Vysokopecní proces (vysoká pec) je proces výroby železa ve vysoké peci [1] [2] .
Jedná se o kombinaci řady nezávislých fyzikálních a chemických jevů , mezi které patří procesy redukce oxidů a komplexních sloučenin, rozklad hydrátů a solí, spalování pevných, kapalných a plynných paliv, chemické reakce v pevné fázi a heterogenní chemické reakce, teplo přenos, pohyb pevných, kapalných a plynných složek atd. [ jeden]
V dávných dobách se železo tavilo v jámách - kovárnách , potahovalo se hlínou nebo vykládalo kamenem. Do kovárny se nakládalo palivové dříví a dřevěné uhlí . Vzduch byl čerpán otvorem ve spodní části kovárny pomocí kožených měchů. Drcená železná ruda byla nasypána na směs dřevěného uhlí a palivového dřeva . Spalování palivového dřeva a uhlí probíhalo intenzivně, uvnitř ohniště bylo dosahováno poměrně vysoké teploty. Interakcí uhlí a oxidu uhelnatého CO s oxidy železa z rudy docházelo k redukci železa a jeho akumulaci na dně nístěje ve formě pastovitých kousků kontaminovaných popelem a struskou . Takové železo se nazývalo surové železo. Než se přistoupilo k výrobě produktů, bylo nutné z ní odstranit nečistoty. Zahřátý kov byl kován a na kovadlině vytlačovány zbytky strusky, nečistot apod. Jednotlivé kusy železa byly svařeny v jeden celek. Tato metoda existovala až do XII-XIII století. Když začali využívat energii padající vody a uváděli kožešiny do pohybu mechanicky, bylo možné zvýšit objem vzduchu přiváděného do pece. Kovárna byla zvětšena, její stěny vyrůstaly ze země, stala se prototypem vysoké pece – domnitsa. Domnitsa měla výšku několik metrů a směrem nahoru se zužovala. Nejprve byly hranaté, pak se staly kulatými. Vzduch byl přiváděn přes několik trysek . Ve spodní části domu byl otvor zasypaný hlínou, kterým se po ukončení tavby vynášelo hotové železo. Zlepšení technologie tavení, obložení stěn domu přírodním žáruvzdorným kamenem umožnilo výrazně zvýšit teplotu v ohništi. Na dně pece vznikla tekutá slitina železa a uhlíku – litina. Litina byla zpočátku považována za výrobní odpad, protože byla křehká. Později bylo zjištěno, že litina má dobré odlévací vlastnosti a byly z ní odlévány děla, dělové koule a architektonické dekorace [3] .
Na počátku století XIV. učili, jak z litiny získat kujnou litinu, objevil se dvoustupňový způsob výroby kovů. Kusy litiny byly taveny v malých kelímcích - kovárnách, ve kterých bylo možné získat vysoké teploty a vytvořit oxidační podmínky v prostoru dmyšny. Díky oxidaci se z litiny vypálila většina uhlíku , manganu a křemíku . Na dně kelímku se shromáždila vrstva železné hmoty - výkvět . Hmota byla kontaminována zbytky strusky. Byl vyjmut z kelímku kleštěmi nebo páčidlem a po zahřátí byl kován, aby se vytlačily nečistoty a svařil se do jednoho pevného kusu. Takovým rohům se říkalo křik. Byly produktivnější než surově foukané a produkovaly kvalitnější kov. Proto byla postupem času výroba surového železa ukončena. Bylo výhodnější získávat železo z litiny než přímo z rudy. Se zlepšující se kvalitou železa rostla i poptávka po něm v zemědělství, vojenství, stavebnictví a průmyslu. Zvyšovala se výroba surového železa, zvětšovaly se vysoké pece, které se postupně měnily ve vysoké pece. Ve 14. století dosahovala výška vysokých pecí 8 m [4] .
Urychlený rozvoj hutnictví začal po nahrazení dřevěného uhlí koksem . Odlesňování na dřevěné uhlí vedlo k tomu, že již v XV století. v Anglii bylo zakázáno používat dřevěné uhlí v hutnictví. Použití koksu nejen vyřešilo problém paliva, ale také podpořilo růst produktivity vysokých pecí. Díky zvýšené pevnosti a dobré výhřevnosti koksu bylo možné zvětšit průměr a výšku pecí. V roce 1828 byl vydán patent na použití ohřátého vzduchu ve vysokých pecích. Toto opatření umožnilo výrazně snížit spotřebu koksu, zvýšit produktivitu a teplotu v nístěji pecí [5] .
