anlamına geliyordu:
“Mühendis acele etmezse, çok geç olacak ve muazzam bir magma, bir kurtla dolu fırının sadece durması gerekecek; hatta büyük ölçüde yıkılması gerekecek ve onu yukarıdan aşağıya zorlayan ve büyük bir kısmı kolayca sadece tozun gücüne teslim olan demir kütlesini çıkarmak için yapılacak uzun ve pahalı iş ...
Yani kurt yapan bir mühendis belki de gemisini kaybeden denizciden daha sefil durumdadır; liderlerinden nadiren mazeretler bulur. Ama burada yine bilginin gücü, inisiyatif, ahlaki ve fiziksel canlılık, insan enerjisi, daha az görkemli bir alanda, ordusu tehlikede olan baş generalin veya gemisi tehlikede olan denizcininkiyle karşılaştırılabilir. kaybolmak; çünkü en öngörülemeyen ve öngörülmesi en az kolay olan çareler bazen tek başına tehlikeyi önleyebilir. "
- J. Garnier , Le Fer
Aynı derecede tehlikeli, nadir ve maliyetli, erimiş demirle korumada bir atılım, “pota bloke edildikten sonra […], en korkulan olay, dökümhane ve genel olarak yüksek fırın tarafından en çok nefret edilen olaydır. " Malzemelerin akışından kaynaklanan aşınma da tankta atılımlara neden olabilir, ancak bunlar genellikle soğutma devrelerinin enstrümantasyonu ve tankın yüksekliği ile tespit edilebilen soğutma sistemi sızıntılarından önce gelir. tarafından üretilen gazdaki hidrojen içeriği. yüksek fırın. Son olarak, cihazda dolaşan gazların rolü göz ardı edilemez: bunlar, erimiş malzemelerin aksine, ayarlanması imkansızdır ve kumlama ile aşınmaya neden olabilir .
Tersine, aparatın yoğun soğutulması sayesinde elde edilen refrakterleri koruyan tabaka aşırı kalınlaşabilir. Çinko veya alkali doygunluğu bu tabakanın lokal kalınlaşmasını destekler. Daha sonra cihazdaki akışları önemli ölçüde bozar. Ek olarak, oluşan "süslü" birkaç yüz ton ağırlığında olabilir ve özellikle cihazın üst kısımlarında yer aldığında kararsız olabilir. Ani salınımı yüksek fırının çalışmasını bozar ve tıkanmaya neden olabilir.
Bütün bu rahatsızlıklar, eğer zamanında hakim olunmazlarsa, birbirini takip edebilir, hatta birleşebilir. Potadan yükselen gazın neden olduğu aşırı basınçlar, cihaza giren (genellikle soğutma sisteminden) su nedeniyle buhar patlamaları , aniden tutuşan gaz veya toz cepleri vb. muhteşem olaylardır: emniyet valflerinin, yani hava tahliyesinin açılması , o zaman “bir yanardağın […] patlaması ile karşılaştırılabilir ; kilometrelerce öteden duyulur; 4 veya 5 jet uçağının motorlarını çalıştırdığını düşünün: gazın egzozundan çıkan sestir. " Vanalar gazı tahliye etmede daha başarılı olduğunda hasar tesisin boru hatlarına yayılıyor . Sonunda olağanüstü hale cihazın kendisiyle patlaması XX inci yüzyıl, personel arasında çok sayıda kurban yapabilirsiniz.
Prosese bağlı yüksek sıcaklıkların elde edilmesi, ateşleme sırasında çeşitli teknikler ( oyunlar , sigortalar , vb. ) tarafından öngörülen genişlemeler ve faz dönüşümleri ile birlikte gelir . Öte yandan, kontrollü bile önemli soğutma, fırınları hizmet dışı bırakabilecek bozukluklara yol açar. Bu nedenle, ateşe verilen büyük bir modern yüksek fırın , yan tesislerindeki bakım işlemleri için faaliyetinin yılda sadece birkaç gün kesintiye uğrayabileceği 10 ila 20 yıllık bir kampanya başlatır .
