Aukštoji krosnis – geležies lydymas, konstrukcija ir veikimo principai

Aukštoji krosnis - tai speciali krosnis geležies lydymui iš rūdos. Aukštakrosnės yra labai didelės. Jos gali būti iki 60 metrų aukščio ir 15 metrų skersmens. Aukštakrosnė yra didžiausias cheminis reaktorius. Aukštakrosnės dar vadinamos aukštakrosnėmis.

Aukštakrosnė paprastai statoma su plieniniu korpusu, o korpuso viduje - iš magnio oksido ar kitos ugniai atsparios medžiagos pagamintos plytos. Karšta krosnis negali išlydyti šių plytų. Krosnis aušinama vandeniu, tekančiu į dalį korpuso ir plytų.

Geležies gamybos procesas yra paprastas. Geležies rūda iš esmės yra geležies oksidas. Geležis gaminama pašalinant deguonį. Taip lieka neapdorota geležis, vadinama ketumi. Šis deguonies pašalinimo procesas vadinamas lydymu. Redukcijos procese naudojama anglis, o rūda įkaitinama iki aukštos temperatūros. Aukštoje temperatūroje anglis lengvai pašalina deguonį iš rūdos.

Konstrukcija ir pagrindinės dalys

Aukštakrosnė sudaryta iš kelių aiškių zonų nuo viršaus žemyn: apkrova (burden), karšto oro įpūtimas, degimo zona (bosh), šachta (stack) ir židinio (hearth). Pagrindinės konstrukcijos dalys:

• Plieninis korpusas – išorinė konstrukcija, suteikianti mechaninį stiprumą;
• Ugniai atspari išklija – magnio oksido ar kitų medžiagų plytos, apsauganti plieną nuo aukštos temperatūros;
• Aušinimo sistema – dažniausiai vandeniu aušinami vamzdžiai krosnies korpuse;
• Tuyerės – angos per kurias į krosnį įpūtimas šiltas oras;
• Viršutinis apkrovos taškas – vieta, kur krosnis užkraunama rūda, koksu ir žaliavomis;
• Išpylimo angos – skystos geležies (ketumo) ir šlako išleidimui (tapping).

Žaliavos ir pagalbinės medžiagos

Tipinės žaliavos ir priedai:

• Geležies rūda – gali būti koncentruota rūda, sinteris arba granulės (pelletai);
• Koksas – specialiai paruoštas anglies produktas, atliekantis kuro ir medžiaginio reduktoriaus (masės, palaikančios smulkią struktūrą) funkcijas;
• Skiedikliai (fluxai) – pvz. kalkakmenis (limestone), naudojami šlako susidarymui ir nepageidaujamų priemaišų surišimui;
• Karštas oras (hot blast) – įkaitintas oras, kuris greitina degimą ir mažina koksui reikalingą kiekį.

Veikimo principas — kaip vyksta lydymas

Aukštakrosnėje vyksta keli tarpusavyje susiję procesai:

• Fizikinis krovimas: iš viršaus sluoksniais kraunama rūda, koksas ir fluxai;
• Degimas: apačioje per tuyeres įpūčiamas oras (dažnai įkaitintas iki kelių šimtų laipsnių), kuriame koksas dega ir sukuria aukštą temperatūrą;
• Redukcija: susidariantis anglies monoksidas (CO) ir dalis elementaraus anglies redukuoja geležies oksidus iki metalo (Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe); CO taip pat virsta CO2 dalyje reakcijų;
• Šlako formavimasis: fluxai reaguoja su priemaišomis (pvz. SiO2) ir suformuoja šlaką, kuris plūduriuoja virš tamsaus, sunkesnio ketumo;
• Tappingas: periodiškai atidaromos angos ir išleidžiamas šlakas atskirai, o po to – skysta geležis (ketus), kurią surenka liejyklos.

Temperatūros krosnies apačioje (židinyje) gali siekti apie 1 800–2 200 °C, o viršuje – ženkliai mažesnės. Dėl didelio šilumos gradientų ir reaktyvumo aukštakrosnė prilyginama didžiausiam cheminiam reaktoriui.

Proceso techniniai aspektai

Keletas svarbių detalių, kurios gerina aukštakrosnės veikimą:

• Apkrovos granulometras: krovos sluoksnių frakcijos turi būti parinktos taip, kad kenkiančios smulkmenos neužkimštų oro pralaidumo;
• Hot blast ir ekonomaizeriai: karštas oras dažnai pašildomas šilumokaičiuose, panaudojant krosnies išmetamą šilumą – tai didina energijos efektyvumą;
• Kontrolė ir automatikos sistemos: temperatūros, slėgio, oro ir kuro srautų valdymas leidžia optimizuoti produkciją bei mažinti sąnaudas;
• Aplinkosauginės priemonės: filtrai ir dūmų valymo įrenginiai surenka kietąsias daleles ir sieros junginius prieš išmetant orui.

Gautas produktas ir tolesnis panaudojimas

Pagrindinis aukštakrosnės produktas – ketus (pig iron), tai skystas neišgrynintas geležies rūšis su dideliu anglies kiekiu. Ketus dažniausiai perdirbamas:

• Į plieną konvertavimo krosnyse (pvz., oksigenu varomose krosnyse);
• Liejyboje – gaminant suvirinimo detales, liejinius;
• Kaip tarpinė žaliava kitoms geležies ir plieno rūšims gaminti.

Aplinkosauga ir efektyvumo didinimas

Šiuolaikinės aukštakrosnės orientuotos į mažesnį CO2 ir teršalų kiekį per:

• kuro pakeitimą rimtesnėmis technologijomis (pvz., metanolio ar vandenilio naudojimas redukcijoje);
• šilumos atgavimo sistemas ir didesnį energijos naudojimo efektyvumą;
• nuoseklią dūmų valymo įrangą (elektrofiltrai, dulkių gaudyklės, rūgščių dujų neutralizatoriai);
• rūdos ir kitos žaliavos kokybės gerinimą (mažiau priemaišų, mažiau emisijų).

Priežiūra ir sauga

Aukštakrosnės eksploatacija reikalauja griežtos priežiūros ir saugos priemonių:

• reguliari ugniai atsparios išklijos patikra ir remontas;
• aušinimo sistemos nuolatinis stebėjimas, kad būtų išvengta korpuso perkaitimo;
• operatorių treniruotės ir griežti darbų tvarkos reikalavimai darbinėse zonose;
• avarinio uždarymo ir vėsinimo procedūrų numatymas galimų nutekėjimų ar užsidegimo atvejais.

Trumpai apie istoriją ir šiuolaikines tendencijas

Aukštakrosnių principai išsivystė per kelis amžius – nuo paprastų plieno ir geležies krosnių iki šiuolaikinių milžinų su automatizuota kontrole. Pastaraisiais dešimtmečiais daug dėmesio skiriama CO2 mažinimui, efektyvumo didinimui ir žaliavų kokybės gerinimui. Ateityje numatomos technologijos, kurios leis dar labiau sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį, pavyzdžiui, platesnis vandenilio naudojimas redukcijai arba elektrinės krosnys.