Furnal
Un furnal înalt este un tip special de cuptor pentru topirea fierului din minereu. Furnalele înalte sunt foarte mari. Pot avea o înălțime de până la 60 de metri (200 ft) și un diametru de 15 metri (49 ft). Furnalul înalt este cel mai mare reactor chimic. Furnalele înalte se mai numesc și cuptoare înalte.
De obicei, un furnal înalt este construit cu o carcasă de oțel și cărămizi din oxid de magneziu sau alt material refractar în interiorul carcasei. Cuptorul fierbinte nu poate topi aceste cărămizi. Cuptorul este răcit cu apă care curge în interiorul unei părți a carcasei și a cărămizilor.
Procesul de fabricare a fierului este simplu. Minereul de fier este, în principiu, oxid de fier. Fierul se obține prin îndepărtarea oxigenului. Rezultă fier brut, numit fontă brută. Acest proces de eliminare a oxigenului se numește topire. Carbonul este utilizat în procesul de reducere, iar minereul este încălzit la o temperatură ridicată. Carbonul elimină cu ușurință oxigenul din minereu la temperaturi ridicate.
Diagrama furnalului1 . Suflul fierbinte ("vânt") din cuptoarele Cowper 2. Zona de topire (bosh) 3. Zona de reducere a oxidului feros (baril) 4. Zona de reducere a oxidului de fier (coș) 5. Zona de preîncălzire (gât) 6. Alimentarea cu minereu, calcar și cocs7 . Gazele de eșapament8 . Coloana de minereu, cocs și calcar9 . Îndepărtarea zgurii10 . Captarea fontei topite11 . Colectarea gazelor reziduale
Proces
Minereul, calcarul și cărbunele sub formă de cocs sunt introduse în straturi în partea superioară a furnalului înalt. În același timp, în interiorul cuptorului este suflat aer cald, numit "vânt". Pentru a introduce aerul în cuptor se folosesc niște duze speciale numite "tuyere". Duzele se află în partea de jos a cuptorului. Acest proces se numește "sablare". Acesta este motivul pentru care se numește "furnal de suflare". Cocsul se aprinde (ia foc) și arde. Acest lucru creează monoxid de carbon, deoarece nu există suficient oxigen pentru a produce dioxid de carbon. Monoxidul de carbon reduce apoi oxidul de metal la metal și produce dioxid de carbon. Acest proces este folosit pentru a face fier. Calcarul formează o substanță numită zgură cu roca din minereul de fier.
Partea inferioară a cuptorului se numește vatră. După ce s-a umplut cu fontă lichidă și zgură, zgura este îndepărtată. Acest lucru se numește "skimming". Zgura este mai ușoară decât fierul și nu se amestecă cu acesta. Ea plutește deasupra fierului. Se face o gaură în vatră la nivelul zgurii cu un burghiu special. Zgura lichidă iese prin gaură într-un recipient numit vas de zgură. Apoi, fierul este drenat din vatră. Această operațiune se numește "tapotare". Se face o gaură în partea de jos și iese fonta lichidă. Acesta este fie folosit direct pentru fabricarea oțelului, fie este pus într-un vagon special de cale ferată numit vagon torpilă, fie este transformat în matrițe. Când tot fonta a fost scoasă, se folosește argilă rezistentă la foc pentru a închide cele două găuri. Argila devine solidă foarte repede din cauza căldurii mari.
Fonta conține aproximativ 4% carbon și ar fi prea dură și prea fragilă pentru a fi folosită. Carbonul în plus trebuie mai întâi ars. Fonta brută este rafinată în oțel prin decarburare (arderea carbonului suplimentar). O metodă modernă de decarburare a fontei brute și de rafinare a acesteia în oțel este cuptorul cu oxigen de bază. Din punct de vedere istoric, au existat și alte metode, cum ar fi convertorul Bessemer, cuptorul cu vatră deschisă și cuptorul de băltire.
Gazele se ridică și sunt colectate în partea superioară a cuptorului. Deoarece gazele conțin mult monoxid de carbon, ele reprezintă un combustibil valoros. Gazul colectat în partea superioară a furnalului se numește gaz de furnal. Acesta este apoi spălat și uscat, iar toate particulele solide, cum ar fi funinginea sau praful de minereu, sunt colectate. Gazul este apoi ars în cuptoare speciale, numite cuptoare Cowper sau cuptoare fierbinți de furnal, și transformat în dioxid de carbon. Căldura rezultată din arderea gazului de furnal este apoi folosită pentru a preîncălzi aerul de sablare, "vântul", care, la rândul său, este aruncat în furnalul propriu-zis.
Zgura nu este un deșeu. Acesta poate fi utilizat în diverse moduri. Poate fi transformat în cărămizi și utilizat în construcții sau poate fi amestecat cu beton. Betonul care conține zgură de furnal este mai rezistent decât betonul obișnuit și este aproape alb pur, în timp ce betonul normal este gri murdar.
De obicei, un furnal poate funcționa între 10 și 20 de ani fără să se oprească. Acest lucru se numește "campanie".
Exemplu chimic
La o temperatură de 900-1600°C, are loc o reducere cu carbon:
| 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} |
Acum, fierul a fost făcut.
Întrebări și răspunsuri
Î: Ce este un furnal?
R: Un furnal înalt este un cuptor mare utilizat pentru topirea fierului din minereu.
Î: Cât de mari pot fi furnalele înalte?
R: Furnalele înalte pot avea o înălțime de până la 60 de metri și un diametru de 15 metri.
Î: Care este un alt nume pentru un furnal înalt?
R: Furnalele înalte se mai numesc și cuptoare înalte.
Î: Din ce materiale sunt făcute furnalele înalte?
R: De obicei, furnalele înalte sunt construite cu o carcasă din oțel și cărămizi din oxid de magneziu sau alte materiale refractare.
Î: Cum este răcit furnalul înalt?
R: Înaltul furnal este răcit cu apă care curge în interiorul unei părți a carcasei și a cărămizilor.
Î: Care este procesul de topire și cum se obține fierul?
R: Procesul de obținere a fierului este topirea, care presupune eliminarea oxigenului din minereul de fier. Carbonul este utilizat în procesul de reducere, minereul fiind încălzit la o temperatură ridicată. Astfel, rezultă fier brut, numit fontă brută.
Î: Care este rolul carbonului în procesul de reducere pentru obținerea fierului?
R: Carbonul elimină cu ușurință oxigenul din minereu la temperaturi ridicate.
