Yüksek fırın - Blast furnace

Sagunt Limanı, Valencia, İspanya'daki eski yüksek fırın.

Bir maden eritme ocağı türüdür metalürji fırını için kullanılan eritme endüstriyel metallerin, genellikle üretilmesi için pik demir , aynı zamanda, ancak bu gibi diğer kurşun veya bakır . Patlama , "zorlanan" veya atmosfer basıncının üzerinde sağlanan yanma havasını ifade eder.

Bir yüksek fırında, yakıt ( kok ), cevherler ve fluks ( kireçtaşı ) fırının üst kısmından sürekli olarak sağlanırken, bir sıcak hava akımı (bazen oksijen zenginleştirme ile) fırının alt bölümüne bir üfleme yoluyla üflenir. tüyer adı verilen bir dizi boru , böylece malzeme aşağı doğru düşerken fırın boyunca kimyasal reaksiyonlar meydana gelir. Nihai ürünler genellikle alttan akan erimiş metal ve cüruf fazları ve fırının tepesinden çıkan atık gazlardır ( baca gazı ). Cevherin aşağı doğru akışı, sıcak, karbon monoksit bakımından zengin yanma gazlarının yukarı akışıyla temas halindeki akışla birlikte bir ters akım değişimi ve kimyasal reaksiyon sürecidir.

Buna karşılık, hava fırınları ( yansıma fırınları gibi ), genellikle bir baca bacasında sıcak gazların konveksiyonu ile doğal olarak aspire edilir . Bu geniş tanıma göre, demir için çiçek fabrikaları , kalay için şişirme evleri ve kurşun için eritme fabrikaları yüksek fırınlar olarak sınıflandırılacaktır. Bununla birlikte, bu terim genellikle eritme için kullanılanlar ile sınırlı olmuştur demir cevheri üretmek için pik demir , ticari demir ve üretiminde kullanılan bir ara madde çelik ve şaft firını ile kombinasyon halinde kullanılabilir sinter tesislerinde de baz metal eritme.

Yüksek fırınların 1900 ile 2015 yılları arasında küresel sera gazı emisyonlarının % 4'ünden fazlasından sorumlu olduğu tahmin edilmektedir , ancak karbondan arındırılması zordur.

Proses mühendisliği ve kimya

Třinec Iron and Steel Works , Çek Cumhuriyeti'nin yüksek fırınları
1923 Ohio'da kömür yakan demir yüksek fırın

Yüksek fırınlar , karbon monoksitin demir oksitleri elementer demire dönüştürdüğü kimyasal indirgeme ilkesine göre çalışır . Yüksek fırınlar , yüksek fırınlarda baca gazının cevher ve demir ile doğrudan temas halinde olması ve karbon monoksitin cevhere yayılmasına ve demir oksidi indirgemesine izin vermesi bakımından çiçeklenme ve yankılı fırınlardan farklıdır . Yüksek fırın, karşı akımlı bir değişim süreci olarak çalışırken, bir çiçekhane çalışmaz. Diğer bir fark, kalıphanelerin toplu işlem olarak çalışması, yüksek fırınların ise uzun süreler boyunca sürekli çalışmasıdır . Yüksek fırının çalıştırılması ve durdurulması zor olduğu için sürekli çalışma da tercih edilir. Ayrıca, pik demirdeki karbon, erime noktasını çelik veya saf demirinkinin altına düşürür; aksine, demir bir çiçeklikte erimez.

Silika , pik demirden çıkarılmalıdır. Kalsiyum oksit (yanmış kireçtaşı) ile reaksiyona girer ve erimiş pik demirin yüzeyine "cüruf" olarak yüzen silikatlar oluşturur. Tarihsel olarak, kükürtten kaynaklanan kirlenmeyi önlemek için en kaliteli demir, kömürle üretilmiştir.

Aşağı doğru hareket eden cevher, akı, kok veya odun kömürü ve reaksiyon ürünleri sütunu , baca gazının geçmesi için yeterince gözenekli olmalıdır. Bu geçirgenliği sağlamak için, kok veya odun kömürünün parçacık boyutu büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle kok, üzerindeki malzemenin ağırlığı ile ezilmemesi için yeterince güçlü olmalıdır. Kok partiküllerinin fiziksel gücünün yanı sıra, kükürt, fosfor ve kül bakımından da düşük olmalıdır .

Erimiş demiri üreten ana kimyasal reaksiyon:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2

Bu reaksiyon, ilk olarak fırına üflenen önceden ısıtılmış havanın karbon monoksit ve ısı üretmek için kok formunda karbon ile reaksiyona girmesiyle birlikte birçok aşamaya bölünebilir :

2 C (s) + O 2(g) → 2 CO (g)

Sıcak karbon monoksit, demir cevheri için indirgeyici ajandır ve erimiş demir ve karbon dioksit üretmek için demir oksit ile reaksiyona girer . Fırının farklı bölümlerindeki sıcaklığa bağlı olarak (en sıcak alt kısım) demir birkaç adımda azaltılır. Sıcaklığı genellikle 200 ° C ve 700 ° C arasında olduğunu üst kısmında, demir oksit, kısmen Fe, demir (II, III) oksit indirgenir 3 O 4 .