Jako vsázkové materiály pro vysokopecní tavbu se používají koks , aglomerát , pelety , ruda , vápenec . Vsázkové materiály se do vysoké pece vkládají po kusech o velikosti 40–60 mm. Při použití velkých kusů se prodlužuje trvání procesů obnovy a tavení . Malé kousky ucpávají průchody plynu a narušují rovnoměrné spouštění materiálů ve vysoké peci. Kusy koksu, aglomerátu musí být pevné, dobře odolávat otěru. Křehké materiály se pod tíhou vsázkového sloupce v šachtě vysoké pece mění na jemné částice a prach, které ucpávají průchody mezi velkými kusy a zhoršují propustnost vsázky pro plyny. Koks a aglomerát by měly mít dostatečnou pórovitost – to urychluje spalování paliva a redukci oxidů železa. Ve vsázkových materiálech by měl být obsah škodlivých nečistot minimální: fosfor, síra, arsen, olovo atd., které přecházejí do složení litiny a z litiny při jejím zpracování - na ocel . Tyto nečistoty nepříznivě ovlivňují vlastnosti hotového kovu [6] [7] .
Také všechny vsázkové materiály musí mít jednotné chemické složení, například konstantní obsah železa v aglomerátu, popela v koksu, vápna ve vápenci atd. Kolísání chemického složení narušuje normální provoz vysoké pece a vede k zvýšená specifická spotřeba materiálů. Za podmínek paribus se produktivita vysoké pece zvyšuje se zvyšováním obsahu železa v surovině [8] .
Počáteční operace, která je začátkem kampaně vysoké pece, se nazývá foukání . Dále při normálním chodu vysoké pece vznikají v důsledku spalování paliva a koksu vysoké teploty, které jsou nezbytné pro procesy redukce oxidů železa a tvorbu tekutého železa. Kromě litiny vzniká ve vysoké peci tekutá struska a vysokopecní plyn - související výrobní odpad. Vsázkové materiály jsou do pece vkládány periodicky, doba jejich setrvání v peci je 5-8 hodin. Jak se v důsledku spalování koksu a tavení železné rudy uvolňuje prostor ve spodní části pece, sloupec vsázky klesá a postupně se zahřívá stoupajícími plyny [9] .
Ve skutečnosti provoz vysoké pece začíná od okamžiku, kdy je v ní zapáleno palivo. Proces spalování paliva ve vysoké peci probíhá v kulových prostorech před vzduchovými dmychadly v tzv. dmýchacích nístějích a je jednou z nejdůležitějších nezbytných součástí vysokopecního procesu . Tryskami vysoké pece je přiváděn horký vzduch o teplotě 1000–1200 °C. Přímo před dmýchacími trubkami pece se spaluje koks a vznikají oxidační zóny. Koks v těchto zónách hoří v suspenzi. V blízkosti dmýchadel je vytvořena dutina, ve které dochází k vířivému pohybu plynů, což vede k cirkulaci hrudek koksu. Kusy koksu jsou unášeny proudy vzduchu z dmýchadel a další kusy koksu zahřáté na 1500 °C padají na jejich místo a hoří zde. Při spalování vznikají teploty až 2000°C. Hloubka zóny dosahuje 1500 mm. Kolem cirkulační zóny je oblast v plynné fázi, která obsahuje CO 2 . Prostor před tryskami, ve kterém je uhlík koksu oxidován výbuchovým kyslíkem a CO 2 , se nazývá oxidační zóna. Jak se vzdalujete od dmychadel, v podmínkách vysoké teploty a přebytku uhlíku, CO 2 interaguje s uhlíkem a redukuje se na CO. Pokud zvýšíte tlak foukání, zvýšíte teplotu a obsah kyslíku ve vzduchu, pak se velikost oxidační zóny zmenší. Ke spalování koksu dochází na povrchu kusů v důsledku kontaktu s oxidačními plyny [10] . Celková spalovací reakce je znázorněna rovnicí
2C + 02 = 2CO-220500 J [11] .