Bu nedenle, yapı özellikle sağlam, modüler ve yedekli olmalıdır. Kötü bir teknolojik seçim, uygun olmayan hammaddeler, sürüş hataları vb. , kampanya süresi boyunca, bazen trajik sonuçlarla ( buhar patlaması , aşınma veya korozyon nedeniyle yıkım, gaz sızıntısı vb. ) kesintiye uğramadığında sonuçlar doğurabilir. Güvenliği garanti etmek, yüksek fırının önemli bir endişesidir. Olayların bir sonucu, onların çevresel etkileridir: çok kirletici olmasa da (özellikle onu kok tesisi ve onunla ilişkili aglomerasyon tesisi ile karşılaştırırsak), bir yüksek fırının güvenliği, komşularına çok az dikkat eder.
Böyle karmaşık bir aletin çalışmasında insan faktörü belirleyicidir. Hatta içinde XXI inci yüzyılın operatörlerin yetki sıklıkla lokal metalurjik geleneğe bağlı: "Bir döküm sektörünün performansının düzeyi böylece büyük ölçüde bilginin önceden depolanan ve bölgede dağınık tarafından önceden belirlenir. "
Ağır sanayinin arketipi olan çelik endüstrisi, yüksek fırının yalnızca bir unsur olduğu fabrikalarının büyüklüğü ve maliyeti ile ayırt edilir. 2012 yılında, yıllık 5 milyon ton çelik levha kapasiteli modern bir "sıcak tesis" (kok kömürü tesisi, sinter tesisi , 2 yüksek fırın ve çelik tesisi ) inşa etmenin maliyeti 9 milyar dolara ulaşabilir . Bu miktarın yaklaşık 1 milyar dolarını yüksek fırın inşaatı oluşturmaktadır. Bir yüksek fırının inşasına yatırılan sermayenin maliyeti, o zaman eritme maliyetinin %25 ila %30'unu oluşturur. Bu maliyet, cihazların boyutunu ve üretkenliğini artırarak önemli ölçüde azaltılabilir.
Amortisman yatırılan sermayenin gelen, besledi sanayi devrimi , gigantism gereken bir yarış. Ancak, bir üretim çalışmasının sonunda, kurulumun potansiyelini yenilemek için bir onarım yeterli olabilir. Örneğin, Duisburg'daki yüksek fırın 1 , Mart 2008'de beşinci üretim kampanyasına başladı. Yaklaşık 15 yılda bir yapılan bu onarım, sahanın büyüklüğüne göre (aşınmış refrakterlerin değiştirilmesi, eski otomatlar, deforme olmuş ekranlama, yeni çalışma modlarına uygun olmayan mekanizmalar vb. ) 100 ila 250 milyon avroya mal oluyor .
Yeni bir fabrikanın inşasından açıkça daha ekonomik olan bir yüksek fırının art arda elden geçirilmesi, bir çelik kompleksinin ömrünü en az 25 yıllık stratejik ufuklar içine yerleştirir. Bununla birlikte, yüksek fırın onarımı, aletlerin devasa olması nedeniyle nadirliği ve kapsamı (1,5 ila 5 yıllık planlama, ardından yüz günlük inşaat) nedeniyle istisnai bir projedir. Ayrıca, sürekli yenilenen yüksek fırınların yaşı, standardizasyonlarını yanıltıcı hale getiriyor.
İşlevsel maliyetlerÜretim maliyetleri büyük ölçüde hammadde fiyatlarına bağlıdır. 2010-2011 döneminde, cevher ve kömür alımı, pik demir ve ilgili yan ürünlerin üretim maliyetlerinin sırasıyla %52 ve %36'sına karşılık geldi. Ek olarak, en azından zincirin yukarı akışında depolanan bu malzemeler, paranın önemli ölçüde hareketsiz hale getirilmesini temsil eder.
