Wielki piec

Wielki piec – piec hutniczy służący do wytapiania surówki z rudy żelaza. Stanowi piec szybowy, rodzaj pieca przemysłowego, który charakteryzuje wysoka, szybowa komora. Proces pozyskiwania surówki w wielkim piecu określa się jako “proces wielkopiecowy”. Proces wielkopiecowy ma charakter ciągły, wielki piec pracuje nieustannie przez wiele lat – zakończenie jego pracy określa się jako “wygaszenie wielkiego pieca”.


W języku angielskim: blast furnance.

Wielki piec w wytwarzaniu żelaza

Zasada pozyskiwania metali z rud za pomocą wielkiego opiera się na ich redukcji przez działanie tlenku węgla. Rudy zawierają tlenki metali – w wielkim piecu możliwe jest usunięciu tlenu z tlenku metalu w celu uzyskania samego metalu. Jako produkty uboczne pracy wielkiego pieca powstają żużel oraz gaz wielkopiecowy. W wielkich piecach powstają także niektóre stopy metali, np. żelazomangan wielkopiecowy. Najważniejsze reakcje chemiczne, które zachodzą w wielkim piecu to:

FeO + CO → Fe + CO2
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
Fe3O4 + 4O → 3Fe + 4CO2

Piece hutnicze różnią się budową. Wielkie piece używane do produkcji żelaza stanowią wysokie konstrukcje przypominające kominy (zwykle o wysokości 24–30 m) wykonanej z żelaza lub stali i obłożonej cegłą szamotową (cegłą odporną na działanie wysokiej temperatury). Współczesne wielkie piece mają pojemność do 3000 m3 oraz wydajność do 6000 t surówki na dobę. Wielki piec jest przewężony u góry, a jego obwód zwiększa się ku dołowi. Na samym dole pieca, przy jego fundamencie, znajduje się jednak przewężenie, tworząc palenisko lub tygiel. Określana jest ona jako gar wielkiego pieca. W miejscu tym wielki piec opuszczają stopione produkty – znajdują się tu otwory spustowe, spust surówki oraz spust żużlu, a także dysze (doprowadzające do wielkiego pieca powietrze) i okrężnice dmuchu. Zawierające składniki palne gazy wielkopiecowe odprowadzane są natomiast w górnej części wielkiego pieca.

Wielki piec zasilany od góry wsadem określonych ilości rudy, koksu i topników (jako topniki służą najczęściej wapienie). Górna część konstrukcji określana jest jako gardziel wielkiego pieca. Ruda, koks i topniki wsypywane są okresowo w odpowiednich proporcjach. Koks stanowi źródło ciepła, paliwo wielkiego pieca, a także reduktor tlenków żelaza. Topniki ułatwiają topienie skały płonnej, którą zawiera ruda, oraz ułatwiają oddzielenie od metalu zanieczyszczeń trudno topliwych, które tworzą żużel. Wstępnie ogrzane sprężone powietrze jest wprowadzane od dołu przez rury (dysze) wchodzące do pieca tuż nad paleniskiem. Powietrze przepływa w górę poprzez wsad. Koks utlenia się do dwutlenku węgla, który w wysokiej temperaturze zmienia się w tlenek węgla. Tlenek węgla redukuje następnie tlenki metali zawarte w rudzie – pobierając tlen, przemienia się z powrotem w dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla wraz z niewykorzystanym tlenkiem węgla oraz azotem i innymi składnikami pierwotnie wprowadzonego powietrza jest odprowadzany rurą znajdującą się u góry pieca. Jest to jeszcze gaz o wysokiej temperaturze, służy więc dodatkowo do dalszego ogrzewania pieców. Wraz z postępem operacji znajdujący się w piecu wsad ulega stopieniu i opada do gara wielkiego pieca. Żelazo opada na jego dno i odprowadzane jest przez spust surówki. Pozostałe zanieczyszczenia, zwane żużlem, są natomiast lżejsze i unoszą się na wierzchu surówki w postaci ciekłej warstwy. Odprowadzane są rurą w górnej części gara wielkiego pieca, nazywaną spustem żużlu. Odprowadzanie surówki i żużlu odbywa się co kilka godzin.

