Domna je pec na tavení železa

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Pro tavení železa v moderním metalurgickém průmyslu se používá vysoká pec. Jedná se o šachtovou pec, která není příliš složitou konstrukcí, která však působí efektně. Aby lidstvo dovedlo výrobu železa k dokonalosti, muselo nasbírat staletí zkušeností.

Částečně vysvětluje, co je to vysoká pec, staroslovanský kořen jejího názvu. "Dmit" znamená foukat.

Předci vysokých pecí - shukofen

Ve středověku lidé potřebovali různé kovy. Zbraně a nástroje se vyráběly z oceli, ohebné a tvrdé, na domácí potřeby se používalo obyčejné železo. Sýrové vysoké pece se k získání požadovaného kovu používaly velmi dlouho, po tisíciletí, a plně uspokojovaly potřeby až do vyčerpání zásob nízkotavitelných rud. Zvýšením výšky bylo dosaženo vysoké teploty (takto se zvýšil tah), vzduch byl čerpán i ručními měchy. Postupem času však Evropané museli přejít na méně kvalitní suroviny, které sloužily jako pobídka k pokroku. Shtukofen se stal vynálezem, po kterém se objevila první vysoká pec. Jednalo se o pec uzavřeného typu, která fungovala dleurčitý cyklus. Bylo nutné do něj naložit rudu, uhlí, poté probíhal ohřev s foukáním (nebylo dostatečné ruční úsilí, proto byl použit pohon od vodních kol), po kterém bylo nutné počkat na ochlazení a extrahovat kov, oddělovat z vodního kamene a dalších nevhodných vedlejších produktů zvaných kritz. Hlavní výhodou shtukofenu byla nejlepší koncentrace tepelné energie díky uzavřenému objemu během pracovního cyklu, kvůli snížení jejího úniku do atmosféry.

Litinová civilizace

Hlavním problémem středověkých metalurgů ve třináctém století byla vyluhovatelnost železa. Když byla v shtukofenu získána litina (tj. slitina železo-uhlík s koncentrací uhlíku 1,7 % a vyšší), byli překvapeni jejím nízkým bodem tání, ale nebyli potěšeni. Výsledný kov bylo snazší získat než ocel, a ještě více železo, ale jeho mechanické vlastnosti z hlediska tehdejších spotřebitelů zůstaly příliš neuspokojivé: byl příliš křehký a málo pevný. Za pouhá dvě století se však postoj k litině změnil. Za prvé se ukázalo, že je snadné jej vyjmout z pece, bylo možné jej jednoduše vypustit v roztavené formě. Za druhé, tento kov přesto našel své uplatnění a je velmi rozmanitý. A za třetí to byla surovina pro další čištění od přebytečného uhlíku a ukázalo se, že je mnohem snazší z něj získat ocel než z rudy. Takže po staletích experimentů byla nalezena nejproduktivnější metalurgická technologie a byla vynalezena vysoká pec. Pec ve vestfálském městě Siegerland (druhá polovina 15století) mohl pracovat s nepřetržitým cyklem několik let a denně produkovat přes jeden a půl tuny surového železa. Tehdy toho bylo hodně.

Stavba vysoké pece

Jen tím, že budete blízko této obří pece, pochopíte, jak velká je moderní vysoká pec. Fotografie dávají představu o její kyklopské velikosti pouze tehdy, když zobrazují osobu, která se zdá být malá jako mravenec. Navzdory působivému vzhledu však princip fungování zůstal stejný, středověký. Návrh obsahuje pět hlavních uzlů. Horní, horní, je navržena tak, aby nakládala suroviny a rovnoměrně je rozdělovala uvnitř pece. Pod ním je část kónického tvaru, ve kterém probíhá ohřev a proces redukce (o tom později). Třetí jednotka shora se nazývá pára, kde se taví železo. Další kuželovou částí, tentokrát se zužující se dolů, jsou ramena, ve kterých se z koksu uvolňuje oxid uhelnatý (redukční plyn). A úplně dole je kovárna, ze které se těží hotový výrobek a výrobní odpad.

Procesní chemie

Chemické procesy jsou oxidační a redukční. První znamená spojení s kyslíkem, druhý naopak jeho odmítnutí. Ruda je oxid a k získání železa je zapotřebí určité činidlo, které dokáže „vybrat“další atomy. Nejdůležitější roli v tomto procesu hraje koks, který při spalování uvolňuje velké množství tepla a oxidu uhličitého, který se při vysoké teplotě rozkládá na oxid monoxid, chemickyaktivní a nestabilní látka. CO má tendenci se znovu stát oxidem a při setkání s molekulami rudy (Fe₂O_{3 z nich „odebírá“veškerý kyslík a opouští pouze železo. V surovinách jsou samozřejmě další látky, nepotřebné, které tvoří odpadní produkt zvaný struska. Takhle funguje vysoká pec. To je z hlediska chemie celkem jednoduchá redukční reakce doprovázená spotřebou tepla.}

Jaká je moderní vysoká pec?

Životnost vysoké pece je na zařízení takového rozsahu relativně krátká – asi deset let. Během této doby je konstrukce vystavena velkému zatížení, zhoršenému tepelným ohřevem, poté je nutná generální oprava nebo demolice. Výrobu železa nelze nazvat neškodnou, je spojena s emisemi fosforu, síry a dalších nepříliš užitečných látek do atmosféry. Dohromady tyto okolnosti povzbuzují mnoho zemí k omezení metalurgické výroby nebo k její modernizaci (zejména je-li průmysl základní a tvořící rozpočet). Moderní vysoká pec je v principu poměrně jednoduchý systém, který však vyžaduje složité regulační schéma s četnými regulačními smyčkami, které zajistí co nejefektivnější spotřebu surovin a energetických zdrojů.