Πώς λειτουργεί ο φούρνος υψικαμίνων;

Εισαγωγή

Οι υψικαμίνους διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή χάλυβα, καθώς μετατρέπουν το σιδηρομετάλλευμα σε σίδηρο μέσω μιας διαδικασίας τήξης με αναγωγή σε υψηλή θερμοκρασία. Σε αυτό το άρθρο, θα δούμε αναλυτικά πώς λειτουργεί μια υψικάμινος, τα μέρη και τη λειτουργία της, καθώς και τη χρήση της σε άλλους τομείς.

Τι είναι ο φούρνος υψικαμίνων;

Βασικά, οι υψικαμίνους είναι ψηλοί, κατακόρυφοι άξονες που χρησιμοποιούν θερμότητα και χημικές αντιδράσεις για να μετατρέψουν το σιδηρομετάλλευμα σε λιωμένο σίδηρο. Ουσιαστικά, πρόκειται για ένα τεράστιο χαλύβδινο κιβώτιο που λειτουργεί υπό υψηλή πίεση και θερμότητα, μετατρέποντας το σιδηρομετάλλευμα σε μέταλλο που αποτελεί την κύρια εισροή στην παραγωγή χάλυβα. Η λέξη "έκρηξη" αναφέρεται στην πραγματικότητα στον αέρα υψηλής πίεσης που οδηγείται στον κλίβανο για να διατηρηθεί η διαδικασία. Ο βασικός κλίβανος οξυγόνου (BOF) χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή σιδήρου και χάλυβα και η χρήση του έχει εξελιχθεί με την πάροδο των αιώνων.

Κύρια συστατικά σε έναν υψικαμίνιο

Σιδηρομετάλλευμα

Το σιδηρομετάλλευμα είναι η αρχική τροφοδοσία σιδήρου στην υψικαμίνου, η οποία συνήθως αποτελείται από οξείδια όπως ο αιματίτης (Fe2O3) ή ο μαγνητίτης (Fe3O4). Αυτά τα μεταλλεύματα έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο, αλλά το μέταλλο συνδυάζεται χημικά με οξυγόνο και άλλα στοιχεία. Το σιδηρομετάλλευμα μετατρέπεται σε σίδηρο με χημικές αντιδράσεις.

Coke

Το κοκ είναι ένα υλικό υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα που παράγεται μέσω της θέρμανσης άνθρακα απουσία οξυγόνου.

Ασβεστόλιθος

Για να βοηθήσει στην απομάκρυνση των ακαθαρσιών στο σιδηρομετάλλευμα, όπως το διοξείδιο του πυριτίου στον κλίβανο, χρησιμοποιείται ασβεστόλιθος. αυτές οι ακαθαρσίες αναμιγνύονται όταν ο ασβεστόλιθος σχηματίζεται σε ένα παραπροϊόν που ονομάζεται σκωρία από τον κλίβανο.

Η σύνθεση σε υψικαμίνους για την παραγωγή σιδήρου σημαίνει ότι τα υλικά αυτά εισάγονται στον κλίβανο υπό καθορισμένες συνθήκες.

Πώς λειτουργεί ο φούρνος υψικαμίνων;

Η υψικάμινος γεμίζει με σιδηρομετάλλευμα, οπτάνθρακα και ασβεστόλιθο και ξεκινά. Τα θραύσματα και τα ινώδη υλικά εισάγονται στην κορυφή του κλιβάνου σε εναλλακτικά στρώματα. Τώρα ο φούρνος λειτουργεί σε πολύ υψηλή θερμοκρασία περίπου 2000°C (3632°F) Θερμός αέρας διοχετεύεται στον φούρνο από τον πυθμένα, αναφλέγοντας το κοκ και θέτοντας σε λειτουργία τις χημικές αντιδράσεις που θα αποσυνθέσουν το μετάλλευμα.