Proces spalování paliva vykonává ve vysoké peci následující funkce:
Generování převážného množství tepla uvolněného v objemu vysoké pece, které se vynakládá na:
Generování redukčního plynu , jehož složkami jsou CO a H 2 a který vykonává veškerou práci na redukci vyšších oxidů železa v šachtě vysoké pece na wustit a hlavní práci na redukci wustitu na železo v heterogenních redukčních procesech.
Uvolnění prostoru v nístěji pece , kam padají nové části koksu, čímž je zajištěn nepřetržitý pohyb všech materiálů vsázky shora dolů.
Částečná oxidace litinových prvků tlakovým kyslíkem , jehož významná část kapiček proudí z kohezní zóny přes zóny dmýchací trubice a je vrhána na opačnou hranici zóny dmýchací trubice. Zde se také odhazují kapky strusky stékající z tavicí zóny nad zónami dmýchací trubice. Oxidy kovů vznikající při oxidaci litinových prvků přecházejí do strusek a jsou pak zcela nebo částečně redukovány uhlíkem koksové trysky nebo litinovým křemíkem [12] .
Spalování palivového uhlíku v komorách dmýchací trubice vysoké pece se zásadně liší od spalování paliva v jakékoli jiné peci přítomností husté vrstvy koksu (koks totterman neboli koksová tryska) kolem komor dmýchací trubice o teplotě alespoň 1300 °C, při které se oxidační činidla vznikající při spalování paliva vysokou rychlostí regenerují uhlíkem z koksu koksové trysky [13] [14] .
Obsah fyzikálně adsorbované nebo hygroskopické vlhkosti v aglomerátech a peletách závisí na klimatu, ročním období a pohybuje se od 0,2–0,5 do 1–2 %, v koksu (mokré hašení) 1–4 %, v manganové rudě někdy 5 % a více. Teplota v horní části vysoké pece, kam vstupují složky vsázky, je 200–400 °C, tedy mnohem vyšší než bod varu vody. Odpařování hygroskopické vlhkosti a odvod páry proto začíná v horních horizontech pece ihned po zahřátí kusů vsázky na teplotu vršku. Hydratovaná voda může vstupovat do vysoké pece s hnědými železnými rudami nebo rudami obsahujícími hydratovanou vodu v hlušině. Vzhledem k tomu, že téměř 100 % suroviny pro vysokou pec je tepelně zpracováno, lze hydratovanou vlhkost zanedbat [1] [15] .
Podíl uhličitanů vstupujících do vysokopecní vsázky se železnými (FeCO 3 ) a manganovými (MnCO 3 ) rudami je malý. Velký význam mají přísady tavidla do vsázky - vápenec nebo dolomit (CaCO 3 , CaCO 3 •MgCO 3 ). Ve vysoké peci probíhá rozklad uhličitanů podle následujících reakcí:
Hlavními redukčními činidly ve vysokopecním procesu jsou uhlík , oxid uhelnatý a vodík . Prvky, které vstupují do vysoké pece se vsázkou, lze v závislosti na jejich přeměnách v podmínkách vysokopecního tavení rozdělit na téměř zcela využitelné (Fe, Ni, Co, Pb, Cu, P, Zn); částečně regenerovatelné (Si, Mn, Cr, V, Ti); nepodléhající redukci (Ca, Mg, Al, Ba) [17] [18] .
Redukce oxidů železa plyny ve vysoké peci probíhá podle následujících reakcí:
Na dně šachty pece se objevuje kovové železo a pára. Jak jsou materiály ve vysoké peci spouštěny a dále zahřívány, železo rozpouští uhlík ve stále větším množství. Zároveň se snižuje jeho bod tání, kov se taví a v podobě kapek teče do pece. Konečné složení litiny vzniká v nístěji pece [20] .
K dispozici jsou 4 stupně nauhličování železa v moderní vysoké peci.
