Opublikowano Dodaj komentarz

koks metalurgiczny

Brytyjskie przejście na koks metalurgiczny

przyjęcie koksu metalurgicznego do wytopu żelaza było zdecydowanie jedną z największych innowacji technicznych epoki nowożytnej, ponieważ zerwało zależność od drewna, otworzyło drogę do ogromnego wzrostu wydajności pieców i zwielokrotnienia rocznej produkcji oraz uwolniło miejsca wytopu od bliskości strumieni zdolnych do zasilania mieszków piecowych. Było kilka powodów, dla których zastąpienie węgla węglowego koksem w angielskich i walijskich piecach było raczej przedłużającym się romansem. Początkowo był to łatwy Brytyjski dostęp do niedrogiego importu Bałtyckiego żelaza (chociaż Rosyjskie wytapianie odbywało się głównie na Uralu, przesyłki docierały przez Sankt Peterburg), a pierwsze komercyjne wykorzystanie paliwa wskazywało na to, że wytapianie na bazie koksu nie było atrakcyjne finansowo (Harris, 1988; Hyde, 1977).

koks został po raz pierwszy użyty w Anglii na początku 1640 roku do suszenia słodu (zadanie, którego nie można było wykonać z węglem, ponieważ jego spalanie powodowało dużą emisję cząstek stałych i siarki), a nieudane próby jego wykorzystania (a także węgla i torfu) w wytopie metali miały miejsce w drugiej połowie XVII wieku, ale dopiero w 1709 roku Abraham Darby (1678-1717) stał się samotnym pionierem wytopu rudy żelaza koksem. Hyde (1977) przedstawił przekonujące wyjaśnienie, dlaczego angielscy Hutnicy pierwszej połowy XVIII wieku nie poszli za przykładem Darby ’ ego (jego dwa Piece w Coalbrookdale używały koksu wyłącznie po 1720 roku, a jeden w Wiley używał tylko koksu od 1733 roku) przed wczesnymi latami 50. 25 000 t w ciągu 35 lat. Powodem nie była ani żadna tajemnica związana z innowacją Darby ’ ego, ani gorsza jakość wytopionego żelaza, ale znacznie wyższe koszty operacyjne pieców napędzanych koksem i brak znaczącej różnicy kosztów w kosztach kapitałowych nowych pieców. Hyde (1977) obliczył, że koszty operacyjne obu procesów mogą stać się równe pod koniec 1730 roku, ale ze względu na dużą ilość koksu zużytego ogólne koszty były na korzyść pieców węglowych aż do początku 1750 roku.

Darby i jego następcy byli w stanie uczynić Hutnictwo oparte na koksie opłacalnym „pomimo wyższych kosztów nowego procesu, ponieważ otrzymywali wyższe niż średnia przychody z nowego produktu ubocznego surówki koksowej-cienkościennych odlewów” (Hyde, 1977, 40). Technika ta, opatentowana w 1707 r., zanim Darby rozpoczął wytop koksu, korzystała z wyższej płynności bogatego w Si żelaza wytopionego koksem, które można było wykorzystać do produkcji znacznie cieńszych garnków (o połowę mniej masy niż te wykonane z żelaza wytopionego węglem drzewnym) z mniejszą liczbą wad. Co więcej, Hyde (1977) stwierdził również, że wytwarzanie żelaza barowego z surówki koksowej było droższe niż wytwarzanie go z żeliwa węglowego, ponieważ poprzedni ciekły metal zawierał więcej krzemu.