3 Fe 2 O 3(s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4(s) + CO 2(g)

850 °C civarındaki sıcaklıklarda, fırının daha aşağısında, demir(II,III) daha da demir(II) okside indirgenir:

Fe 3 O 4(s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO 2(g)

Sıcak karbon dioksit, reaksiyona girmemiş karbon monoksit ve havadaki nitrojen , taze besleme malzemesi reaksiyon bölgesine doğru ilerlerken fırından geçer. Malzeme aşağı doğru hareket ederken, karşı akım gazları hem besleme yükünü önceden ısıtır hem de kireçtaşını kalsiyum oksit ve karbondioksite ayrıştırır :

CaCO 3(s) → CaO (s) + CO 2(g)

Ayrışma ile oluşan kalsiyum oksit, demirdeki (özellikle silika ) çeşitli asidik safsızlıklarla reaksiyona girerek , esasen kalsiyum silikat , Ca Si O olan bir fayalitik cüruf oluşturur.
3
:

SiO 2 + CaO → CaSiO 3

Demir(II) oksit, 1200 °C dereceye kadar değişen daha yüksek sıcaklıklara sahip bölgeye doğru hareket ettikçe, demir metale daha da indirgenir:

FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO 2(g)

Bu işlemde oluşan karbondioksit, kok tarafından yeniden karbon monoksite indirgenir :

C (s) + CO2 (g) → 2CO (g)

Fırındaki gaz atmosferini kontrol eden sıcaklığa bağlı dengeye Boudouard reaksiyonu denir :

2CO ⇌ CO 2 + C

Yüksek fırın tarafından üretilen " pik demir ", yaklaşık %4-5 civarında nispeten yüksek bir karbon içeriğine sahiptir ve genellikle çok fazla kükürt içerir, bu da onu çok kırılgan yapar ve sınırlı ticari kullanıma sahiptir. Bazı pik demir, dökme demir yapmak için kullanılır . Yüksek fırınlar tarafından üretilen pik demirin çoğu, karbon ve kükürt içeriğini azaltmak ve inşaat malzemeleri, otomobiller, gemiler ve makineler için kullanılan çeşitli derecelerde çelik üretmek için daha fazla işleme tabi tutulur. Kükürt giderme genellikle sıvı çeliğin çelik fabrikalarına taşınması sırasında gerçekleşir. Bu, pik demirde bulunan demir sülfit ile reaksiyona girerek kalsiyum sülfit ( kireç kükürt giderme olarak adlandırılır ) oluşturan kalsiyum oksit ilave edilerek yapılır . Bazik oksijen çeliği yapımı olarak adlandırılan diğer bir işlem adımında, karbon, ham çelik oluşturmak için sıvı pik demirin üzerine oksijen üflenerek oksitlenir .

Yüksek fırınların verimliliği sürekli gelişmekle birlikte, yüksek fırın içindeki kimyasal süreç aynı kalır. Yüksek fırınların büyük sorunlardan biri demir gibi kaçınılmaz karbon dioksit üretimi karbon ile demir oksitler olarak azalır ve 2016 itibariyle herhangi bir ekonomik yerine orada olduğu - çelik CO büyük sanayi arasında yer almasından 2 emisyonları dünya (bkz. sera gazları ). Karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltabilen indirgeyici ajan olarak plastik atık, biyokütle veya hidrojen gibi çeşitli alternatifler araştırılmaktadır.

Yüksek fırının sera gazı emisyonlarının getirdiği zorluk, ULCOS (Ultra Düşük CO 2 Çelik Üretimi ) adlı devam eden bir Avrupa Programında ele alınmaktadır . Spesifik emisyonları azaltmak için birkaç yeni proses rotası önerilmiş ve derinlemesine araştırılmıştır ( CO
2
ton çelik başına) en az %50. Bazıları CO'nun yakalanmasına ve daha fazla depolanmasına (CCS) güvenir
2
, diğerleri ise hidrojen, elektrik ve biyokütleye yönelerek karbondan arındırılmış demir ve çelik üretimini tercih ediyor. Yakın vadede, CCS'yi yüksek fırın sürecinin kendisine dahil eden ve Üst Gaz Geri Dönüşüm Yüksek Fırını olarak adlandırılan bir teknoloji geliştirilme aşamasındadır ve ticari boyutta bir yüksek fırına ölçek büyütme devam etmektedir.

Yüksek fırının modern uygulamaları

Demir yüksek fırınlar

Yüksek fırın, modern demir üretiminin önemli bir parçası olmaya devam ediyor. Modern fırınlar, yüksek havayı önceden ısıtmak için Cowper sobaları da dahil olmak üzere yüksek verimlidir ve fırından çıkan sıcak gazlardan ısıyı çıkarmak için geri kazanım sistemleri kullanır. Endüstrideki rekabet, daha yüksek üretim oranlarını yönlendirir. Dünyanın en büyük yüksek fırın 6.000 m civarında bir hacme sahip, Güney Kore ise 3 (210.000 cu ft). Yılda yaklaşık 5.650.000 ton (5.560.000 LT) demir üretebilir.

