Vysokopecní proces je soubor mechanických, fyzikálních a fyzikálně-chemických jevů probíhajících v pracující vysoké peci. Materiály vsázky vkládané do vysoké pece – koks, složky obsahující železo a tavidlo – se v důsledku vysokopecního procesu přeměňují na litinu, strusku a vysokopecní plyn.
Chemicky je vysokopecní proces redukčně-oxidační proces: železo se redukuje z oxidů a redukční činidla se oxidují. Proces ve vysoké peci se však obvykle nazývá redukce, protože jeho cílem je redukce oxidů železa na kov.
Jednotkou pro provádění vysokopecního procesu je šachtová pec (viz Příloha 2). Pracovní prostor vysoké pece má ve vodorovných úsecích kulatý tvar a ve svislém řezu zvláštní obrys zvaný profil.
Nejdůležitější podmínkou pro realizaci vysokopecního procesu v pracovním prostoru pece je nepřetržitý protipohyb a interakce klesajících vsázkových materiálů vkládaných do pece přes vršek a proudění plynů vznikajících v peci směrem vzhůru. při spalování koksového uhlíku na vzduchu ohřátém na 1000 – 1200°C (výfuk), který je čerpán do horní části nístěje přes dmyšně umístěné po jejím obvodu. Do výbuchu lze přidat technický kyslík, zemní plyn a vodní páru.
Koks vstupuje do pece zahřátý na 1400 – 1500°C. Ve spalovacích zónách dochází k interakci koksového uhlíku s výbušným kyslíkem. Oxid uhličitý vznikající ve spalovacích zónách je při vysokých teplotách a přebytku uhlíku nestabilní a mění se na oxid uhelnatý. Mimo spalovací zóny se tedy spalinový plyn skládá pouze z oxidu uhelnatého, dusíku a malého množství vodíku vznikajícího při rozkladu vodní páry nebo zemního plynu. Směs těchto plynů zahřátá na 1800 – 2000°C stoupá vzhůru a předává teplo materiálům, které postupně padají do pece vyhořením koksu, tvorbou litiny a strusky a jejich periodickým uvolňováním z vysoké pece. V tomto případě se plyny ochladí na 200–450 °C a oxid uhelnatý, odstraňující kyslík z oxidů železa, se částečně přemění na oxid uhličitý, jehož obsah ve vysokopecním plynu na výstupu z pece dosahuje 14– 20 %.
Vsázkové materiály jsou zaváženy do vysoké pece pomocí zavážecího zařízení v samostatných porcích – vsázkách. Jsou umístěny na vrcholu pece ve střídajících se vrstvách koksu, rudy nebo aglomerátu a tavidla při práci na neúplně roztaveném aglomerátu. Zavážení krmiv se provádí po 5 – 8 minutách. protože se na horní straně uvolňuje místo v důsledku snižování materiálů.
V procesu zahřívání sestupných materiálů se z nich odstraňuje vlhkost a těkavé koksové látky a rozkládají se uhličitany. Oxidy železa pod vlivem redukčních plynů postupně přecházejí z vyšších oxidačních stavů do nižších a poté do kovového železa podle schématu: Fe2O3Fe3O4FeOFe.
Čerstvě redukované železo je znatelně karbonizováno ještě v pevném stavu. Jak karbonizace postupuje, jeho teplota tání klesá. Při teplotě 1000 – 1100°C redukce železa téměř končí a začínají se obnovovat obtížněji redukovatelné prvky – křemík, mangan a fosfor. Nauhličené železo obsahující asi 4 % uhlíku a určité množství křemíku, manganu a fosforu se taví při teplotě 1130 – 1150°C a teče ve formě kapek litiny do pece. V dolní polovině dolu začíná tvorba tekuté strusky ze složek hlušinové rudy a tavidla. Neredukované oxidy železa a manganu přispívají ke snížení teploty tavení strusky. Ve strusce stékající dolů se vlivem zvyšující se teploty postupně roztaví veškerá hlušina a tavidlo a po spálení koksu popel.