Prvním stupněm je vysrážení černého uhlíku na povrchu čerstvě redukovaného železa podle reakcí (t = 400–1000 °C):
Všechny faktory přispívající ke vzniku těchto reakcí způsobují zvýšení obsahu uhlíku v litině (zvýšení tlaku v peci, vysoká redukovatelnost vsázky , zvýšení zásaditosti, zvýšení obsahu vodíku v plynné fázi atd.). ). Druhý stupeň souvisí s prvním a je charakterizován difúzí černého uhlíku do hmoty kovového železa (950–1150 °C):
Třetím stupněm je tavení kovu o obsahu přibližně 2 % C při teplotě nad 1150 °C a odkapávání kapek podél koksové trysky s rozpouštěním koksového uhlíku v kovu:
Čtvrtou fází je proces, který probíhá v kovárně. Zde na jedné straně pokračuje rozpouštění koksového uhlíku v tekutém kovu a na druhé straně oxidace litinového uhlíku v nístějích dmýchací trubice (vzhledem k velikosti pece) [21] [22] .
Složení strusky vznikající ve vysoké peci závisí na mnoha faktorech (mineralogické a granulometrické složení vsázky, teplotní režim tavení). Proces tvorby strusky se výrazně liší při provozu pece s přídavkem vápence a při provozu na tavené aglomeraci. Normální pro vysokopecní strusku je zásaditost rovna 1,0 [23] .
Primární vysokopecní struska může obsahovat fayalit , wollastonit , gehlenit . Ve spodní polovině dolu nebo v parní komoře primární struska měkne a taje. Poloha zóny primární tvorby strusky v peci závisí na složení strusky a rozložení teploty po výšce pece. Nejnáročnější v provozu pece je tavení těžko vytěžitelné rudy s nízkotavitelným odpadem, kdy se do primární strusky přidává značné množství oxidů železa již uprostřed dolu. Získávání železa ze strusky je obtížné. Značná část železa se v tomto případě získává přímou cestou, což vede k nadměrné spotřebě koksu. Předčasné natavení primární strusky zhoršuje propustnost vsázkového sloupce v peci pro plyny, jelikož většina pece je zaplněna poloroztavenými (těstovitými) hmotami, které kladou značný odpor prostupu plynů [24] .
Během tavení titanomagnetitových surovin (například aglomerátů a pelet z Kachkanarské korejské vlády [25] ) přechází do strusky značné množství sloučenin titanu . Současně se v nístěji vysoké pece ve hmotě tekuté strusky obsahující titan nacházejí nejmenší pevné částice ilmenitu a karbidu titanu , které se nestihly zotavit . Přítomnost pevných částic prudce zvyšuje viskozitu strusky, což ztěžuje její uvolňování z pece [26] .
Vysokopecní struska se často používá jako hlavní surovina pro těžbu cenných složek [27] .
Vysoké pece tavily hlavní množství primárního kovu (v roce 2002 - více než 95 %). Proces domény byl historicky kritizován. Teprve ve druhé polovině 20. století proběhly minimálně dvě vlny kritiky, které předpovídaly zánik vysokopecní výroby jako samostatné hutnické redistribuce . V 60. letech to bylo způsobeno zapojením největších ropných a plynových polí do světové ekonomiky . Podle prognóz mnoha tehdejších odborníků měl podíl primárního kovu získaného novými alternativními metodami vysokopecní výroby do roku 2000 dosáhnout 40 %. Druhá vlna kritiky se datuje do 80. let 20. století. Bylo to z hlediska negativního vlivu hutnictví na životní prostředí. Teprve poté, co se v dobovém tisku objevily seriózní analytické publikace o úloze různých odvětví národního hospodářství při změně stavu přírodního prostředí, změnil se přístup k hutnictví k lepšímu [30] .
Ve 20. století zcela dominovalo světovému průmyslu tradiční schéma získávání železných kovů (příprava surovin - vysokopecní výroba - získávání oceli v konvertorech ). Roční světová produkce surového železa se v 90. letech 20. století udržovala na úrovni 550-650 milionů tun, světová produkce železné rudy - 960-980 milionů tun, pelet - 230-240 milionů tun. Spoléhání se na tradiční metalurgické schéma je charakteristické i pro země s rychlým rozvojem metalurgického průmyslu ( Tchaj-wan , Korejská republika atd.). Podíl těchto zemí na světové produkci železných kovů na počátku roku 2000 dosáhl 20 %. V roce 1990 bylo 12,5 % celkové světové produkce železa ve vysokých pecích s životností kratší než 10 let [31] .