Tersine, personel maliyetleri Batılı bir ülkede üretim maliyetlerinin sadece %2,2'sini temsil etmektedir. Düşük marjlar göz önüne alındığında, çelik endüstrisi, malzeme ve enerji kayıplarını sınırlandırabilen ekiplerin becerilerinin ücretlerden daha önemli olduğu bir endüstri olmaya devam ediyor . Ancak eski sanayileşmiş ülkelerde kayıp avı zordur çünkü eski olan çelik kompleksleri tutarlılıktan yoksundur.
Dökme demir, kok ile temas ettiğinde doygunluğa kadar karbon ile yüklenen demirin erimesinden kaynaklanır . Doğrudan indirgeme reaksiyonları ile üretilen metaller (manganez, silikon, fosfor vb. ) de dahildir.
Döküm veya rafine etme olsun, dökme demirin kullanımına bağlı olarak, yüksek fırın, sonraki aletlerin optimal koşullar altında çalışmasına izin verecek bir kompozisyonu amaçlar. Rafinaj için dökme dönüştürücü (ki sonunda XX inci yüzyıl, hemen hemen tüm demir ocağın temsil eden) bir "halinde katılaşır rağmen, beyaz demir sözde hiçbir zaman". Bu erimiş “ pik demir ” sadece kimyasal bileşimi ve sıcaklığı açısından değerlidir. Soğutma ve olası işlemleri içeren dökme demirin sınıflandırılması, bu nedenle, genellikle çelik üretimi ile ilgili değildir .
MandıraCüruf, kok küllerinin eklendiği cevherin gangına karşılık gelir. Bileşimi, potanın kolayca boşaltılmasını sağlamak, aynı zamanda dökme demiri kükürtten arındırmak ve hatta potayı korumak için tasarlanmıştır. Dökümden sonra ambalajına bağlı olarak popüler bir hammadde haline gelir. Esas olarak çimento imalatında (Avrupa'da üretimin 2/3'ü, esas olarak vitrifiye cüruf) veya yol dolgusu olarak (Avrupa'da üretimin 1/3'ü, esas olarak kristalize cüruf) kullanılmaktadır. Ayrıca diğer şeylerin yanı sıra cam , taş yünü imalatında veya beton agregası olarak da kullanılır ...
“1982'de Fransa'da [süt satışına ilişkin] ekonomik bilanço neredeyse sistematik olarak açık veriyordu. " Bununla birlikte, bu ürün, yanmış , bazı serbest sera gazlarının ısıtıldığında. Vitrifikasyon süreçlerinin yaygın kullanımı ile birlikte bu özellik, (erken öder XXI inci yüzyıl) cüruf üretimini. Bununla birlikte, cürufun hacmi üretilen pik demir ile aynı olmasına rağmen (yoğunluk farkı nedeniyle), granüle cürufun satış fiyatı pik demirin üretim maliyetinin %5'inden daha azını oluşturmaktadır.
Yüksek fırın gazıYüksek fırın gazı %22 karbondioksit içerir (CO 2), %22 karbon monoksit (CO), %51 azot (N 2) Ve% 5 hidrojen (H 2). Bu bir zayıf gaz düşük seviyede ısı (3000 kJ / Nm 3 bağlı karbon monoksit ve hidrojenin varlığında), ancak bu cihazın ısı dengesi önemli bir kısmını (≈30%) temsil eder.
Bu önem, üretilen gazın miktarı ile açıklanmaktadır. Modern yüksek fırın yaklaşık 1.500 üreten Nm 3 dökme demir tonu başına gaz. Dikkate yoğunluğunu (1.30 1.35 kg / Nm alınması 3 ), üretilen gaz ağırlık cüruf ve birleştirilen dökümün daha büyüktür. Ayrıca bu gaz, yüksek fırının ömrü boyunca sürekli olarak üretilir.