Bu, yılda ortalama 360 ton (350 uzun ton; 400 kısa ton) olan tipik 18. yüzyıl fırınlarından büyük bir artış. İsveçli elektrikli yüksek fırın gibi yüksek fırının varyasyonları, yerli kömür kaynaklarına sahip olmayan ülkelerde geliştirilmiştir.

Göre Küresel Enerji Monitor yüksek fırın buluştuğu için eskimiş hale gelebilecektir iklim değişikliği karbondioksit emisyonunu azaltma hedefleri, ama BHP katılmıyor. Doğrudan indirgenmiş demiri içeren alternatif bir işlemin başarılı olması muhtemeldir, ancak bu , cevher çok yüksek kalite olmadığı sürece demiri eritmek ve gangı (kirleri) çıkarmak için bir yüksek fırın kullanılması da gerekir .

Oksijen yüksek fırın

Bu tip, CCS ile kullanım için en uygun olabilir.

Kurşunlu yüksek fırınlar

Yüksek fırınlar şu anda bakır eritmede nadiren kullanılmaktadır, ancak modern kurşun eritme yüksek fırınları, demir yüksek fırınlardan çok daha kısadır ve dikdörtgen şeklindedir. Genel şaft yüksekliği yaklaşık 5 ila 6 m'dir. Modern kurşun yüksek fırınlar, duvarlar için su soğutmalı çelik veya bakır ceketler kullanılarak inşa edilmiştir ve yan duvarlarda refrakter astar yoktur. Fırının tabanı, refrakter malzemeden (tuğla veya dökülebilir refrakter) bir ocaktır. Kurşunlu yüksek fırınlar, demir yüksek fırınlarda kullanılan şarj çanına sahip olmak yerine genellikle üstü açıktır.

Nyrstar Port Pirie kurşun izabe tesisinde kullanılan yüksek fırın, normal olarak kullanılan tek sıra yerine çift sıra tüyere sahip olması bakımından diğer birçok kurşun eritme fırınından farklıdır. Fırının alt şaftı, şaftın alt kısmı üst kısmından daha dar olan bir sandalye şeklindedir. Tüyerlerin alt sırası, şaftın dar kısmında yer alır. Bu, şaftın üst kısmının standarttan daha geniş olmasını sağlar.

Çinko yüksek fırınlar (İmparatorluk Eritme Fırınları)

Imperial Smelting Process'de ("ISP") kullanılan yüksek fırınlar , standart kurşun yüksek fırından geliştirilmiştir, ancak tamamen sızdırmazdır. Bunun nedeni, bu fırınlar tarafından üretilen çinkonun buhar fazından metal olarak geri kazanılması ve çıkış gazında oksijen bulunması çinko oksit oluşumuna neden olmasıdır.

ISP kullanılan ocaklar m başına yüksek hava akımı oranlarında standart kurşun yüksek fırınlarda daha yoğun operasyon var 2 ocak alanının ve daha yüksek kok tüketimi.

ISP ile çinko üretimi, elektrolitik çinko tesislerinden daha pahalıdır , bu nedenle bu teknolojiyi işleten birkaç izabe tesisi son yıllarda kapanmıştır. Bununla birlikte, ISP fırınları, elektrolitik çinko tesislerinden daha yüksek seviyelerde kurşun içeren çinko konsantrelerini işleyebilme avantajına sahiptir.

Taş yünü imalatı

Taş yünü veya taş yünü , yalıtım ürünü olarak ve hidroponikte kullanılan bükülmüş bir mineral elyaftır . Çok düşük seviyelerde metal oksitler içeren diyabaz kayası ile beslenen bir yüksek fırında üretilir . Elde edilen cüruf, kaya yünü ürününü oluşturmak için çekilir ve eğrilerek bükülür. İstenmeyen bir yan ürün olan çok az miktarda metal de üretilir .

Modern demir süreci

Bir tesisata yerleştirilen yüksek fırın
  1. Demir cevheri + kireçtaşı sinter
  2. kola
  3. Asansör
  4. Hammadde girişi
  5. kok tabakası
  6. Cevher ve kireçtaşından sinter pelet tabakası
  7. Sıcak patlama (yaklaşık 1200 °C)
  8. cürufun çıkarılması
  9. Erimiş pik demirin dokunulması
  10. cüruf potası
  11. Pik demir için torpido arabası
  12. Katı parçacıkların ayrılması için toz siklonu
  13. Sıcak patlama için bakır sobalar
  14. duman yığını
  15. Cowper sobaları için besleme havası (hava ön ısıtıcıları)
  16. toz kömür
  17. kok fırını
  18. kola
  19. Yüksek fırın gazı düşürücü
Yüksek fırın diyagramı
  1. Sıcak patlama gelen Cowper soba
  2. Erime bölgesi ( bosh )
  3. Demir oksit redüksiyon bölgesi ( varil )
  4. Ferrik oksitin redüksiyon bölgesi ( yığın )
  5. Ön ısıtma bölgesi ( boğaz )
  6. Cevher, kalker ve kok beslemesi
  7. Egzoz gazları
  8. Cevher, kok ve kireçtaşı sütunu
  9. cürufun çıkarılması
  10. Erimiş pik demirin dokunulması
  11. Atık gazların toplanması

Modern fırınlar, mavnaların boşaltıldığı cevher depolama alanları gibi verimliliği artırmak için bir dizi destek tesisi ile donatılmıştır. Hammaddeler, cevher köprüleri veya ray bunkerleri ve cevher transfer arabaları ile stokhane kompleksine aktarılır . Raylı tartı arabaları veya bilgisayar kontrollü ağırlık hazneleri, istenen sıcak metal ve cüruf kimyasını elde etmek için çeşitli hammaddeleri tartar. Hammaddeler , vinçler veya konveyör bantlar tarafından çalıştırılan bir atlama arabası vasıtasıyla yüksek fırının tepesine getirilir .

