Wielki piec
Wielki piec to specjalny rodzaj pieca do wytopu żelaza z rudy. Wielkie piece są bardzo duże. Mogą mieć wysokość do 60 metrów (200 stóp) i średnicę do 15 metrów (49 stóp). Wielki piec jest największym reaktorem chemicznym. Wielkie piece są również nazywane wysokimi piecami.
Wielki piec jest zazwyczaj zbudowany ze stalowej obudowy, a wewnątrz niej znajdują się cegły wykonane z tlenku magnezu lub innego materiału ogniotrwałego. Gorący piec nie jest w stanie stopić tych cegieł. Piec jest chłodzony wodą przepływającą przez część obudowy i cegieł.
Proces wytwarzania żelaza jest prosty. Ruda żelaza jest w zasadzie tlenkiem żelaza. Żelazo jest wytwarzane poprzez usunięcie tlenu. W ten sposób powstaje surowe żelazo zwane surówką. Ten proces usuwania tlenu nazywa się wytapianiem. W procesie redukcji stosuje się węgiel, a ruda jest podgrzewana do wysokiej temperatury. Węgiel łatwo usuwa tlen z rudy w wysokich temperaturach.
Schemat wielkiego pieca1 . Gorący podmuch ("wiatr") z pieców Cowpera 2. Strefa topienia (bosh) 3. Strefa redukcji tlenku żelaza (beczka) 4. Strefa redukcji tlenku żelaza (komin) 5. Strefa wstępnego podgrzewania (gardziel) 6. Nadawy rudy, wapienia i koksu7 . Gazy spalinowe8 . Kolumna rudy, koksu i wapienia9 . Usuwanie żużla10 . Odciąganie stopionej surówki11 . Odbiór gazów odlotowych
Proces
Do górnej części wielkiego pieca warstwami wsypuje się rudę, wapień i węgiel w postaci koksu. W tym samym czasie do wnętrza pieca wdmuchiwane jest gorące powietrze zwane "wiatrem". Do wprowadzania powietrza do pieca służą specjalne dysze zwane "tujerami". Dysze znajdują się w dolnej części pieca. Proces ten nazywany jest "wydmuchiwaniem". Dlatego właśnie nazywa się go "wielkim piecem". Koks zapala się (zapala się) i spala. W ten sposób powstaje tlenek węgla, ponieważ nie ma wystarczającej ilości tlenu do wytworzenia dwutlenku węgla. Tlenek węgla następnie redukuje tlenek metalu do metalu i wytwarza dwutlenek węgla. Proces ten jest wykorzystywany do produkcji żelaza. Wapień tworzy ze skałą rudy żelaza substancję zwaną żużlem.
Dolna część pieca nazywana jest paleniskiem. Kiedy wypełni się ono płynną surówką i żużlem, żużel jest usuwany. Nazywa się to odtłuszczaniem. Żużel jest lżejszy od żelaza i nie miesza się z nim. Unosi się na powierzchni żelaza. W palenisku wykonuje się otwór na poziomie żużla za pomocą specjalnego wiertła. Płynny żużel wypływa przez otwór do pojemnika zwanego kotłem żużlowym. Następnie żelazo jest spuszczane z paleniska. Czynność tę nazywa się gwintowaniem. Na dnie wykonuje się otwór, przez który wypływa płynna surówka. Jest ona albo wykorzystywana bezpośrednio do produkcji stali, albo wkładana do specjalnego wagonu kolejowego zwanego torpedowozem, albo przerabiana na formy. Po usunięciu całej surówki, do zamknięcia obu otworów używa się gliny ogniotrwałej. Z powodu wysokiej temperatury glina bardzo szybko się zestala.
Surówka zawiera około 4% węgla i byłaby zbyt twarda i zbyt krucha, aby ją wykorzystać. Dodatkowy węgiel musi zostać najpierw wypalony. Surówkę rafinuje się na stal poprzez odwęglenie (wypalenie dodatkowego węgla). Nowoczesną metodą odwęglania surówki i rafinowania jej w stal jest podstawowy piec tlenowy. Z historycznego punktu widzenia istniały również inne metody, takie jak konwertor Bessemera, piec z otwartym paleniskiem i piec pudlarski.
Gazy unoszą się do góry i są gromadzone w górnej części pieca. Ponieważ gaz ten zawiera dużo tlenku węgla, jest on cennym paliwem. Gaz zebrany na szczycie wielkiego pieca nazywany jest gazem wielkopiecowym. Jest on następnie myty i suszony, a wszystkie cząstki stałe, takie jak sadza czy pył rudy, są zbierane. Gaz ten jest następnie spalany w specjalnych piecach, zwanych piecami Cowpera lub gorącymi piecami hutniczymi, w dwutlenek węgla. Ciepło pochodzące ze spalania gazu wielkopiecowego jest następnie wykorzystywane do wstępnego podgrzania powietrza do wydmuchiwania, "wiatru", który z kolei jest wdmuchiwany do samego wielkiego pieca.
Żużel nie jest odpadem. Może być wykorzystany w różny sposób. Można z niego zrobić cegły i wykorzystać w budownictwie, można go też zmieszać z betonem. Beton zawierający żużel wielkopiecowy jest mocniejszy niż zwykły beton i jest prawie czysto biały, podczas gdy zwykły beton jest brudnoszary.
Wielki piec może zazwyczaj pracować bez przerwy przez 10 do 20 lat. Nazywa się to "kampanią".
Przykład chemiczny
W temperaturze 900-1600°C następuje redukcja z węglem:
| 1. | 3 {styl wyświetlania 3} | Fe2O3{{displaystyle Fe_{2}O_{3}} | ⟶ {displaystyle ⟶ podłużna strzałka } | 2 {styl wyświetlania 2} | Fe3O4{ {displaystyle Fe_{3}O_{4}} |
| 2. | F e 3 O 4 + C {{displaystyle Fe_{3}O_{4}+C} | ⟶ {displaystyle ⟶ podłużna strzałka } | 3 {styl wyświetlania 3} | FeO{styl FeO} | |
| 3. | F e O + C {styl FeO+C} | ⟶ {displaystyle ⟶ podłużna strzałka } | Fe{styl Fe} |
Teraz powstało żelazo.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest wielki piec?
A: Wielki piec to duży piec służący do wytapiania żelaza z rudy.
P: Jak duże mogą być wielkie piece?
A: Wielkie piece mogą mieć do 60 metrów wysokości i 15 metrów średnicy.
P: Jaka jest inna nazwa wielkiego pieca?
A: Wielkie piece są również nazywane wysokimi piecami.
P: Z jakich materiałów wykonane są wielkie piece?
A: Wielkie piece są zwykle zbudowane ze stalowej obudowy i cegieł z tlenku magnezu lub innych materiałów ogniotrwałych.
P: Jak chłodzony jest wielki piec?
A: Wielki piec jest chłodzony wodą przepływającą przez część obudowy i cegieł.
Q: Jaki jest proces wytapiania i jak powstaje żelazo?
O: Proces wytwarzania żelaza to wytapianie, które polega na usunięciu tlenu z rudy żelaza. W procesie redukcji wykorzystuje się węgiel, a ruda jest podgrzewana do wysokiej temperatury. W ten sposób powstaje surowe żelazo, zwane surówką.
P: Jaką rolę odgrywa węgiel w procesie redukcji przy produkcji żelaza?
O: Węgiel łatwo odbiera tlen z rudy w wysokiej temperaturze.