Üretilen gazın üçte biri doğrudan kovucular tarafından yeniden kullanılmaktadır . Bir çelik tesisine entegre edilmiş bir kok tesisi , yüksek fırınlar tarafından üretilen gazın yaklaşık %20'sini tüketebilir. Geri kalanı diğer çelik fırınlarında değerlendirilir veya genellikle bir kazan tarafından beslenen bir buhar türbini sayesinde elektrik üretimi için kullanılır (aynı zamanda gaz motorları , yanma türbinleri veya çevrim santralleri ile de tanışırız. kombine ). Uygun tozunu büyük bir CO miktar hariç, yakma bültenleri sadece birkaç duman ve kirletici maddeleri ve muhtemelen daha enerjik gazlar ile zenginleştirilmiş 2, bir sera gazı . Karbon monoksitin yanması ile daha fazla karbondioksit oluşur. 2019'da çelik üretimi, küresel karbondioksit emisyonlarının %7 ila 9'undan sorumludur. Kömürün hidrojen, biyokütle veya plastik atıklarla değiştirilmesiyle bu emisyonda bir azalma mümkündür. Diğer olasılıklar, karbon yakalama ve kullanma veya karbon yakalama ve depolama teknolojisi ve daha fazla geri dönüştürülmüş malzeme kullanımıdır.
Demir ve çelik olmayan yüksek fırınlarYüksek fırının ilkesi, yani karbonun yanması ile bir kapta indirgeme ve eritme, yalnızca demir için geçerli değildir:
“Şaft fırınlarında indirgenebilen sadece oksitlenmiş demir cevherleri değil. Daha önce de söylediğimiz gibi, aynı işlem ilkesi, değişen başarılarla çok sayıda metale denenmiş veya uygulanmıştır. "
- E.-L. Grüner, Metalurji Üzerine İnceleme
Ellingham diyagramı birçok metal oksitler ya da daha az yüksek bir sıcaklıkta karbon monoksit ile metaline indirgendiği, gerçekten de gösterilmektedir. Teorik olarak, bu şekilde elde edilebilir bakır arasından -5 ° C , nikel de , 500 ° C , krom az 1441 ° C , vb
Diğer metaller için indirgeme sıcaklığı aşırı yüksektir: alümina böylece 2315 °C'ye düşürülür . Aynı zamanda, kendi indirgenmesi için gerekli sıcaklıklara ulaşmak zaman oksitler buharlaşmaz gerektirir: XIX inci yüzyılda elde edilmesi çinko yüksek fırında imkânsız kabul ediliyordu ve bu talebi nedeniyle düşük buharlaşma sıcaklığının zor oksitlerinden bazıları.
Bu gözlemlerden, yüksek fırın uzun süredir metallerin, özellikle kurşun, bakır, nikel vb. üretimi için kullanılmaktadır . Daha ender olarak fosforun yanı sıra çinko da bu yolla üretilmiştir . Daha özel olarak, yüksek fırın, ferroalyajların üretimi için oldukça uygundur : ferrosilisyum , ferrokrom ve özellikle ferromangan , bu yolla elde edilmesi kolaydır.
Yüksek fırında ferrokrom üretimi ortadan kalktı, Paul Héroult tarafından 1900 civarında geliştirilen elektrik ark ocağı prosesi, onu tamamen geride bıraktı. Sonunda XX inci yüzyılda, çoğu diğer demir dışı metal üretim prosesleri yüksek fırın da elektrikli fırın, daha az yerini edilir sermaye , daha küçük ve daha esnektir. Pirometalurjisi demirinkine yakın olan manganlı yüksek fırınlar yaygın olarak kullanıldı: bunlar, elektrikli fırının diğer metaller için kendini kurduğu 1975 yılına kadar ferromangan üretiminin çoğunluğunu sağladı. 2011 yılında, yüksek fırın dünya ferromangan üretiminin sadece %8'ine müdahale etti. Bu üretim yöntemi esas olarak Çin'de ( 2011'de 350.000 t/yıl ) ve Rusya'da ( 2011'de 160.000 t/yıl ) varlığını sürdürmektedir . Çin ayrıca üretimini artırdı ham nikel pik demir eritme fırınında: sırasında kayboldu XX inci yüzyılda küresel nikel üretiminin 2011 neredeyse% 5'i içindedir.