Hammaddelerin yüksek fırına yüklenmesinin farklı yolları vardır. Bazı yüksek fırınlar, hammaddenin yüksek fırına girişini kontrol etmek için iki "çanın" kullanıldığı bir "çift çan" sistemi kullanır. İki çanın amacı, yüksek fırında sıcak gaz kaybını en aza indirmektir. İlk olarak, ham maddeler üstteki veya küçük hazneye boşaltılır, bu hazne daha sonra yükü büyük hazneye boşaltmak için açılır. Küçük çan daha sonra yüksek fırını kapatmak için kapanırken, büyük çan, yükü yüksek fırına dağıtmadan önce malzemelerin belirli bir şekilde dağılımını sağlamak için döner. Daha yeni bir tasarım, "çansız" bir sistem kullanmaktır. Bu sistemler, her bir hammaddeyi içermek için birden fazla hazne kullanır ve bu daha sonra vanalar aracılığıyla yüksek fırına boşaltılır. Bu valfler, atlama veya konveyör sistemine kıyasla her bir bileşenin ne kadarının eklendiğini kontrol etmede daha hassastır ve böylece fırının verimini arttırır. Bu çansız sistemlerden bazıları, yükün nereye yerleştirildiğini tam olarak kontrol etmek için fırının boğazında (Paul Wurth tepesinde olduğu gibi) bir boşaltma oluğu da uygular.

Demir üreten yüksek fırının kendisi yüksek bir yapı şeklinde inşa edilmiş, refrakter tuğla ile kaplanmış ve yüklenen malzemelerin inişleri sırasında ısınırken genleşmelerine ve ardından ergitme meydana geldikçe boyutlarının küçülmesine izin verecek şekilde profillendirilmiştir. Kok, kireçtaşı akısı ve demir cevheri (demir oksit), gaz akışını ve fırın içindeki kimyasal reaksiyonları kontrol etmeye yardımcı olan hassas bir doldurma sırasında fırının tepesine yüklenir. Dört "alma", karbon monoksit içeriği yüksek sıcak, kirli gazın fırın boğazından çıkmasına izin verirken, "boşaltma valfleri" fırının üstünü ani gaz basıncı dalgalanmalarından korur. Egzoz gazındaki iri parçacıklar "toz tutucuya" yerleşir ve bertaraf edilmek üzere bir demiryolu vagonuna veya kamyona boşaltılırken, gazın kendisi bir venturi yıkayıcı ve/veya elektrostatik çökelticiler ve bir gaz soğutucusundan geçerek sıcaklığı düşürmek için akar . temizlenmiş gaz.

Fırının alt yarısındaki "dökümhane", hareketli boruyu, su soğutmalı bakır tüyerleri ve sıvı demir ve cürufu dökmek için gerekli ekipmanı içerir. Ateşe dayanıklı kil tıkacından bir "taphole" delindiğinde, sıvı demir ve cüruf, bir "sıyırıcı" açıklığından bir oluktan aşağı akar ve demir ve cürufu ayırır. Modern, daha büyük yüksek fırınlarda dört adede kadar musluk deliği ve iki döküm odası olabilir. Pik demir ve cürufa dokunulduğunda, musluk deliği tekrar ateşe dayanıklı kil ile tıkanır.

Gerdau , Brezilya'daki Yüksek Fırının Tüyerleri

Tuyerlerinde bir uygulamaya kullanılan sıcak patlama yüksek fırının verimliliğini artırmak için kullanılır. Sıcak hava, tabana yakın tüyer adı verilen su soğutmalı bakır nozullar aracılığıyla fırına yönlendirilir. Sıcak hava sıcaklığı, soba tasarımına ve durumuna bağlı olarak 900 °C ila 1300 °C (1600 °F ila 2300 °F) arasında olabilir. İlgilendikleri sıcaklıklar 2000 °C ila 2300 °C (3600 °F ila 4200 °F) olabilir. Petrol , katran , doğal gaz , toz kömür ve oksijen de ek enerjiyi serbest bırakmak ve verimliliği artırmak için gerekli olan indirgeyici gazların yüzdesini artırmak için kok ile birleştirmek için tüyere seviyesinde fırına enjekte edilebilir.

