Magas kemence (kohó) – működése, szerkezete és vasgyártás
Magas kemence (kohó): részletes útmutató működéséről, szerkezetéről és a vasgyártás lépéseiről — technológia, hűtés, redukció és ipari alkalmazások.
A kohó egy speciális típusú kemence, amelyben ércből vasat olvasztanak. A kohók nagyon nagyok: akár 60 méter (200 láb) magasak és 15 méter (49 láb) átmérőjűek is lehetnek. A kohó a legnagyobb kémiai reaktor; a nagyolvasztókemencéket magas kemencéknek is nevezik.
Szerkezete és anyagai
A nagyolvasztó kemencét általában acélból készült tokkal és a tok belsejében magnézium-oxidból vagy más tűzálló anyagból készült téglákkal építik. A forró kemence nem tudja megolvasztani ezeket a téglákat. A kohót a tok és a téglák egy részén belül folyó vízzel hűtik. Gyakori még a hűtőbordás (stave) kialakítás és az acélköpeny belsejébe szerelt csőrendszer, amelyen keresztül a hűtővíz áramlik.
Fő részek:
- töltőnyílás (top) a nyersanyagok bejuttatására,
- teteje (stack) – hosszú, kúpos rész, ahol a gázok és a töltet lefelé haladnak,
- bélés (refractory lining) – a magas hőmérsékletnek ellenálló téglák, pl. magnézia>,
- tüzelő oldal (bustle) és tuyerék – a levegő (vagy oxigén) befúvásának helye,
- alj (hearth) – ahol az olvadt vas és a salak összegyűlik és kiöntik (tapping).
Működési elv és kémiai folyamatok
A vasgyártás folyamata lényegében a vasérc redukciója. A vasérc általában vasoxid, és a vasat az oxigén eltávolításával állítják elő. Ezáltal nyers vas marad, amit nyersvasnak neveznek. Az oxigén eltávolításának folyamatát olvasztásnak nevezzük.
A redukciós folyamat során főként szenet (koksz formájában) használnak, az ércet pedig magas hőmérsékletre hevítik. A szén magas hőmérsékleten könnyen kivonja az oxigént az ércből. A jellegzetes reakciók (egyszerűsítve):
- C + O2 → CO2
- CO2 + C → 2 CO (a CO a fő redukálószer)
- Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 (vas-oxid redukciója CO-val)
- FeO + C → Fe + CO (közvetlen redukció szénnel is előfordul)
Emellett a salakképzés fontos: a töltetben található szilikátos és más szennyeződéseket (pl. SiO2, Al2O3) mészkövet (CaCO3) adva olvadékba oldják. A mészkő lebomlik: CaCO3 → CaO + CO2, és a CaO a szennyező anyagokkal reagálva képzi a folyékony salakot (pl. CaSiO3), amely elkülönül az olvadt vasról.
Üzemeltetés: fő lépések és eszközök
A kohó működése folyamatos: a nyersanyagok és a levegő állandó, szabályozott beáramlása biztosítja a folyamatos üzemt. Főbb lépések:
- töltés: vasérc, koksz és flux (mészkő) rétegezve kerül a kemencébe;
- befúvás: a levegőt (vagy részlegesen dúsított oxigént) a tuyeréken keresztül fújják be, előmelegítve (hot blast) a hatékonyság növelése érdekében;
- reduktionszó: a lefelé süllyedő töltet és a felfelé áramló forró gázok kölcsönhatása során képződik a fém és a salak;
- kiöntés (tapping): a nyersvasat és a salakot időnként külön kivezetésekkel ürítik;
- gázkezelés: a keletkező kohógáz összegyűjtése, tisztítása és energiatermelésre való felhasználása (pl. fűtés, erőmű).
A levegő előmelegítése (hot blast) és a tuyerék elhelyezése döntő a hatékonyság szempontjából: a befújt levegő hőmérséklete tipikusan 800–1200 °C lehet, ami csökkenti a koksz szükségletét és növeli a termelékenységet.