Při interakci kapalných tavicích produktů s horkým koksem v osazení a nístěji dochází ke zvýšené redukci křemíku, manganu a fosforu z jejich oxidů rozpuštěných ve strusce. Zde se síra absorbovaná kovem během tavení mění na strusku. Železo a fosfor v peci jsou zcela redukovány a přeměněny na litinu, přičemž stupeň redukce křemíku a manganu a odstranění síry z litiny do značné míry závisí na teplotních podmínkách, chemickém složení strusky a jejím množství.
Tekuté železo a struska se v peci oddělují v důsledku různé měrné hmotnosti. Při jejich hromadění v kovárně se litina uvolňuje litinovým odpichovým otvorem a struska se uvolňuje odpichovými otvory strusky (horní struska) a litinovým odpichovým otvorem při odpichu litiny (spodní struska).
Všechny výše uvedené procesy probíhají ve vysoké peci současně a vzájemně se ovlivňují.
Vysokopecní proces je soubor mechanických, fyzikálních a fyzikálně-chemických jevů probíhajících v pracující vysoké peci. Materiály vsázky vkládané do vysoké pece – koks, složky obsahující železo a tavidlo – se v důsledku vysokopecního procesu přeměňují na litinu, strusku a vysokopecní plyn.
Chemicky je vysokopecní proces redukčně-oxidační proces: železo se redukuje z oxidů a redukční činidla se oxidují. Proces ve vysoké peci se však obvykle nazývá redukce, protože jeho cílem je redukce oxidů železa na kov.
Jednotkou pro provádění vysokopecního procesu je šachtová pec (viz Příloha 2). Pracovní prostor vysoké pece má ve vodorovných úsecích kulatý tvar a ve svislém řezu zvláštní obrys zvaný profil.
Nejdůležitější podmínkou pro realizaci vysokopecního procesu v pracovním prostoru pece je nepřetržitý protipohyb a interakce klesajících vsázkových materiálů vkládaných do pece přes vršek a proudění plynů vznikajících v peci směrem vzhůru. při spalování koksu uhlík na vzduchu ohřátém na 1000 – 1200 (C), který je vháněn do horní části nístěje tryskami umístěnými po jejím obvodu. Do foukání lze přidávat technický kyslík, zemní plyn a vodní páru.
Vysoká pec je grandiózní stavba – šachtová pec vysoká 30-50 metrů umožňuje vytavit až 5000 tun litiny denně. Silné stěny (70 cm) ze žáruvzdorné hlíny, zvnějšku pokryté pláštěm z ocelového pancíře.
Rýže. 1. Chemie a technologie vysokopecního procesu: a – složení litiny; b – schéma vysoké pece; c – chemické reakce vysokopecního procesu; d – podmínky pro optimalizaci procesu
Zespodu proudí dmyšnou trubicí (zařízení pro přívod dmýchání) horký vzduch, kyslík, metan a směrem k ní se pohybuje vsázka – směs skládající se z koksu (zdroj energie a redukčního činidla), připraveného rudného koncentrátu a tavidla. (poslední pro vázání hlušiny do strusky). Z vysoké pece odchází vrchem (horní část šachtových pecí) vysokopecní plyn obsahující až 30 % CO. Vysoká pec je složitá inženýrská stavba o výšce více než 60 ma průměru 10 m, vybavená monitorovacím a řídicím systémem, určená pro tavení litiny, produktu chemických redukčních procesů. Následující schéma ukazuje hlavní chemické reakce vysokopecního procesu (obr. в). Jedná se o spalování koksu v prostoru nad pecí (spodní část vysoké pece, kde dochází ke spalování paliva). Struska také plní funkci ochrany litiny před oxidací. Dále nastává vlastní redukce železa, dále redukce příměsových prvků a nauhličování železa a nakonec tvorba strusky. Hlavní věcí v jakékoli technologii je optimalizace procesů a vysoká produktivita zařízení, hospodárnost výroby. Zastavme se u této problematiky (obr. 1, г). Jak vidíte, produktivita vysoké pece Pr je ovlivněna jejím objemem Vd.p. a rychlost chemických reakcí.