Bir yüksek fırının egzoz gazları genellikle bir atalet ayırıcı, bir torbalık veya bir elektrostatik çökeltici gibi toz toplayıcıda temizlenir . Her toz toplayıcı tipinin güçlü ve zayıf yönleri vardır - bazıları ince parçacıkları, bazıları kaba parçacıkları, bazıları da elektrik yüklü parçacıkları toplar. Etkili egzoz temizleme, işlemin birden fazla aşamasına dayanır. Atık ısı genellikle örneğin bir Cowper sobası , çeşitli ısı eşanjörleri kullanılarak egzoz gazlarından toplanır .

IEA Sera Gazı Ar-Ge Programı (IEAGHG), entegre bir çelik tesisinde CO2'nin %70'inin doğrudan yüksek fırın gazından (BFG) geldiğini göstermiştir. BFG, tesis içindeki ısı değişim prosesleri için kullanılmaya devam etmeden önce, BFG'de karbon yakalama teknolojisini kullanmak mümkündür. 2000 yılında, IEAGHG, BFG'yi yakalamak için bu kimyasal absorpsiyonun kullanılmasının 35$/t CO2'ye mal olacağını tahmin etti (CO2 nakliyesi ve depolaması için ek bir 8-20$/ton CO2 gerekli olacaktır). Bu, bir tesisteki tüm çelik üretim sürecini %15-20 daha pahalı hale getirecektir.

Toz tutucu çizim.png

Çevresel Etki

Ortalama olarak bir ton çelik üretmek 1.8 ton CO2 yayar. Bununla birlikte, bir ton çelik üreten bir üst gaz geri dönüşüm yüksek fırını (TGBRF) kullanan bir çelik fabrikası, TGBRF'nin geri dönüşüm oranına bağlı olarak 0,8 ila 1,3 ton CO2 yayacaktır.

Müze siteleri olarak hizmet dışı bırakılan yüksek fırınlar

Uzun bir süre boyunca, hizmet dışı bırakılan bir yüksek fırının yıkılması ve daha yeni, iyileştirilmiş bir fırınla ​​değiştirilmesi ya da alanın sonraki kullanımına yer açmak için tüm tesisin yıkılması normal bir prosedürdü. Son yıllarda, birçok ülke, endüstriyel tarihlerinin bir parçası olarak yüksek fırınların değerini anladı. Terk edilmiş çelik fabrikaları yıkılmak yerine müzelere çevrildi veya çok amaçlı parklara entegre edildi. En fazla sayıda korunmuş tarihi yüksek fırın Almanya'da bulunmaktadır; bu tür diğer siteler İspanya, Fransa, Çek Cumhuriyeti , Büyük Britanya'da bulunmaktadır . Japonya, Lüksemburg , Polonya , Romanya , Meksika , Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri .

Galeri


Tarih

Fırının bir örnek tarafından işletilen körük waterwheels gelen Nong Shu göre, Wang Zhen sırasında 1313, Yuan Hanedanı Çin
Çin para cezası ve yüksek fırın, Tiangong Kaiwu , 1637.

Dökme demir Çin'de MÖ 5. yy'a tarihlendirilmiştir, ancak Çin'deki en eski mevcut yüksek fırınlar MS 1. yüzyıla ve Batı'da Yüksek Orta Çağ'dan kalmadır . Onlar etrafında bölgeden yayılan Namur içinde Wallonia bu kullanılan yakıt kaçınılmaz kömür oldu 1491 yılında İngiltere'ye tanıtılıyor, 15. yüzyıl sonlarında (Belçika). Kömürün başarılı bir şekilde kok kömürü ile ikame edilmesi , 1709'da İngiliz mucit Abraham Darby'ye atfedilir. Sürecin verimliliği, 1828'de İskoç mucit James Beaumont Neilson tarafından patenti alınan yanma havasının ( sıcak hava ) ön ısıtılması uygulamasıyla daha da geliştirildi .

Çin

Arkeolojik kanıtlar, Çin'de MÖ 800 civarında çiçek açanların ortaya çıktığını göstermektedir. Başlangıçta Çinlilerin en başından itibaren demir dökmeye başladıkları düşünülüyordu, ancak bu teori o zamandan beri Qin Dükü Jing'in (d. 537) mezarında bulunan 'ondan fazla' demir kazma aletinin keşfiyle çürütüldü . Mezarı Fengxiang County , Shaanxi'de (bugün sitede bir müze var) bulunan. Bununla birlikte, yüksek fırın ve dökme demirin ortaya çıkmasından sonra Çin'de çiçek açtığına dair hiçbir kanıt yoktur. Çin'de yüksek fırınlar, daha sonra ya bir kupol fırınında bitmiş aletlere dönüştürülen ya da bir inceltme ocağında dövme demire dönüştürülen dökme demir üretti.

Dökme demir çiftlik aletleri ve silahları, MÖ 5. yüzyılda Çin'de yaygın olmasına ve 3. yüzyıldan itibaren demir izabe tesislerinde 200'den fazla erkeğin iş gücüne sahip olmasına rağmen , inşa edilen en eski yüksek fırınlar MS 1. yüzyılda Han Hanedanlığı'na atfedilmiştir . Bu ilk fırınlar kil duvarlar ve ikinci vardı fosfor bir mineraller ihtiva eden akı . Çin yüksek fırınlarının yüksekliği bölgeye bağlı olarak yaklaşık iki ila on metre arasında değişiyordu. En büyükleri modern Sichuan ve Guangdong'da bulunurken, 'cüce' yüksek fırınlar Dabieshan'da bulundu.İnşaatta , her ikisi de aynı teknolojik gelişmişlik düzeyindedir.