Roztopione żelazo wycieka od dołu wielkiego pieca poprzez spust żelaza, po czym przelewa się je do form, w których twardnieje. Otrzymany produkt znany jest jako surówka lub żeliwo. Ulepszenia technologiczne mające na celu zwiększenie tempa produkcji surówki polegały np. na dodawaniu czystego tlenu i pary w przebiegu procesu wielkopiecowego oraz na formowaniu rudy tak, aby uzyskać lepszą styczność pomiędzy ciałem stałym i gazem. Topnik i ruda są niekiedy łączone w granulat.

Surówka przygotowana w wielkim piecu może być następnie przetworzona na stal w kolejnych procesach technologicznych. Należą do nich procesy konwertorowe (np. proces Bessemera lub proces tlenowy) oraz wytwarzanie stali za pomocą pieców elektrycznych. Wielkie piece mają także inne zastosowania w metalurgii. Z rudy miedzi przerabianej w wielkim piecu otrzymuje się kamień miedziowy, z którego usuwana jest tylko pewna część zanieczyszczeń. Zwykle jest on dalej rafinowany metodami elektrolitycznymi.

Historia wielkich pieców

Pierwsze konstrukcje, które określić można jako wielkie piece, powstawały już w średniowieczu. Wielkie piece zaliczyć można do najważniejszych wynalazków Europy przełomu średniowiecza i renesansu, takich jak proch, druk i kompas. Ich rozwój był jednak stopniowy, następował poprzez zmianę wymiarów i kształtów dymarki (pieca dymarskiego) od XIV wieku – dymarka była znanym od starożytności pierwotnym piecem hutniczym, w którym stosowano głównie rudy darniowe. W najstarszych wielkich piecach jako paliwo stosowano nie koks, ale węgiel drzewny. Główne etapy rozwojowe wielkich pieców po ich przekształceniu z dymarki to zastosowanie koksu (brytyjski wynalazca Abraham Darby, 1735), zastosowanie gorącego dmuchu (James Beaumont Nilson, 1828) oraz zastosowanie nagrzewnic (Edward Alfred Cowper, 1857).

Na ziemiach polskich hutnictwo rozwijało się przede wszystkim na Śląsku oraz w Zagłębiu Staropolskim, gdzie też powstawały pierwsze wielkie piece na bazie dawnych kuźnic. Do rozwoju hutnictwa na Górnym Śląsku przyczynił się ród Henckel von Donnersmarck (Donnersmarckowie), dzięki którym powstało wiele śląskich wielkich pieców, m.in. jeden z najstarszych na Śląsku wielki piec w Halembie, zbudowany w 1718 roku. W Zagłębiu Staropolskim wielkie piece powstały m.in. w Starachowicach (XVII wiek, kolejny w 1789, kolejne wraz rozwojem przemysłowym Królestwa Polskiego) oraz w Stąporkowie (wielki piec, odlewnie i fryszerki powstałe w latach 1739-1740 na bazie dawnej osady hutniczej).

Nowoczesne wielkie piece pracują w sposób zautomatyzowany, sterowane są komputerowo. Dotyczy to wszystkich głównych operacji technologicznych, takich jak ważnie materiałów wsadowych, ładowanie wsadu, dopływ gazu (powietrza lub tlenu), pomiary i kontrola procesów metalurgicznych. Współcześnie stosuje się także wielkie piece elektryczne, w których koks nie pełni roli paliwa, ale doprowadzany jest do pieca wyłącznie jako reduktor tlenków.


Tagi
Humanistyczna encyklopedia nauki

Dodaj komentarz