Rýže. 2. Faktory pro optimalizaci vysokopecního procesu
Připravené výchozí materiály se nazývají nabít.
Podstata vysokopecního tavení:
samostatné nakládání vsázky → spalování koksu → ohřev vsázky → její interakce s horkými plyny → redukce železa z oxidů a jeho kombinace s uhlíkem→tvorba ve spodní části pece 2 tekutých vrstev – litina + struska.
Schéma vysoké pece lze podrobně zvážit v literatuře k této disciplíně.
Hlavní části vysoké pece: kouřovod, hřídel, pára, ramena, dmýchací pás, kovárna, cejn.
1) Nachází se nahoře plnicí zařízení skládající se ze dvou střídavě klesajících kuželů (takže vysokopecní plyny nemohou unikat do atmosféry) Vsázkové materiály jsou zaváženy do vysoké pece pomocí zavážecího zařízení v samostatných porcích – vsázkách. Jsou umístěny na vrcholu pece ve střídajících se vrstvách koksu, rudy nebo aglomerátu a tavidla při práci na neúplně roztaveném aglomerátu. Zavážení krmiv se provádí po 5 – 8 minutách. protože se na horní straně uvolňuje místo v důsledku snižování materiálů. Materiály jsou do ohniště dodávány pomocí speciálních vozíků – skipů, pohybujících se po kolejích šikmého mostu. Objem materiálů v jednom přívodu odpovídá objemu několika kontejnerů, takže přívod do kouřovodu je zásobován po částech několika kontejnery. V tomto případě je jedna část krmných přeskoků naplněna koksem a druhá složkami obsahujícími železo a tavidlem. U plně taveného aglomerátu se vsázka skládá pouze ze skip se sintrem a koksem.
Dva výtahy s kbelíky dopravují směs do horního trychtýře → kužel se spustí → směs se naloží do spodního a do pece.
2) Provést proces spalování skrz dmýchací otvory sloužil v horn horký kyslík (1200°C) → spalování → vzniká oxid uhličitý, který interaguje s koksem.
CO2+C=2CO
Koks vstupuje do pece zahřáté na 1400 – 1500 0 C. V zónách spalování koksu dochází k interakci uhlíku s dmýchaným kyslíkem. Oxid uhličitý vznikající ve spalovacích zónách je při vysokých teplotách a přebytku uhlíku nestabilní a mění se na oxid uhelnatý. Mimo spalovací zóny se tedy plyn z topeniště skládá pouze z oxidu uhelnatého, dusíku a malého množství vodíku vznikajícího při rozkladu vodní páry nebo zemního plynu. Směs těchto plynů zahřátá na 1800 – 2000 (C) stoupá vzhůru a předává teplo materiálům postupně klesajícím do pece
Při interakci kapalných tavicích produktů s horkým koksem v osazení a nístěji dochází ke zvýšené redukci křemíku, manganu a fosforu z jejich oxidů rozpuštěných ve strusce. Zde se síra absorbovaná kovem během tavení mění na strusku. Železo a fosfor v peci jsou zcela redukovány a přeměněny na litinu, přičemž stupeň redukce křemíku a manganu a odstranění síry z litiny do značné míry závisí na teplotních podmínkách, chemickém složení strusky a jejím množství.
Tekuté železo a struska se v peci oddělují v důsledku různé měrné hmotnosti. Při jejich hromadění v kovárně se litina uvolňuje litinovým odpichovým otvorem a struska se uvolňuje odpichovými otvory strusky (horní struska) a litinovým odpichovým otvorem při odpichu litiny (spodní struska).
Všechny výše uvedené procesy probíhají ve vysoké peci současně a vzájemně se ovlivňují.
3) V dolní polovině dolu – BLAM začíná tvorba tekuté strusky ze složek hlušinové rudy a tavidla. Neredukované oxidy železa a manganu přispívají ke snížení teploty tavení strusky. Ve strusce stékající dolů se vlivem zvyšující se teploty postupně roztaví veškerá hlušina a tavidlo a po spálení koksu popel.