Çinli insan ve at güçlendirilmiş yüksek fırınların etkinliği mühendisi tarafından bu dönemde geliştirilmiştir Du Shi (. C MS 31) gücünü uygulanan waterwheels için piston - körük dökme demir dövme. Yüksek fırınları çalıştırmak için erken su tahrikli pistonlar, halihazırda var olan beygir gücüyle çalışan pistonların yapısına göre inşa edildi. Yani, atlı veya su tahrikli olsun, tekerleğin dairesel hareketi, bir kayış tahriki , bir krank ve biyel, diğer bağlantı çubukları ve çeşitli millerin kombinasyonu ile gerekli karşılıklı harekete aktarıldı. bir itme körüğü çalıştırmak için. Donald Wagner, erken yüksek fırın ve dökme demir üretiminin bronz eritmek için kullanılan fırınlardan evrimleştiğini öne sürüyor . Yine de, Qin Eyaleti Çin'i birleştirdiğinde (MÖ 221) demir, askeri başarı için gerekliydi . Song ve Tang Hanedanları döneminde yüksek ve kupol fırın kullanımı yaygındı . 11. yüzyıla gelindiğinde, Song Hanedanlığı Çin demir endüstrisi, demir ve çelik dökümünde kömürden kok kömürüne geçiş yaparak binlerce dönümlük ormanlık alanı kesmekten kurtardı. Bu, MS 4. yy kadar erken bir tarihte gerçekleşmiş olabilir.

Erken yüksek fırının birincil avantajı, büyük ölçekli üretim ve demir aletlerin köylüler için daha kolay erişilebilir hale getirilmesiydi. Dökme demir, ferforje veya çelikten daha kırılgandır, bu da ek inceltmeyi ve ardından sementasyon veya birlikte füzyon yapılmasını gerektirmiştir, ancak çiftçilik gibi sıradan faaliyetler için yeterliydi. Yüksek fırının kullanılmasıyla, saban demiri gibi daha büyük miktarlardaki aletleri çiçekhaneden daha verimli bir şekilde üretmek mümkün oldu. Harp gibi kalitenin önemli olduğu alanlarda ferforje ve çelik tercih edilmiştir. Neredeyse tüm Han dönemi silahları, birçoğu dökme demirden yapılmış balta başları hariç, dövme demir veya çelikten yapılmıştır.

Yüksek fırınlar daha sonra Song hanedanlığı döneminde dökme demir bomba mermileri ve dökme demir toplar gibi barut silahları üretmek için de kullanıldı .

Ortaçağ avrupası

Korsikalı olarak bilinen en basit demirhane , Hıristiyanlığın gelişinden önce kullanıldı . İyileştirilmiş çiçekçilik örnekleri , 19. yüzyılın başına kadar kalan Stückofen'dir (bazen kurt fırını olarak adlandırılır). Doğal çekiş kullanmak yerine, hava bir trompe ile pompalandı , bu da daha kaliteli demir ve artan kapasite ile sonuçlandı. Körüklü hava Bu pompalama olarak bilinen soğuk patlama ve arttıran yakıt verimliliği Bloomery ve verimini geliştirir. Ayrıca doğal taslak çiçekliklerden daha büyük inşa edilebilirler.

Avrupa'nın en eski yüksek fırınları

Deutsches Museum'da bir minyatürde gösterildiği gibi Almanya'daki ilk yüksek fırın

Batı'da bilinen en eski Yüksek fırının inşa edilmiştir Dürstel içinde İsviçre , Märkische Sauerland Almanya'da ve en Lapphyttan içinde İsveç'te daha da erken karmaşık Järnboås İsveç bucak Noraskog anda 1205 ve 1300 arasındaki aktif oldu, izleri Yüksek fırınlar, muhtemelen 1100 civarında bulunmuştur. Çin örnekleri gibi bu erken yüksek fırınlar, bugün kullanılanlara kıyasla çok verimsizdi. Lapphyttan kompleksinin demir topları üretmek için kullanılmıştır dövme demir olarak bilinen Osmonds ve bu uluslararası işlem gören - olası bir referans, ile antlaşma meydana Novgorod 1203 den ve 1250s ve 1320s İngiliz gümrük hesaplarında birkaç bazı referanslar. Vestfalya'da 13. ila 15. yüzyıllara ait diğer fırınlar tespit edilmiştir .