Termékek és melléktermékek
- Nyersvas (pig iron): magas széntartalmú olvadt vas, amelyet öntéssel vagy továbbfeldolgozással (pl. acélgyártás) hasznosítanak.
- Salak: az olvadt salakot építőanyagként, cementgyártásban vagy úttöltésben lehet felhasználni.
- Kohógáz: főleg CO, CO2, H2 és N2 keveréke; energiatermelésre vagy kémiai alapanyagként továbbhasznosítható.
- Por és emissziók: porok, NOx, SOx és egyéb szennyezők keletkezhetnek, amelyek kezelését szűrők és mosók végzik.
Hűtés, karbantartás és biztonság
A bélés és az acélköpeny védelmére beépített vízhűtés elengedhetetlen. A tűzálló téglák kopnak, ezért időszakos karbantartás (relining, részleges vagy teljes téglacsere) szükséges. A tuyerékek, töltőberendezések és kivezetők rendszeres ellenőrzése biztonsági és gazdaságossági szempontból fontos.
Környezeti hatások és modern fejlesztések
A hagyományos magas kemencés vasgyártás jelentős CO2-kibocsátással jár, mivel a szén mind redukáló szer, mind tüzelőanyag. Emiatt az acéliparban ma intenzív kutatás folyik a kibocsátás csökkentésére: alternatív redukálószerek (pl. hidrogén), elektromos fűtés, CO2-leválasztás és -hasznosítás (CCUS), valamint a kohógáz hatékonyabb energetikai hasznosítása.
Összefoglalva: a magas kemence egy összetett, nagy méretű ipari berendezés, amelyben a kémiai reakciók és a hőátadás kombinációja révén állítanak elő nyersvasat. A modern üzemekben a hatékonyság, a biztonság és a környezeti terhelés csökkentése áll a fejlesztések középpontjában.
Nagyolvasztó kemence diagram1 . Forró fúvás ("szél") a Cowper-kályhákból 2. Olvadási zóna (bosh) 3. A vasoxid redukciós zónája (hordó) 4. A vas-oxid redukciós zónája (kémény) 5. Előmelegítő zóna (torok) 6. Érc, mészkő és koksz betáplálása7 . Kipufogógázok8 . Érc, koksz és mészkő oszlop9 . A salak eltávolítása10 . Az olvadt nyersvas csapolása11 . A füstgázok összegyűjtése
Process
Az érc, a mészkő és a koksz formájában lévő szén rétegenként kerül a kohó tetejére. Ezzel egyidejűleg forró levegőt, úgynevezett "szelet" fújnak a kohó belsejébe. A levegőnek a kemencébe juttatásához speciális fúvókákat, úgynevezett "fúvókákat" használnak. A fúvókák a kemence alján vannak. Ezt a folyamatot "fúvásnak" nevezik. Ezért nevezik a kemencét "nagyolvasztónak". A koksz meggyullad (lángra kap) és elég. Ennek során szén-monoxid keletkezik, mivel nincs elég oxigén a szén-dioxid előállításához. A szén-monoxid ezután a fémoxidot fémmé redukálja, és szén-dioxidot hoz létre. Ezt a folyamatot használják a vas előállítására. A mészkő a vasérc kőzetével egy salak nevű anyagot képez.
A kemence alsó részét tűzhelynek nevezik. Amikor ez megtelik folyékony nyersvaszal és salakkal, a salakot eltávolítják. Ezt nevezik lehabolásnak. A salak könnyebb a vasnál, és nem keveredik a vassal. A vas tetején lebeg. Egy speciális fúróval lyukat fúrnak a tűzhelyen a salak szintjén. A folyékony salak a lyukon keresztül a salakedénynek nevezett tartályba kerül. A vasat ezután lecsapolják a tűzhelyről. Ezt nevezik csapolásnak. Az alján egy lyukat készítenek, és a folyékony nyersvas kijön. Ezt vagy közvetlenül acélgyártásra használják fel, vagy egy speciális vasúti kocsiba, az úgynevezett torpedókocsiba rakják, vagy formákba készítik. Amikor az összes nyersvasat eltávolították, tűzálló agyaggal lezárják a két lyukat. Az agyag a nagy hő hatására nagyon gyorsan megszilárdul.
