Teknisk beskrivelse af højovnsdrift

Driften af en moderne kulfyret højovn. Højden er oftest 20-30 m. Temperaturer vises for isotermer indeni ovnen. De reaktioner, som finder sted i ovnen, angives til højre; understregede elementer er opløst i jernet.

Beskrivelsen er især baseret på J. G. Peacey og W. G. Davenport, The iron blast furnace: Theory and practice, Oxford 1979, og Terkel Rosenqvist, Principles of extractive metallurgy, New York 1974.

Empirisk forskning har givet en meget detaljeret viden om, hvad der sker i en moderne koksfyret højovn, og det er det, som beskrives her. Om store trækulfyrede højovne, som traditionelt blev brugt i f.eks. Sichuan, kan man sige, at principperne er de samme, bare med lavere temperaturer. Om de meget små højovne, som f.eks. blev brugt i Dabieshan, er det rimeligt at gå ud fra, at principperne er de samme, men med muligheden for fundamentale forskelle, som vi intet ved om.

Se diagrammet. En moderne højovn drives kontinuerligt i måneder eller år. Koks, malm og et flussmiddel charges i toppen og luft blæses ind i bunden gennem et antal tviere (blæserør). Flydende jern og slagge tappes gennem taphuller nederst. Driften fortsætter indtil ovnens indre beklædning har taget så meget skade af de høje temperaturer, at reparationer bliver nødvendige.

Malmen er i forvejen blevet kalcineret (ristet), således at jernet udelukkende findes som Fe₂O₃. De centrale reaktioner i højovnen er, som vist i diagrammet, reduktion af dette ved CO, først til Fe₃O₄, så til FeO, og endelig til Fe. Noget kulstof, typisk ca. 4 procent, opløses i jernet i den nederste del af ovnen; med dette kulstofindhold er jernets smeltepunkt under 1200° C.

Forbrænding af koks ved tvierne producerer CO₂, som reagerer med koks og bliver til CO. Dette reagerer med jernoxyder og producerer CO₂, som igen reagerer med koks, og så videre i en cyklus. En høj temperatur og en meget høj koncentration af CO er nødvendige for reduktion af FeO. Den nødvendige koncentration af CO opnås nemmere med trækul som brændsel end med koks, fordi trækul er mere reaktiv, og derfor drives trækulshøjovne ved lavere temperaturer.

Jernudvinding ville være nem hvis malmen bestod udelukkende af jernoxyder. Faktisk indeholder alle malme betydelige mængder SiO₂ (kiselsyre) og andre mineraler: dette uønskede materiale kaldes kollektivt malmens gangmasse (eller gangart; engelsk gangue). Da højovnen drives kontinuerligt skal gangmassen kunne fjernes i flydende form, men normalt vil den have et meget højt smeltepunkt. Derfor charges et flussmiddel, oftest CaCO₃ (kalksten) sammen med malmen og brændslet. Flussmidlet vælges således, at det sammen med gangmassen danner en slagge, hvis smeltepunkt er tilstrækkelig lavt (under 1400° C i moderne praksis). CaCO₃ spaltes i ovnen til CaO (kalk) og CO₂, og blandingen af CaO og SiO₂ har et meget lavere smeltepunkt end nogen af delene hver for sig.

Foruden at være et udmærket flussmiddel har kalk den egenskab, at den fjerner svovl fra det flydende jern ved reaktionen S + CaO + C = CaS + CO. I moderne praksis, hvor brændslet er koks med et betydeligt svovlindhold, bruger man forholdsvis store mængder kalksten, således at forholdet CaO/SiO₂ i slaggen ligger så højt som 1,2. I trækulsfyrede højovne er svovl sjældent et problem, og man bruger meget mindre mængder kalksten.

I nogle før-moderne højovne bruger man ikke noget flussmiddel. I disse tilfælde er malmen måske så rig, at et flussmiddel ikke er nødvendigt, eller malmen kan være ‘selvgående’ (engelsk self-fluxing, tysk selbstgehende), dvs. tilfældigvis have en gangmasse, som uden tilsætning har et tilstrækkelig lavt smeltepunkt. Det kan også være, at ovnen er konstrueret sådan, at en vis mængde FeO ikke reduceres, for FeO er et meget efektivt flussmiddel for SiO₂. I før-moderne højovnsdrift kunne man også tåle en tyktflydende slagge, som var svær at skille fra jernet. Produktet var et slaggeholdigt råjern, som godt kunne bruges i en kupolovn, friskningsherd eller pudlingsovn uden de helt store problemer.

Skalaøkonomi

I diagrammet kan man se en ‘zone med relativt konstant temperatur’ tæt ved toppen af skakten, hvor der ikke sker særlig meget. Det viser sig, at denne zone har stor betydning, for den fungerer som en bufferzone, som beskytter regionerne længere nede i skakten mod udefrakommende forstyrrelser. Dette betyder, at en højovn er ekstremt stabil i driften, og forbliver sådan når den bygges i enormt stor skala.

Højovnsdrift giver en meget stor skalaøkonomi: jo større højovn og derfor produktion, jo mindre koster jernet. De vigtigste tekniske grunde til dette synes at være, (1) at en større ovnvolumen betyder mindre varmetab til omgivelserne og (2) at en reduktionszone med større volumen og højere temperatur giver hurtigere reduktion. Disse to faktorer betyder mere effektiv forbrug af brændsel. Hertil kommer, at en større ovn kræver mindre investering i forhold til produktionskapacitet og kræver en relativt mindre arbejdsstyrke i driften.

Klik på et billede for at se det forstørret.