1837'den 1986'ya, yani 150 yıla kadar, bir yüksek fırının üretkenliği 1000 ile çarpıldı. Cihazın çıktısı, istisnai olmakla birlikte, gelişmeyi bırakmaz: Fransa'da, bir ton dökümün üretimi 3 ton gerektiriyordu. için bir kömür XVI th ve XVII inci yüzyıllar için kömür 1.5 ton XVIII inci yüzyılda, 1961 kok 1 tonluk modern yüksek fırınlar içeriği olan, XXI inci yüzyılda, 240 kg kok ve 200 kg kömür.
Devasalık yarışı, yüksek fırını hem destekledi hem de cezalandırdı. Göre Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü : “Yüksek fırınlar sonraki bin yılın çünkü daha büyük içine hayatta, daha verimli yüksek fırınlar diğer teknolojilerle rekabetçi maliyetlerle pik demir üretmek mümkün olacaktır. " Bununla birlikte, bunların önemi , muhtemelen doğrudan indirgeme süreçlerinden kaynaklanan elektrik çeliğine göre azalmalıdır . 2012 yılında dünya ham çeliğinin %30'u elektrik ark ocaklarında üretilmiştir .
Bununla birlikte, daha küçük ve daha esnek, alternatif doğrudan azaltma süreçleri yalnızca belirli koşullar altında kârlıdır. Yüksek fırını bir demir-çelik kompleksindeki basit bir bağlantı olarak gördüğümüz anda haklı çıkıyorlar: “Yalnızca yüksek fırını değil, aynı zamanda kok fabrikasını ve onunla ilişkili aglomerasyonu da düşünmeliyiz . Bugün [erken XXI inci yüzyılın], bir kok fabrikasının yapımı son gücüne kıyasla çok büyük bir iştir ark fırını . Kuzey Amerika'da zaten nesli tükenmekte olan bir ırk [ sic ] olan yerleşimler, çevresel gereksinimlere baktığınızda da büyük önem taşıyor. "
Yüksek fırın sürecinin kendine özgü nitelikleri ile birleşen finansal ve teknik esnekliğin zorunlulukları, aynı zamanda modern “mini yüksek fırınların” (kömür kullananlar dahil) geliştirilmesine de yol açmıştır. Bunlar 1990'da dünya dökme demir üretiminin %3.4'ünü temsil ediyordu (doğrudan azalmanın %2.7'sine kıyasla): bu nedenle bunlar aynı zamanda marjinal aletlerdir, ancak çelik üreticileri tarafından dikkatle değerlendirilir.
Böylece, başında XXI E yüzyılın açıklamalara rağmen, alternatif süreçler, direkt azalma özellikle vermedi çelik endüstrisini altüst . Elektrikli çelik fabrikaları ile dökme demir endüstrisi arasında bir denge kurulmuştur. Bu gözlem, araştırmacıların önümüzdeki on yıllar için pik demir üretiminin azalmasına rağmen ana sürecini yüksek fırında görmeyi kabul etmelerine yol açıyor. Geliştirilmesi daha sonra şunları dikkate almalıdır:
Bu son iki nokta özellikle umut verici görünüyor. Nozullara güçlü bir kömür enjeksiyonu ile birlikte saf oksijenden oluşan bir rüzgar, yüksek fırını gerçek bir gazlaştırıcıya dönüştürecektir . Fakat üretilen gazın yanma CO çok miktarda 2, bir sera gazı. Hidrojenle indirgeme daha sonra ayrıcalıklı olabilir, gazların yeniden işlenmesi karlı hale gelir ( basıncın tersine çevrilmesi yoluyla adsorpsiyon veya gazların aminler tarafından işlenmesiyle ilgili modern süreçlerin ortaya çıkması sayesinde ), bu da tüm sürecin elektrik tüketimini artıracaktır.