Vysokopecní proces je jedním z mála průmyslových procesů, které si uchovaly svou podstatu a význam ve všech technických revolucích . Protiproudý princip procesu prováděného v uzavřené šachtové jednotce zajišťuje maximální využití vstupní energie v samotném procesu a snadné použití vypouštěných produktů. V moderních vysokých pecích se redukční potenciál výfukových plynů blíží termodynamické hranici a teplota kychtového plynu je nižší než 100 °C. Přítomnost uhlíkové náplně poskytuje jedinečnou vlastnost, charakteristickou pouze pro vysokou pec, spočívající v kombinaci tří fázových stavů vsázky (pevné, kapalné a změkčené), která je v protiproudu s prouděním plynu v jeden celek. Proces tavení v moderních jednotkách se přitom vyznačuje vysokou stabilitou v dlouhodobém nepřetržitém provozu. Toho bylo dosaženo dlouhým evolučním vývojem procesu s konsolidací výhod, které jsou vlastní protiproudu dolu. Výsledky evoluce se projevily ve vytvoření unikátních vlastností vysoké pece, které zajišťují stabilní tok procesů při jejich vysoké účinnosti [32] .
Evoluční vývoj vysokopecního procesu jde cestou snižování spotřeby koksu. Vysoké pece pracující podle moderních technologií na připravenou vsázku s nízkou potřebou tepla mají celkovou spotřebu energie v rozmezí 480–500 kg/t. Spotřeba kusového koksu je v tomto případě menší než 300 kg/t, zbytek paliva představuje nekvalitní koks nakládaný shora, práškové palivo , topný olej nebo zemní plyn foukaný do nístěje vysoké pece. Teoretické výpočty ukazují, že celkovou spotřebu energie lze zvýšit na 350-400 kg/t [33] .
Nejdůležitější výkonnostní ukazatele vysokých pecí jsou průměrná denní produktivita a spotřeba koksu na jednotku taveného surového železa. Maximální produktivita vysokých pecí využívajících metody intenzifikace tavícího procesu je 12 000 tun/den a měrná spotřeba koksu v nejlepších pecích je 0,4 tuny/t surového železa. Pro srovnávací hodnocení produktivity vysokých pecí se používá faktor využití užitečného objemu pece (KIPO), což je poměr užitečného objemu pece k její průměrné denní produktivitě. V roce 2000 byla rekordní míra využití objemu 0,35 m3 × t/den [34] .
Hlavními směry technického pokroku ve vysokopecní výrobě jsou zdokonalování přípravy surovin, zdokonalování technologie vysokopecního procesu, stavba vysokokapacitních vysokých pecí, mechanizace a automatizace řízení vysokopecní proces. Vyberte následující hlavní oblasti automatického ovládání:
Zavedení lokálních stabilizačních systémů pro jednotlivé parametry vysokopecního procesu bylo jednou z prvních etap automatizace vysokopecní výroby. Lokální systém pro stabilizaci průtoku, teploty a vlhkosti horkého vzduchu, tlaku kychtového plynu, ohřevu ohřívačů vzduchu umožňuje zvýšit produktivitu vysokých pecí a snížit spotřebu koksu. A zavedení automatických řídicích systémů pro dodávku vsázky, distribuce horkého vzduchu a zemního plynu přes dmýchací trubice vysoké pece, automatický přenos a řízení ohřevu ohřívačů vzduchu zpravidla poskytuje další ekonomický efekt [ 36] .
Automatické řídicí systémy pro jednotlivé režimy provozu vysoké pece se nazývají lokální řídicí systémy nebo integrované řídicí subsystémy. Vstupem takových systémů jsou informace, které charakterizují odpovídající režim, a výstupem systému je řízení lokálních stabilizačních systémů, které obsluhují tento soubor parametrů. Hlavní místní řídicí systémy pro vysokopecní proces jsou:
| Hutnictví železa | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Obecné pojmy Černé kovy Slitina Železárny a ocelárny Hutní komplex Historie výroby a použití železa | ||||||||||||
| Základní procesy |
| |||||||||||
| Hlavní jednotky |
| |||||||||||
| Hlavní produkty a materiály |
| |||||||||||