Τα υλικά περνούν από διάφορες διεργασίες από την κορυφή προς τον πυθμένα του κλιβάνου, οι οποίες θα παράγουν υγροποιημένο σίδηρο στον πυθμένα του κλιβάνου. Βοηθάει να εξετάσουμε κάθε στάδιο λεπτομερώς: τη θέρμανση, τις χημικές αντιδράσεις και τον διαχωρισμό των ακαθαρσιών - μπορεί κανείς να δει πώς λειτουργεί ο υψικάμινος.

Ο ρόλος του αέρα στον κλίβανο

Ένα φυσητήρα ή ειδικό ακροφύσιο στο κάτω μέρος του κλιβάνου διοχετεύει αέρα στον κλίβανο. Ο διοχετευόμενος αέρας συμβάλλει στην παροχή φρέσκου οξυγόνου για να διατηρηθεί η καύση του κοκ, με προϊόντα της αντίδρασης το διοξείδιο του άνθρακα και το μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το CO είναι ζωτικής σημασίας, καθώς είναι αναγωγικό μέσο που αντιδρά με το σιδηρομετάλλευμα για την παραγωγή σιδήρου.

Ο αέρας υπερυψηλής πίεσης είναι απαραίτητος για τη διατήρηση της κατάλληλης θερμοκρασίας στην υψικάμινο, η οποία διευκολύνει τη χημική αντίδραση. Χωρίς αυτή την έκρηξη αέρα, οι χημικές αντιδράσεις δεν θα πραγματοποιηθούν αποτελεσματικά και ο φούρνος δεν θα μπορέσει να παράγει λιωμένο σίδηρο.

Αντιδράσεις υψικαμίνου

Αναγωγή του σιδηρομεταλλεύματος

Το κοκ παράγει μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και αντιδρά με το οξείδιο του σιδήρου(ΙΙΙ) (Fe2O3) σύμφωνα με:

Fe2O3+3CO→ 2Fe+3CO2

Αυτή η αντίδραση διώχνει το οξυγόνο από το σιδηρομετάλλευμα, παράγοντας καθαρό σίδηρο (Fe), ο οποίος μετατρέπεται σε υγρό σίδηρο που καθιζάνει στον πυθμένα του κλιβάνου.

Σχηματισμός σκωρίας

Ο ασβεστόλιθος (CaCO3) εισάγεται για να συνδυαστεί με τις ακαθαρσίες του σιδηρομεταλλεύματος, όπως το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), σχηματίζοντας σκωρία:

CaCO3→ CaO+3CO2

Το οξείδιο του ασβεστίου (CaO) ενώνεται στη συνέχεια με προσμίξεις και σχηματίζει πυριτικό ασβέστιο (σκωρία), το οποίο ανεβαίνει στην κορυφή του λιωμένου σιδήρου.

Αυτές οι αντιδράσεις αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της αντιδράσεις υψικαμίνου που μετατρέπουν τις πρώτες ύλες σε χρησιμοποιήσιμο λιωμένο σίδηρο.

Ο λιωμένος σίδηρος και η σκωρία

Μόλις ολοκληρωθεί η αντίδραση, ο λιωμένος σίδηρος βυθίζεται στον πυθμένα του κλιβάνου και η σκωρία επιπλέει στην κορυφή. Το οξείδιο του σιδήρου, όπως είναι γνωστή η πρώτη ύλη, πέφτει στον πυθμένα του κλιβάνου, όπου λιώνει, και ο λιωμένος σίδηρος αναρροφάται μέσω μιας ειδικής βαλβίδας. Το ακάθαρτο υλικό, γνωστό ως "σκωρία", απομακρύνεται χωριστά από τον κλίβανο.

Πατώντας το λιωμένο σίδερο

Μόλις σχηματιστεί αρκετός λιωμένος σίδηρος στον πυθμένα του κλιβάνου, "χτυπιέται" έξω από ένα στόμιο και καταλήγει σε ένα καλούπι ή δοχείο. Αυτός ο σίδηρος, που ονομάζεται χυτοσίδηρος, είναι η πρώτη ύλη για την περαιτέρω παραγωγή χάλυβα. Βρίσκεται σε αυτόν τον κλίβανο χαλυβουργίας, όπου πρόκειται να μειωθεί σε άνθρακα και να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χάλυβα. Ο σίδηρος που παράγεται σε υψικαμίνους παίζει βασικό ρόλο.