Yüksek fırınlar için gereken teknoloji ya Çin'den transfer edilmiş olabilir ya da yerli bir yenilik olabilir. 13. yüzyılda Al-Qazvini ve diğer gezginler daha sonra Hazar Denizi'nin güneyindeki Alburz Dağları'nda bir demir endüstrisi olduğunu kaydetti . Burası ipek yoluna yakındır , bu nedenle Çin'den türetilen teknolojinin kullanımı düşünülebilir. Daha sonraki açıklamalar, yaklaşık üç metre yüksekliğindeki yüksek fırınları kaydeder. As Varangian Rus' insanlar arasından İskandinavya (onların kullanarak Hazar ile işlem gören Volga ticaret yolunu ), teknolojinin bu yollarla İsveç'i ulaştı olması mümkündür. Çiçekçilikten gerçek yüksek fırına giden adım büyük değil. Sadece daha büyük bir fırın inşa etmek ve patlamanın hacmini artırmak için daha büyük körükler kullanmak ve dolayısıyla oksijen miktarı kaçınılmaz olarak daha yüksek sıcaklıklara, çiçek erimesinin sıvı demire ve döküm tesislerinden akan dökme demire yol açar. Vikinglerin, patlamanın hacimsel akışını büyük ölçüde artıran çift körük kullandıkları bilinmektedir.

Hazar bölgesi ayrıca fırın tasarımı için bir kaynak olabilir Ferriere tarafından tarif edilen, Filarete bir su-ile çalışan körük içeren, Semogo  [ o ] içinde Valdidentro iki aşamalı bir işlemde 1226 yılında Kuzey İtalya'da erimiş demir günde iki kez suya döküldü, böylece granüle edildi.

Sistersiyen katkıları

Cistercian rahiplerinin Genel Bölümü, bazı teknolojik gelişmeleri Avrupa'ya yaydı. Bu, Sistersiyenlerin yetenekli metalürjistler olduğu bilindiğinden, yüksek fırını da kapsamış olabilir . Jean Gimpel'e göre, yüksek düzeyde endüstriyel teknoloji, yeni tekniklerin yayılmasını kolaylaştırdı: "Her manastırın, genellikle kilise kadar büyük ve sadece birkaç metre ötede bir model fabrikası vardı ve su gücü, üzerinde bulunan çeşitli endüstrilerin makinelerini harekete geçirdi. zemin." Demir cevheri yatakları genellikle demiri çıkarmak için demirhanelerle birlikte keşişlere bağışlandı ve bir süre sonra fazlalıklar satışa sunuldu. Sistersiyenler , 13. yüzyılın ortalarından 17. yüzyıla kadar Fransa'nın Champagne kentinde önde gelen demir üreticileri haline geldiler ve ayrıca fırınlarından çıkan fosfat açısından zengin cürufu tarımsal gübre olarak kullandılar .

Arkeologlar hala Cistercian teknolojisinin kapsamını keşfediyorlar. At Laskill , bir outstation Rievaulx Abbey bugüne kadar tespit ve sadece ortaçağ yüksek fırın İngiltere'de üretilen cüruf demir içeriği düşüktür. Zamanın diğer fırınlarından çıkan cüruf önemli miktarda demir içeriyordu, oysa Laskill'in oldukça verimli bir şekilde dökme demir ürettiğine inanılıyor. Onun tarih henüz belli değil, ama muhtemelen kadar hayatta vermedi Henry VIII 'in Manastırlar Dağılması ile 'Smythe' ilişkin (hemen sonra) bir anlaşma olarak, geç 1530'larda Rutland Kontu 1541 yılında sahası anlamına gelir . Bununla birlikte, ortaçağ Avrupa'sında yüksek fırının yayılma yolları nihai olarak belirlenmemiştir.

Erken modern yüksek fırınların kökeni ve yayılması

18. yüzyıldan kalma bir yüksek fırının dönem çizimi
Lohtaja eski arması resimde Erken modern yüksek fırın

Döküm topları için artan demir talebi nedeniyle, yüksek fırın 15. yüzyılın ortalarında Fransa'da yaygın olarak kullanılmaya başlandı.

Fransa ve İngiltere'de kullanılanların doğrudan atası, şimdi Wallonia (Belçika) olan Namur bölgesindeydi. Oradan ilk yayıldı Bray de Pays doğu sınırında Normandiya ve oradan için Weald arasında Sussex içinde (Queenstock denir) ilk fırın, Buxted teker ardından 1491 hakkında yılında inşa edilmiş, Newbridge içinde Ashdown Ormanı götürüldü 1496 yılında Bunlar 1530 hakkında kadar sayıca az kalmış ama birçok demir endüstrisi belki bu fırınlarda pik demir çoğu 1590 hakkında zirveye ulaştı Weald, aşağıdaki on yıllarda inşa edildi süs ocaklarından üretimi için bir çubuk demir .

Weald dışındaki ilk İngiliz fırınları 1550'lerde ortaya çıktı ve birçoğu o yüzyılın geri kalanında ve sonrakilerde inşa edildi. Sanayinin çıktısı muhtemelen 1620'de zirveye ulaştı ve bunu 18. yüzyılın başlarına kadar yavaş bir düşüş izledi. Bunun nedeni, görünüşe göre, İsveç'ten ve başka yerlerden demir ithal etmenin, onu daha uzak İngiliz yerlerinde yapmaktan daha ekonomik olmasıydı . Sanayi için ekonomik olarak mevcut olan kömür, muhtemelen onu büyütmek için odun kadar hızlı tüketiliyordu.

