Posted on Leave a comment

Metallurgische Cokes

Britse Overgang naar Coke

Goedkeuring van metallurgische cokes voor ijzer smelten was zeker een van de grootste technische innovaties van de moderne tijd als het afgehakte de afhankelijkheid van hout, opende de weg naar een enorme groei van de oven capaciteiten en tot vermenigvuldiging van de jaarlijkse uitgangen, en bevrijd smelten locaties in de nabijheid van beken in staat om de macht oven balg. Er waren verschillende redenen waarom de vervanging van houtskool door cokes in Engelse en Welsh ovens een nogal langdurige aangelegenheid was. Aanvankelijk was het de gemakkelijke Britse toegang tot betaalbare invoer van het Baltische ijzer (hoewel het Russische smelten grotendeels in de Oeral werd gedaan, kwamen de zendingen via Sankt Peterburg), en de eerste commerciële toepassingen van de brandstof gaven aan dat het smelten op basis van cokes financieel niet aantrekkelijk was (Harris, 1988; Hyde, 1977).cokes werd voor het eerst gebruikt in Engeland in de vroege jaren 1640 voor het drogen van mout (een taak die niet kon worden gedaan met steenkool omdat de verbranding ervan overvloedige deeltjes en zwavelemissies veroorzaakte), en mislukte pogingen tot het gebruik ervan (en ook van steenkool en turf) in metaalsmelting vonden plaats in de tweede helft van de zeventiende eeuw, maar het was pas in 1709 toen Abraham Darby (1678-1717) de enige pionier werd van het smelten van ijzererts met cokes. Hyde (1977) gaf een overtuigende verklaring waarom de Engelse ijzermeesters van de eerste helft van de achttiende eeuw Darby ‘ s Voorbeeld niet volgden (zijn twee ovens in Coalbrookdale gebruikten uitsluitend cokes na 1720, en één in Wiley gebruikte alleen cokes sinds 1733) vóór het begin van de jaren 1750. De reden hiervoor was noch een geheimzinnigheid rond de innovatie van Darby, noch een inferieure kwaliteit van cokesgesmolten ijzer, maar aanzienlijk hogere bedrijfskosten van cokesgestookte ovens en geen groot kostenverschil in de kapitaalkosten van nieuwe ovens. Hyde (1977) berekende dat de exploitatiekosten van de twee processen tegen het einde van de jaren 1730 gelijk kunnen zijn geworden, maar vanwege de grote hoeveelheid cokes die werd verbruikt, waren de totale kosten in het voordeel van houtskoolovens tot het begin van de jaren 1750.Darby en zijn opvolgers waren in staat om de cokesfabrieken rendabel te maken “ondanks de hogere kosten van het nieuwe proces, omdat zij meer dan gemiddelde inkomsten ontvingen uit een nieuw bijproduct van cokesgietijzer-dunwandige gietstukken” (Hyde, 1977, 40). Deze techniek, gepatenteerd in 1707 voordat Darby begon met het smelten van cokes, profiteerde van een hogere vloeibaarheid van Si-rijk cokesgesmolten ijzer dat kon worden gebruikt om veel dunnere potten te produceren (met half zoveel massa als die gemaakt van het houtskoolgesmolten ijzer) met minder defecten. Bovendien concludeerde Hyde (1977) ook dat het maken van staafijzer uit cokesgietijzer duurder was dan het maken van houtskoolgietijzer omdat het voormalige vloeibare metaal meer silicium bevatte.

King (2011) herzag Hyde ‘ s (1977) uitleg en zijn gedetailleerd onderzoek van Coalbrookdale business records (bestaande in vier rekenboeken) en bevestigde de conclusie met betrekking tot de kosten van met cokes gesmolten ruwijzer, maar vond dat hetzelfde argument niet van toepassing was op de productie van staafijzer. Uit de boekhouding blijkt een enorm cokesverbruik in de ovens van Coalbrookdale in de jaren 1720 en een geleidelijke daling in de jaren 1730, maar uit de boekhouding en vergelijkingen met andere smederijen blijkt dat de slechte prestaties van Coalbrookdale niet te wijten waren aan inherente problemen met cokesgesmolten ruwijzer, maar eerder aan een aantoonbaar feit dat het een kleine en inefficiënt beheerde onderneming was.de vertraging bij de wijdverbreide invoering van cokes was dus grotendeels een kwestie van de prijs van staafijzer .: “Welke technische moeilijkheden er ook bestonden bij het gebruik van cokesgietijzer in smederijen in het begin van de jaren 1720, deze werden blijkbaar tegen het einde van dat decennium overwonnen, maar de depressieve toestand van de ijzerhandel ontmoedigde de introductie op de markt van cokesgesmolten smederij gietijzer, totdat de industrie in de jaren 1750 profiteerde van een economische opleving. die opleving kan gedeeltelijk worden toegeschreven aan de Zweedse beperking van hun ijzerproductie, die een paar jaar eerder begon” (King, 2011, 154). Engelse producenten reageerden vrijwel onmiddellijk met de bouw van nieuwe cokesovens na het midden van de jaren 1750. Tussen 1750 en 1770 werden bijna 30 cokesovens gebouwd en hun aandeel in de ruwijzerproductie steeg van slechts 10% tot 46% (King, 2005).dit was een epochale verandering, van de afhankelijkheid van een hulpbron die hernieuwbaar was, maar in veel regio ‘ s al schaars was en waarvan de maximale realistische exploitatie de toekomstige expansie van de ijzerproductie niet kon ondersteunen, tot de afhankelijkheid van een niet-hernieuwbare brandstof die goedkoop uit overvloedige kolenafzettingen kon worden geproduceerd en waarvan de productie kon worden opgeschaald om te voorzien in een te verwachten expansie van de ijzerindustrie. En de vervanging verwijderde de druk op de continentale bossen: Madureira (2012) berekende dat in 1820 52% van het beboste Belgische gebied werd gebruikt voor de productie van metallurgische houtskool, en dat zelfs in veel groter en veel meer bebost Frankrijk en Zweden de aandelen rond 15% waren in 1840.