Τι συμβαίνει με τη σκωρία;

Τα απόβλητα της υψικαμίνου δεν απορρίπτονται. Συχνά ανακυκλώνονται για οικοδομικές εργασίες, εμφανίζονται στο οδόστρωμα ή επεξεργάζονται ακόμη περισσότερο για τσιμέντο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η σκωρία μπορεί επίσης να υποστεί επεξεργασία ώστε να ανακτηθεί ο σίδηρος που περιέχει, και αποτελεί έτσι ένα πολύτιμο υποπροϊόν.

Θερμοκρασία και έλεγχος

Η βελτιστοποίηση της λειτουργίας του υψικαμίνου απαιτεί προσεκτικούς ελέγχους της θερμοκρασίας. Εάν είναι πολύ κρύα, οι αντιδράσεις δεν θα είναι αποτελεσματικές. Αν είναι πολύ υψηλή, ο κλίβανος μπορεί να υποστεί ζημιά. Έλεγχος θερμοκρασίας Ρυθμίσεις της ποσότητας κοκ ή της ροής του αέρα. Αυτοί οι παράγοντες ενσωματώθηκαν αργότερα σε προηγμένα συστήματα ελέγχου υψικαμίνου για την ανάλογη προσαρμογή και τον έλεγχο της ομαλής λειτουργίας του υψικαμίνου.

Ο ρόλος του υψικαμίνου στην παραγωγή χάλυβα

Ο υψικάμινος είναι ένας μεγάλος κλίβανος τήξης που αποτελεί βασικό μέρος της διαδικασίας παραγωγής χάλυβα. Η κύρια λειτουργία του είναι η μετατροπή του σιδηρομεταλλεύματος σε καυτό μέταλλο για χαλυβουργία.
Η διαδικασία συνίσταται στο ότι το σιδηρομετάλλευμα και το κοκ τροφοδοτούνται από την κορυφή του υψικαμίνου και τα αναγωγικά αέρια στον πυθμένα κινούνται προς τα πάνω. Τέλος, το οξείδιο του σιδήρου μετατρέπεται σε καυτό μέταλλο.
Έτσι, η υψικάμινος παράγει χυτοσίδηρο, ο οποίος στη συνέχεια μετατρέπεται σε χάλυβα στο δεύτερο στάδιο.

Σύγχρονες βελτιώσεις

Οι νεότερες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί για να κάνουν τους υψικαμίνους μια πιο ενεργειακά αποδοτική και οικολογικά ορθή επιλογή. Οι νεότεροι κλίβανοι διαθέτουν εξελιγμένους μηχανισμούς ελέγχου για τη βελτιστοποίηση της θερμοκρασίας, της ροής του αέρα και της εισαγωγής υλικών. Οι υψικαμίνους μπορούν όχι μόνο να λειτουργούν με εναλλακτικά υλικά - για παράδειγμα, βιομάζα - για να μειωθούν οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Αλλά σχεδιάζονται επίσης όλο και περισσότερο ώστε να λειτουργούν τουλάχιστον με εναλλακτικά υλικά για να μειώσουν άνθρακας εκπομπές όπως κάνουν. Βοηθώντας έτσι τη βιομηχανία να μεταβεί σε βιώσιμες πρακτικές.

Συμπέρασμα

Η υψικάμινος αποτελεί βασικό συστατικό στοιχείο της χαλυβουργίας και άλλων βιομηχανιών. Για το λόγο αυτό, η κατανόηση της διαδικασίας της υψικαμίνου και των όσων λαμβάνουν χώρα σε αυτήν, σας επιτρέπει να εκτιμήσετε πόσο πολύπλοκη μπορεί να είναι η βιομηχανική παραγωγή. Οι αρχές της λειτουργίας της υψικαμίνου έχουν καθοδηγήσει τις βιομηχανίες επί αιώνες και συνεχίζουν να διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στη σύγχρονη μεταποίηση.