A nyersvas mintegy 4% szén-dioxidot tartalmaz, és túl kemény és törékeny lenne a felhasználáshoz. A felesleges szenet először ki kell égetni. A nyersvasból a széntelenítéssel (a felesleges szén kiégetésével) acéllá finomítják. A nyersvas széntelenítésére és acéllá történő finomítására a modern módszer az oxigénes alapkemencék. Történelmileg más módszerek is léteztek, mint például a Bessemer-konverter, a nyitott kemencés kemence és a pocsolyakemence.
A gázok felemelkednek és a kemence tetején összegyűlnek. Mivel a gáz sok szén-monoxidot tartalmaz, értékes tüzelőanyag. A kohó tetején összegyűlt gázt nevezzük kohógáznak. Ezt követően kimossák és megszárítják, és minden szilárd részecskét, például kormot vagy ércport összegyűjtenek. A gázt ezután speciális kemencékben, úgynevezett Cowper-kemencékben vagy forró kohókban szén-dioxiddá égetik. A kohógáz elégetéséből származó hőt ezután a robbantási levegő, a "szél" előmelegítésére használják, amelyet viszont magába a kohóba fújnak.
A salak nem hulladék. Különböző módon felhasználható. Készíthetünk belőle téglát és felhasználhatjuk építkezéshez, vagy betonhoz keverhetjük. A kohósalakot tartalmazó beton erősebb, mint a közönséges beton, és szinte tiszta fehér, míg a közönséges beton piszkosszürke.
Egy kohó általában 10-20 évig is működhet leállás nélkül. Ezt nevezik "kampánynak".
Kémiai példa
A 900-1600 °C-os hőmérsékleten szénnel történő redukció következik be:
| 1. | 3 {\displaystyle 3} | Fe2O3{\displaystyle Fe_{2}O_{3}}} | ⟶ {\displaystyle \longrightarrow } | 2 {\displaystyle 2} | Fe3O4{\displaystyle Fe_{3}O_{4}}} |
| 2. | F e 3 O 4 + C {\displaystyle Fe_{3}O_{4}+C}} | ⟶ {\displaystyle \longrightarrow } | 3 {\displaystyle 3} | FeO{\displaystyle FeO} | |
| 3. | F e O + C {\displaystyle FeO+C} | ⟶ {\displaystyle \longrightarrow } | Fe{\displaystyle Fe} |
Most már vasat készítettek.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a kohó?
V: A kohó egy nagy kemence, amelyet vas olvasztására használnak ércből.
K: Milyen nagyok lehetnek a kohók?
V: A nagyolvasztók akár 60 méter magasak és 15 méter átmérőjűek is lehetnek.
K: Mi a másik neve a kohónak?
V: A nagyolvasztókemencéket magas kohóknak is nevezik.
K: Milyen anyagokból készülnek a kohók?
V: A nagyolvasztókemencéket általában acélburkolatból és magnézium-oxidból vagy más tűzálló anyagokból készült téglákból építik.
K: Hogyan hűtik a kohót?
V: A kohót a tok és a téglák egy részén belül folyó vízzel hűtik.
K: Mi az olvasztás folyamata, és hogyan készül a vas?
V: A vas előállításának folyamata az olvasztás, amelynek során a vasércből eltávolítják az oxigént. A redukciós folyamat során szenet használnak, az ércet pedig magas hőmérsékletre hevítik. Ezáltal nyers vas marad, amelyet nyersvasnak neveznek.
K: Mi a szén szerepe a vas előállításának redukciós folyamatában?
V: A szén magas hőmérsékleten könnyen kivonja az oxigént az ércből.
Keres