De onmogelijkheid om op lange termijn afhankelijk te zijn van houtskool wordt gemakkelijk geïllustreerd met relevante berekeningen voor de uitzonderlijk houtrijke Verenigde Staten. In 1810 werd begonnen met het smelten van 49.000 ton ruwijzer (uitgaande van een gemiddeld verbruik van 5 kg houtskool of ten minste 20 kg hout per kg warm metaal). Zelfs als al dat hout afkomstig zou zijn van natuurlijke oudgroeiende hardhoutbossen met een opslag van ongeveer 250 t/ha (Brown, Schroder, & Birdsey, 1997), en zelfs als alle bovengrondse fytomass voor de houtskoolwinning zouden worden gebruikt, zou elk jaar een oppervlakte van bijna 4000 km2 (een vierkant met een zijde van bijna 63 km) moeten worden vrijgemaakt om dat niveau van productie in stand te houden. Rijke AMERIKAANSE bossen kan de ondersteuning van een nog hogere rente en door 1840 al ONS ijzer was nog steeds gemaakt met houtskool, maar na een daaropvolgende snelle switch naar coke energiek bijna 90% van de productie van ijzer door 1880 en toekomstige stijgingen in de productie van ijzer kan niet worden gebaseerd op houtskool, en in 1910—met ijzer-uitgang op 25 Mt en zelfs met veel minder kosten van 1,2 kg houtskool en 5 kg hout per kg hot metal—het land zou hebben vereist 125 Mt hout per jaar.

alleen al voor deze eis (afgezien van alle houtskoolbehoeften voor verdere metaalverwerking) zou (zelfs bij een hoge gemiddelde toename van 7 t/ha in natuurlijke bossen) de jaarlijkse houtoogst van bijna 180.000 km2 bos nodig zijn geweest (Smil, 1994). Dat gebied zou gelijk zijn aan Missouri Of Oklahoma( of een derde van Frankrijk), en als het een vierkant zou zijn zijn kant zou gaan van Philadelphia naar Boston, of Van Parijs naar Frankfurt. Het is duidelijk dat zelfs bosrijk Amerika dit niet kon doen. Bovendien kan er geen twijfel bestaan over zijn superioriteit als metallurgische brandstof. Cokes wordt geproduceerd door het verwarmen van geschikte soorten bitumineuze kolen (die een laag as–en zwavelgehalte moeten hebben) bij afwezigheid van zuurstof: deze pyrolyse (destructieve destillatie) verdrijft vrijwel alle vluchtige stoffen en laat bijna zuivere koolstof achter met een lage schijnbare dichtheid van slechts 0,8-1 g/cm3, maar met een hogere verwarmingswaarde bij 31-32 MJ/kg, ongeveer twee keer zo energierijk als luchtgedroogd hout, maar slechts iets meer energiedichtheid dan de beste houtskool.

zoals bij de meeste technische vooruitgang was de efficiëntie van de eerste cokesproducerende methoden zeer gering. Meer dan een eeuw lang was de standaard manier om cokes te maken in gesloten bijenkorven ovens (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Deze hemisferische structuren (Amerikaanse bijenkorven hadden een diameter van ongeveer 3,8 m) werden meestal gebouwd in banken (batterijen genoemd, waarbij sommige Amerikaanse batterijen uiteindelijk 200 tot 300 bijenkorven hadden), vaak in een heuvel (waardoor het gemakkelijker was om ze met aarde te bedekken), en altijd met sterke frontale keerwanden. Na 4 of 5 dagen voorverwarmen (eerst met hout, vervolgens met kolen) werd de startbrandstof verwijderd, werden de voordeuren tot twee derde van hun hoogte dichtgemetseld en werden de ovens met kolen gevuld. De gemiddelde lading van een standaardoven bedroeg 5-5, 5 t, de geladen kolen werden met een ijzeren staaf genivelleerd, de deuren werden dichtgemetseld en met klei verzegeld, en gedurende de volgende 2 tot 3 dagen (brandperioden varieerden tussen 40 en 75 uur) ontstaken de langzaam brandende Bijenkorf-ovens de nachtelijke hemel met een oranje-roodachtige gloed en zonden hete gassen uit via hun open toppen (trechterkoppen).nadat de gecontroleerde verbranding van de cokes door blussen met water was beëindigd, werden deuren afgebroken en werd de brandstof uit de bijenkorven gehaald om naar de hoogovens te worden getransporteerd. Bij de eerste bijenkorf werd tot 2 ton kolen per ton cokes verbruikt; later steeg het rendement tot 60% en uiteindelijk tot ongeveer 70%. Het vermogen van cokes om zwaardere ladingen erts en kalksteen te dragen, maakte het mogelijk hogere hoogovens te bouwen met een grotere capaciteit en een hogere output, waardoor de vraag naar cokes toenam. Sommige van deze vroege cokesovens maakten gebruik van inefficiënte stoommachines van Newcomen, en na 1776 werd de diffusie van het cokesgebaseerd smelten sterk bevorderd door de toepassing van Watts stoommachines als de aandrijvers van krachtigere balgen: ze werden op die manier gebruikt in 1782 en tegen 1790 hadden Engeland en Wales 83 cokesovens in bedrijf en 71 hadden stoombalgen (Hyde, 1977). Maar met houtskool gestookte ovens verdwenen niet: in 1810 smolten ze nog steeds een derde van Engels en Welsh ijzer.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.