Rusya'daki ilk yüksek fırın 1637'de Tula yakınlarında açıldı ve Gorodishche Works olarak adlandırıldı. Merkezi Rusya'ya oradan sonra nihayet yüksek fırın yayıldı Urallar .

Kok yüksek fırınlar

Blists Hill, Madeley, İngiltere'deki orijinal yüksek fırınlar
Deneysel yüksek fırının şarj edilmesi, Sabit Azot Araştırma Laboratuvarı, Washington DC, 1930

1709 yılında en Coalbrookdale Shropshire, İngiltere, İbrahim Darby ile bir patlama fırın yakıt başladı kola yerine kömür . Kola'nın başlangıçtaki avantajı, düşük maliyetiydi, çünkü kok yapmak, ağaç kesmekten ve odun kömürü yapmaktan çok daha az emek gerektiriyordu, ancak kok kullanmak aynı zamanda, özellikle İngiltere ve Kıta'da yerel odun kıtlığının üstesinden geldi. Metalurjik kalite kok, kömürden daha ağır olacak ve daha büyük fırınlara izin verecektir. Bir dezavantajı, kok kömüründen daha fazla kirlilik içermesi ve kükürtün demirin kalitesine özellikle zarar vermesidir. Sıcak üfleme gerekli kok miktarını azaltmadan ve fırın sıcaklıkları kireçtaşından cürufu serbest akışa dönüştürecek kadar sıcak olmadan önce, kok safsızlıkları daha büyük bir problemdi. (Kireçtaşı kükürt bağlar. Kükürt bağlamak için manganez de eklenebilir.)

Kok demiri başlangıçta sadece dökümhane işleri, tencere ve diğer dökme demir ürünleri yapmak için kullanıldı . Döküm işi endüstrisinin küçük dalı oldu ama Darby oğlu Horsehay yakındaki yeni bir fırın inşa ve sahipleri tedarik etmeye başladı süs ocaklarından çubuk demir üretimi için kok pik demir ile. Kok pik demiri bu zamana kadar kömür pik demirinden daha ucuza üretiliyordu. Demir endüstrisinde kömürden türetilen bir yakıtın kullanılması, İngiliz Sanayi Devrimi'nde önemli bir faktördü . Darby'nin orijinal yüksek fırını arkeolojik olarak kazılmıştır ve Ironbridge Gorge Müzeleri'nin bir parçası olan Coalbrookdale'de yerinde görülebilir . 1779'da dünyanın ilk demir köprüsünün kirişlerini yapmak için fırından çıkan dökme demir kullanıldı . Demir Köprü , Coalbrookdale'de Severn Nehri'ni geçiyor ve yayalar için kullanılıyor.

Buharla çalışan patlama

Buhar motoru, kömür ve demir cevherinin bulunduğu bölgelerde su gücü sıkıntısının üstesinden gelmek için hava püskürtmesine uygulandı. Bu, ilk olarak 1742'de bir buhar motorunun beygir gücüyle çalışan bir pompanın yerini aldığı Coalbrookdale'de yapıldı. Bu tür motorlar, fırının üzerindeki bir hazneye su pompalamak için kullanıldı. İlk motorlar doğrudan tarafından sağlandı darbe silindirlere kullanılan Boulton ve Watt için John Wilkinson 'ın Yeni Willey Ocağı. Bu , babası Isaac Wilkinson tarafından icat edilmiş olan bir dökme demir üfleme silindirini çalıştırıyordu . Hızla aşınan deri körüklerin yerine 1736'da bu tür silindirlerin patentini aldı. Isaac'e 1757'de üfleme silindirleri için de ikinci bir patent verildi. Buhar motoru ve dökme demir üfleme silindiri, 18. yüzyılın sonlarında İngiliz demir üretiminde büyük bir artışa yol açtı.

sıcak patlama

Sıcak hava , yüksek fırının yakıt verimliliğindeki en önemli ilerlemeydi ve Sanayi Devrimi sırasında geliştirilen en önemli teknolojilerden biriydi . Sıcak patlama, 1828'de İskoçya'daki Wilsontown Ironworks'de James Beaumont Neilson tarafından patentlendi . Tanıtıldıktan sonraki birkaç yıl içinde, sıcak patlama, kok kullanılarak yakıt tüketiminin üçte bir veya kömür kullanılarak üçte iki oranında azaltıldığı noktaya kadar geliştirildi. fırın kapasitesi de önemli ölçüde arttı. Birkaç on yıl içinde, uygulama, ocaktan çıkan atık gazın (CO içeren) yönlendirildiği ve yakıldığı fırın kadar büyük bir "soba"ya sahip olmaktı. Elde edilen ısı, fırına üflenen havayı önceden ısıtmak için kullanıldı.

Sıcak hava, yakılması zor olan ham antrasit kömürün yüksek fırına verilmesini sağladı. Antrasit ilk başta George Crane tarafından başarıyla denenmesi Ynyscedwyn Ironworks'deki O tarafından Amerika'da alındı 1837 yılında güney Galler Lehigh Vinç Demir Şirketi de Catasauqua, Pensilvanya kola gerektiren çok yüksek kapasiteli yüksek fırınlar inşa edildiğinde azaldı 1839 Antrasit kullanımda, 1870'lerde.

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar