Julkaistu Jätä kommentti

Metallurginen koksi

Ison-Britannian siirtyminen koksiin

metallurgisen koksin käyttöönotto rautasulatuksessa oli ehdottomasti yksi nykyajan suurimmista teknisistä innovaatioista, sillä se katkaisi riippuvuuden puusta, avasi tien uunin kapasiteetin valtavalle kasvulle ja vuotuisten tuotosten moninkertaistumiselle ja vapautti sulatuspaikat polttouunin palkeiden virrankulutukseen kykenevien purojen läheisyydestä. Oli useita syitä, miksi puuhiilen korvaaminen koksilla englantilaisissa ja Walesilaisissa uuneissa oli melko pitkittynyt asia. Aluksi brittien oli helppo saada edullista Baltian raudan tuontia (vaikka Venäjän sulatus tapahtui suurelta osin Uralilla, lähetykset tulivat Sankt Peterburgin kautta), ja polttoaineen ensimmäiset kaupalliset käyttötarkoitukset osoittivat, ettei koksipohjainen sulatus ollut taloudellisesti houkuttelevaa (Harris, 1988; Hyde, 1977).

koksia käytettiin ensimmäisen kerran Englannissa 1640-luvun alussa maltaiden kuivattamiseen (tehtävä, jota ei voitu tehdä kivihiilellä, koska sen poltto tuotti runsaasti hiukkas-ja rikkipäästöjä), ja tuloksettomat yritykset käyttää koksia (ja myös kivihiiltä ja turvetta) metallien sulattamisessa tapahtuivat 1700-luvun jälkipuoliskolla, mutta vasta vuonna 1709 Abraham Darbysta (1678-1717) tuli rautamalmin sulattamisen koksin yksinäinen uranuurtaja. Hyde (1977) tarjosi vakuuttavan selityksen sille, miksi englantilaiset rautamestarit eivät seuranneet Darbyn esimerkkiä (hänen kaksi uuniaan Coalbrookdalessa käyttivät koksia yksinomaan vuoden 1720 jälkeen ja yksi Wileyssä vain koksia vuodesta 1733 lähtien) ennen 1750-luvun alkua.

vaikka noin 25 puuhiiltä polttavaa uunia suljettiin vuosien 1720 ja 1755 välillä, hiilellä sulatetun raudan yhteenlaskettu tuotanto nousi lähes 19 000: sta lähes lähes 25 000 tonnia 35 välivuoden aikana. Syynä ei ollut Darbyn innovaatioon liittyvä salassapito eikä koksisulatetun raudan heikompi laatu, vaan koksikäyttöisten uunien huomattavasti korkeammat käyttökustannukset eikä uusien uunien pääomakustannuksissa ollut suurta kustannuseroa. Hyde (1977) laski, että näiden kahden prosessin käyttökustannukset saattoivat tulla samansuuruisiksi 1730-luvun loppuun mennessä, mutta kulutetun koksin suuren määrän vuoksi kokonaiskustannukset olivat hiiliuunien puolella 1750-luvun alkuun asti.

Darby ja hänen seuraajansa onnistuivat saamaan koksipohjaisen sulattamisen kannattavaksi ”uuden prosessin korkeammista kustannuksista huolimatta, koska he saivat Keskimääräistä enemmän tuloja uudesta koksiharkkoraudan ohutseinäisten valukappaleiden sivutuotteesta” (Hyde, 1977, 40). Tämä tekniikka, joka patentoitiin vuonna 1707 ennen kuin Darby aloitti koksisulattonsa, hyötyi suuremmasta si-rikasteisen koksisulattavan raudan juoksevuudesta, josta voitiin valmistaa paljon ohuempia ruukkuja (joiden massa oli puolet vähemmän kuin hiilisulatetusta raudasta valmistettujen ruukkujen), joissa oli vähemmän vikoja. Lisäksi Hyde (1977) päätteli, että tankoraudan valmistus koksiharkkoraudasta oli kalliimpaa kuin sen tekeminen hiilivaluraudasta, koska entinen nestemäinen metalli sisälsi enemmän piitä.

King (2011) tarkasteli uudelleen Hyden (1977) selityksiä ja yksityiskohtaista tutkimustaan Coalbrookdalen liiketoimintarekisteristä (joka on säilynyt neljässä tilikirjassa) ja vahvisti päätelmän koksilla sulatetun harkkoraudan kustannuksista, mutta totesi, että sama väite ei päde tankoraudan tuotantoon. Tilikirjat osoittavat, että Coalbrookdale-uuneissa kulutettiin valtavasti koksia 1720-luvulla ja että se väheni vähitellen 1730-luvulla, mutta tilikirjat ja vertailut muihin takojiin osoittavat, että Coalbrookdale Enterprisen heikko tulos ei johtunut koksisulatetun harkkoraudan luontaisista ongelmista, vaan pikemminkin osoitettavissa olevasta tosiasiasta, että kyseessä oli pieni ja tehottomasti johdettu yritys.

koksin laajamittaisen käyttöönoton viivästyminen johtui siis paljolti tangon hinnasta: ”1720-luvun alussa koksiharkkoraudan käytössä oli teknisiä vaikeuksia, mutta ne saatiin ilmeisesti ratkaistua vuosikymmenen loppuun mennessä, mutta rautakaupan taantuma esti koksisulattaman ahjoraudan tuomisen markkinoille, kunnes teollisuus hyötyi 1750-luvulla tapahtuneesta taloudellisesta noususuhdanteesta. tämä nousu johtuu osittain siitä, että Ruotsi rajoitti raudantuotantoaan, joka alkoi muutamaa vuotta aiemmin.” (King, 2011, 154). Englantilaiset tuottajat vastasivat lähes välittömästi rakentamalla uusia koksikäyttöisiä uuneja 1750-luvun puolivälin jälkeen. Vuosina 1750-1770 rakennettiin lähes 30 koksipohjaista uunia, joiden osuus harkkoraudan tuotannosta nousi vain 10 prosentista 46 prosenttiin (King, 2005).

Tämä oli käänteentekevä muutos: riippuvuus uusiutuvista mutta monilla alueilla jo pulaa olevista resursseista, joiden mahdollisimman realistinen hyödyntäminen ei voisi tukea raudantuotannon tulevaa laajentumista, muuttui riippuvuudeksi uusiutumattomasta polttoaineesta, jota voitaisiin tuottaa edullisesti runsaista hiiliesiintymistä ja jonka tuotanto voitaisiin skaalata vastaamaan rautateollisuuden ennakoitavissa olevaa kasvua. Ja korvaaminen poisti mannermetsiin kohdistuvan paineen: Madureira (2012) laski, että vuonna 1820 52% Belgian metsäalasta käytettiin metallurgisen puuhiilen tuottamiseen ja että vielä paljon suuremmassa ja metsäisemmässä Ranskassa ja Ruotsissa osuus oli noin 15% vuoteen 1840 mennessä.

pitkäaikaisen tukeutumisen mahdottomuus puuhiileen käy helposti ilmi asiaa koskevilla laskelmilla poikkeuksellisen puurikkaasta Yhdysvalloista. Yhdysvaltain Valtakunnallinen raudan tuotostilasto alkoi vuonna 1810, kun 49 000 t harkkorautaa sulatettiin (olettaen, että keskimäärin 5 kg puuhiiltä tai vähintään 20 kg puuta / kg kuumaa metallia) noin 1 Mt puuta. Vaikka kaikki tämä puu olisi peräisin luonnontilaisista lehtipuumetsistä, joita varastoidaan noin 250 t/ha (Brown, Schroder, & Birdsey, 1997), ja vaikka kaikki maanpäälliset fytomassat käytettäisiin hiileen, lähes 4000 km2: n suuruinen alue (neliö, jonka sivu on lähes 63 km) olisi raivattava vuosittain tämän tuotantotason ylläpitämiseksi. Yhdysvaltain rikkaissa metsissä pystyttiin elättämään vielä suurempi määrä, ja vuoteen 1840 mennessä kaikki Yhdysvaltain rauta oli vielä sulatettu puuhiilellä, mutta sen jälkeen siirryttäessä nopeasti koksiin lähes 90% raudantuotannosta saatiin energiaksi vuoteen 1880 mennessä eikä raudantuotannon tuleva kasvu voinut perustua puuhiileen, vuonna 1910—jolloin raudan tuotanto oli 25 Mt ja jopa paljon alennetut maksut 1,2 kg puuhiiltä ja 5 kg puuta kilogrammaa kuumaa metallia kohti—maa olisi tarvinnut 125 Mt puuta vuodessa.