King (2011) ponownie zapoznał się z wyjaśnieniami Hyde ’ a (1977) i szczegółowym zbadaniem dokumentacji biznesowej Coalbrookdale (zachowanej w czterech księgach rachunkowych) i potwierdził wniosek dotyczący kosztów surówki wytopionej koksem, ale stwierdził, że ten sam argument nie ma zastosowania do produkcji żelaza prętowego. Księgi rachunkowe pokazują ogromne zużycie koksu w piecach Coalbrookdale w 1720 roku i jego stopniowy spadek w 1730 roku. ale rachunki i porównania z innymi kuźniami pokazują, że słabe wyniki Coalbrookdale enterprise nie były spowodowane nieodłącznymi problemami z surówką Hutniczą, ale raczej udowodnionym faktem, że było to małe i nieefektywnie prowadzone Przedsiębiorstwo.

opóźnienie w powszechnym przyjęciu koksu było więc w dużej mierze kwestią ceny żelaza barowego: „Jakiekolwiek trudności techniczne istniały w stosowaniu surówki koksowej w kuźniach na początku lat 20. XX wieku, zostały one najwyraźniej przezwyciężone pod koniec tej dekady, ale przygnębiający stan handlu żelazem zniechęcił do wprowadzenia na rynek surówki kuźniczej z koksownią, dopóki przemysł nie skorzystał na ożywieniu gospodarczym w 1750 roku. to ożywienie można częściowo przypisać szwedzkiemu ograniczeniu produkcji żelaza, które rozpoczęło się kilka lat wcześniej” (King, 2011, 154). Angielscy producenci zareagowali niemal natychmiast, budując nowe piece napędzane koksem po połowie lat 50. W latach 1750-1770 zbudowano blisko 30 pieców na bazie koksowni, a ich udział w produkcji surówki wzrósł z zaledwie 10% do 46% (King, 2005).

była to epokowa zmiana, począwszy od uzależnienia od zasobów odnawialnych, ale już w wielu regionach brakuje ich podaży i których maksymalna realistyczna eksploatacja nie mogła wesprzeć przyszłego rozwoju produkcji żelaza, do uzależnienia od nieodnawialnego paliwa, które można było tanio wytwarzać z obfitych złóż węgla i którego produkcję można było zwiększyć, aby sprostać przewidywalnemu rozwojowi przemysłu żelaza. Substytucja usunęła presję na Lasy kontynentalne: Madureira (2012) obliczyła, że w 1820 roku 52% zalesionego obszaru Belgii było wykorzystywane do produkcji węgla metalurgicznego, a nawet w znacznie większej i bardziej zalesionej Francji i Szwecji udziały wynosiły około 15% do 1840 roku.

niemożność długotrwałego polegania na węglu drzewnym jest łatwo zilustrowana odpowiednimi obliczeniami dla wyjątkowo bogatych w drewno Stanów Zjednoczonych. Amerykańskie ogólnokrajowe statystyki produkcji żelaza rozpoczęły się w 1810 r., gdy wytop 49 000 ton surówki zużywał (zakładając średnią szybkość 5 kg węgla drzewnego lub co najmniej 20 kg drewna na kg gorącego metalu) około 1 Mt drewna. Nawet gdyby całe to drewno pochodziło z naturalnych starych lasów liściastych, składujących się około 250 t/ha (Brown, Schroder, & Birdsey, 1997), i nawet gdyby wszystkie nadziemne fitomasy były wykorzystywane w węglu drzewnym, powierzchnia prawie 4000 km2 (kwadrat o boku prawie 63 km) musiałaby być oczyszczana każdego roku, aby utrzymać ten poziom produkcji. Bogate lasy Amerykańskie mogły utrzymać jeszcze wyższy poziom i do 1840 r. całe żelazo w USA nadal było wytapiane węglem drzewnym, ale po późniejszym szybkim przejściu na koks energetyzował prawie 90% produkcji żelaza do 1880 r., a przyszły wzrost produkcji żelaza nie mógł być oparty na węglu drzewnym, w 1910 r.—przy produkcji żelaza na poziomie 25 Mt, a nawet przy znacznie obniżonych ładunkach 1,2 kg węgla drzewnego i 5 kg drewna na kg gorącego metalu—kraj wymagałby 125 Mt drewna rocznie.

sam ten wymóg (pomijając potrzebę dalszego przetwarzania węgla drzewnego) wymagałby (nawet przy wysokim średnim przyroście 7 t/ha w naturalnych lasach) rocznych zbiorów drewna z prawie 180 000 km2 lasu (Smil, 1994). Obszar ten byłby równy Missouri lub Oklahomie (lub jednej trzeciej Francji), a gdyby był kwadratem, jego bok prowadziłby z Filadelfii do Bostonu lub z Paryża do Frankfurtu. Oczywiście, nawet bogata w lasy Ameryka nie mogła tego zrobić. Co więcej, nie ma wątpliwości co do jego wyższości jako paliwa metalurgicznego. Koks jest wytwarzany przez ogrzewanie odpowiednich rodzajów węgli bitumicznych (muszą mieć niską zawartość popiołu i niską zawartość siarki) przy braku tlenu: ta piroliza (destrukcyjna destylacja) odpędza praktycznie wszystkie lotne substancje i pozostawia po sobie prawie czysty węgiel o niskiej gęstości pozornej wynoszącej zaledwie 0,8–1 g/cm3, ale o wyższej wartości opałowej 31-32 MJ/kg, mniej więcej dwa razy gęsty energetycznie niż suszone na powietrzu drewno, ale tylko nieco bardziej gęsty energetycznie niż najlepszy węgiel drzewny.

jak w przypadku większości osiągnięć technicznych, efektywność wczesnych metod produkcji koksu była bardzo niska. Przez ponad stulecie standardowy sposób wytwarzania koksu był w zamkniętych piecach uli (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Te półkuliste struktury (ule Amerykańskie miały średnicę około 3,8 m) budowane były zwykle w Brzegach (zwanych bateriami, przy czym niektóre amerykańskie baterie miały w końcu od 200 do 300 uli), często w zboczu wzgórza (ułatwiając ich pokrycie ziemią), oraz zawsze z mocnymi przednimi ścianami opartymi. Po 4 lub 5 dniach wstępnego podgrzewania (najpierw drewnem, potem węglem) usunięto paliwo rozrusznika, zamurowano drzwi wejściowe do dwóch trzecich wysokości, a piece ładowano węglem. Średni ładunek dla standardowego pieca wynosił 5-5, 5 t, załadowany węgiel wyrównywano żelaznym prętem, drzwi zamurowano i uszczelniono gliną, a przez następne 2-3 dni (okresy palenia wahały się między 40 A 75 godz.) wolno palące się PIECE ulowe oświetlały nocne niebo pomarańczowo-czerwonawym blaskiem i emitowały gorące gazy przez otwarte wierzchołki (głowice czopów).

Po zakończeniu kontrolowanego spalania koksu przez hartowanie wodą, drzwi zostały zerwane, a paliwo zostało usunięte z uli w celu przetransportowania do wielkich pieców. Wczesna Koksownia ula zużywała do 2 t Węgla na tonę koksu, później wydajność wzrosła do 60%, a ostatecznie do około 70%. Zdolność koksu do podtrzymywania cięższych ładunków rudy i wapienia umożliwiła budowę wyższych wielkich pieców o większej wydajności i wyższej wydajności, co z kolei zwiększyło zapotrzebowanie na koks. Niektóre z tych wczesnych pieców koksowniczych używały nieefektywnych silników parowych Newcomena, a po 1776 roku dyfuzja wytapiania na bazie koksu została w znacznym stopniu wspomagana przez przyjęcie silników parowych Watta jako napędu mocniejszych mieszków: były one używane w ten sposób w 1782 roku, a do 1790 roku Anglia I Walia miały w eksploatacji 83 piece napędzane koksem, a 71 miało mieszki napędzane parą (Hyde, 1977). Ale piece opalane węglem drzewnym nie zniknęły: w 1810 r. nadal wytapiały jedną trzecią angielskiego i walijskiego żelaza.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.