pelkästään tämä vaatimus (kaiken puuhiilen tarpeen jättäminen pois metallien jatkojalostuksesta) olisi edellyttänyt (vaikka luonnonmetsien keskimääräinen 7 t / ha kasvu olisi ollut suuri) vuotuista puunkorjuuta lähes 180 000 km2 metsästä (Smil, 1994). Tämä alue olisi yhtä suuri kuin Missouri tai Oklahoma (tai kolmasosa Ranskasta), ja jos se olisi neliö, sen sivu kulkisi Philadelphiasta Bostoniin tai Pariisista Frankfurtiin. On selvää, että edes metsäinen Amerikka ei pystyisi tähän. Lisäksi sen paremmuudesta metallurgisena polttoaineena ei voinut olla epäilystäkään. Koksi valmistetaan kuumentamalla sopivia bitumipitoisia hiiliä (niiden tuhkan ja rikkipitoisuuden on oltava alhainen) ilman happea: tämä pyrolyysi (destruktiivinen tislaus) karkottaa lähes kaiken haihtuvan aineen ja jättää jälkeensä lähes puhdasta hiiltä, jonka näennäistiheys on vain 0,8–1 g/cm3, mutta jonka lämmitysarvo on suurempi 31-32 MJ/kg, noin kaksi kertaa niin energiatiheää kuin ilmakuivattu puu, mutta vain hieman energiatiheämpää kuin paras hiili.

kuten useimmissa teknisissä edistysaskeleissa, varhaisten koksin valmistusmenetelmien tehokkuus oli erittäin huono. Yli sadan vuoden ajan koksin valmistustapa oli suljetuissa mehiläispesäuuneissa (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Nämä puolipallon muotoiset rakennelmat (amerikkalaisten mehiläispesien halkaisija oli noin 3,8 m) rakennettiin yleensä pankkeihin (joita kutsutaan paristoiksi, joissakin amerikkalaisissa paristoissa oli lopulta 200-300 mehiläispesää), usein rinteeseen (mikä helpotti niiden peittämistä maalla) ja aina vahvoihin etupuolen tukimuureihin. 4 tai 5 päivän esilämmityksen jälkeen (ensin puulla, sitten hiilellä) käynnistinpolttoaine poistettiin, etuovet muurattiin jopa kaksi kolmasosaa korkeudestaan ja uunit ladattiin hiilellä. Tavallisen uunin keskimääräinen lataus oli 5-5, 5 t, kuormattu hiili tasoitettiin rautapalkilla, ovet muurattiin ja sinetöitiin savella, ja seuraavien 2-3 päivän ajan (palamisajat vaihtelivat 40 ja 75 tunnin välillä) hitaasti palavat mehiläispesäuunit valaisivat yötaivaan oranssinpunaisella hehkulla ja päästivät kuumia kaasuja avonaisten latvojensa läpi (trunnelipäät).

kun hallittu polttaminen päättyi koksin sammuttamiseen vedellä, ovet rikottiin ja polttoaine poistettiin mehiläispesistä kuljetettavaksi masuuneihin. Mehiläispesän koksauksessa käytettiin alkuaikoina jopa 2 tonnia hiiltä koksitonnia kohti; myöhemmin tuotto nousi 60 prosenttiin ja lopulta noin 70 prosenttiin. Koksin kyky tukea raskaampia malmi-ja kalkkikivipanoksia mahdollisti korkeampien masuunien rakentamisen, joiden kapasiteetti oli suurempi ja tuotos suurempi, mikä puolestaan lisäsi koksin kysyntää. Joissakin näistä varhaisista koksiuuneista käytettiin Newcomenin tehottomia höyrykoneita, ja vuoden 1776 jälkeen koksipohjaisen sulattamisen yleistymistä helpotti suuresti Wattin höyrykoneiden omaksuminen voimakkaampien palkeiden kuljettajiksi: vuonna 1782 niitä käytettiin tällä tavoin, ja vuonna 1790 Englannissa ja Walesissa oli käytössä 83 koksikäyttöistä uunia ja 71 höyrykäyttöistä palkeita (Hyde, 1977). Puuhiilellä toimivat uunit eivät kuitenkaan kadonneet: vuonna 1810 niissä sulatettiin vielä kolmannes englantilaisesta ja walesilaisesta raudasta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.