Publicerad den Lämna en kommentar

metallurgisk koks

Brittisk övergång till koks

antagande av metallurgisk koks för järnsmältning var definitivt en av de största tekniska innovationerna i modern tid eftersom det avbröt beroendet av trä, öppnade vägen mot en enorm tillväxt av ugnskapacitet och till multiplikation av årliga utgångar och befriade smältplatser från närheten till strömmar som kunde driva ugnsbälgar. Det fanns flera anledningar till att byte av kol med koks i engelska och walesiska ugnar var en ganska långvarig affär. Ursprungligen var det lätt Brittisk tillgång till prisvärd import av baltiskt järn (även om den ryska smältningen gjordes till stor del i Ural, transporterna kom via Sankt Peterburg), och den första kommersiella användningen av bränslet indikerade att koksbaserad smältning inte var ekonomiskt attraktiv (Harris, 1988; Hyde, 1977).

koks användes först i England under början av 1640-talet för torkning av malt (en uppgift som inte kunde göras med KOL eftersom dess förbränning gav stora partiklar och svavelutsläpp) och misslyckade försök att använda (och även kol och torv) i metallsmältning ägde rum under senare hälften av sjuttonhundratalet, men det var först 1709 när Abraham Darby (1678-1717) blev den ensamma pionjären för järnmalmsmältning med koks. Hyde (1977) erbjöd en övertygande förklaring till varför engelska järnmästare under första hälften av artonhundratalet inte följde Darbys exempel (hans två ugnar i Coalbrookdale använde koks uteslutande efter 1720, och en i Wiley använde endast koks sedan 1733) före början av 1750-talet.

även om vissa 25 koldrivna ugnar stängdes mellan 1720 och 1755 steg den sammanlagda produktionen av kolsmältat järn från nästan 19 000 till nästan 25 000 ton under de mellanliggande 35 åren. Anledningen var varken någon hemlighet kring Darbys innovation eller en sämre kvalitet på koks-smält järn, men betydligt högre driftskostnader för koks-drivna ugnar och ingen större kostnadsskillnad i kapitalkostnaden för nya ugnar. Hyde (1977) beräknade att driftskostnaderna för de två processerna kan ha blivit lika i slutet av 1730-talet, men på grund av den stora mängden koks som konsumeras var de totala kostnaderna för kolugnar fram till början av 1750-talet.

Darby och hans efterträdare kunde göra koksbaserad smältning lönsam ”trots högre kostnader för den nya processen eftersom de fick högre än genomsnittliga intäkter från en ny biprodukt av koksgrisjärn-tunnväggiga gjutgods” (Hyde, 1977, 40). Denna teknik, patenterad 1707 innan Darby började sin kokssmältning, gynnades av högre fluiditet av Si-rikt kokssmältat järn som kunde användas för att producera mycket tunnare krukor (med hälften så mycket massa som de gjorda av kolsmältat järn) med färre defekter. Dessutom drog Hyde (1977) också slutsatsen att det var dyrare att göra barjärn från koksjärn än att göra det från kolgjutjärn eftersom den tidigare flytande metallen innehöll mer kisel.

King (2011) reviderade Hydes (1977) förklaringar och hans detaljerade granskning av Coalbrookdale-affärsregister (bevarade i fyra kontoböcker) och bekräftade slutsatsen om kostnaderna för grisjärn smält med koks, men fann att samma argument inte gällde produktion av stångjärn. Kontoböcker visar enorm koksförbrukning i Coalbrookdale-ugnar under 1720-talet och dess gradvisa nedgång under 1730-talet. men räkenskaperna och jämförelserna med andra smedjor visar att Coalbrookdale Enterprises dåliga prestanda inte berodde på inneboende problem med kokssmältat tackjärn utan snarare på ett påvisbart faktum att det var ett litet och ineffektivt drivet företag.

försening i utbredd koks adoption var således till stor del en fråga om barjärn pris: ”Oavsett vilka tekniska svårigheter som fanns i användningen av koksjärn i smedjor i början av 1720-talet, var dessa uppenbarligen övervunna i slutet av det decenniet, men järnhandelns deprimerade tillstånd avskräckte introduktionen på marknaden av kokssmältat smedjärn, tills industrin gynnades av en ekonomisk uppgång på 1750-talet. Denna uppgång kan delvis hänföras till den svenska begränsningen av deras järnproduktion, som började några år tidigare” (King, 2011, 154). Engelska producenter svarade nästan omedelbart genom att bygga nya koksdrivna ugnar efter mitten av 1750-talet. Nästan 30 koksbaserade ugnar byggdes mellan 1750 och 1770, och deras andel av grisjärnsproduktionen ökade från bara 10% till 46% (King, 2005).detta var en epokgörande förändring, från beroendet av en resurs som var förnybar men redan bristfällig i många regioner och vars maximala realistiska utnyttjande inte kunde stödja den framtida expansionen av järnproduktionen till beroendet av ett icke-förnybart bränsle som kunde produceras billigt från rikliga kolavlagringar och vars produktion kunde skalas upp för att möta en förutsebar expansion av järnindustrin. Och substitutionen avlägsnade trycket på kontinentala skogar: Madureira (2012) beräknade att 1820 användes 52% av Belgiens skogsområde för att producera metallurgiskt kol, och att även i mycket större och mycket mer skogsklädda Frankrike och Sverige var aktierna cirka 15% år 1840.

omöjligheten av långsiktigt beroende av kol illustreras enkelt med relevanta beräkningar för de exceptionellt trärika USA. USA: s rikstäckande järnproduktionsstatistik började 1810 när smältningen av 49 000 ton tackjärn konsumeras (förutsatt en genomsnittlig hastighet på 5 kg kol eller minst 20 kg trä per kg het metall) cirka 1 Mt Trä. Även om allt detta trä skulle ha kommit från naturliga lövskogar med gammal tillväxt som lagrar cirka 250 ton/ha (Brown, Schroder, & Birdsey, 1997), och även om alla överjordiska fytomasser användes vid kolning, skulle ett område på nästan 4000 km2 (en kvadrat med en sida på nästan 63 km) behöva rensas varje år för att upprätthålla den produktionsnivån. Rika amerikanska skogar kunde stödja en ännu högre takt och 1840 smältes allt amerikanskt järn fortfarande med KOL, men efter en efterföljande snabb övergång till koks energiserade nästan 90% av järnproduktionen 1880 och framtida ökningar av järnproduktionen kunde inte baseras på kol, 1910—med järnproduktion vid 25 Mt och även med mycket reducerade laddningar på 1,2 kg kol och 5 kg trä per kg varm metall—landet skulle ha krävt 125 Mt Trä per år.

det kravet ensamt (bortsett från allt kolbehov för ytterligare metallbearbetning) skulle ha krävt (även med hög genomsnittlig ökning av 7 ton/ha i naturliga skogar) årlig träskörd från nästan 180 000 km2 skog (Smil, 1994). Det området skulle vara lika med Missouri eller Oklahoma (eller en tredjedel av Frankrike), och om det var en torg skulle dess sida gå från Philadelphia till Boston eller från Paris till Frankfurt. Självklart kunde inte ens skogsrika Amerika göra det här. Dessutom kan det inte finnas några tvivel om dess överlägsenhet som metallurgiskt bränsle. Koks produceras genom uppvärmning av lämpliga typer av bituminösa kol (de måste ha låg aska och låg svavelhalt) i frånvaro av syre: denna pyrolys (destruktiv destillation) driver bort praktiskt taget alla flyktiga ämnen och lämnar nästan rent kol med låg uppenbar densitet på bara 0,8–1 g/cm3 men med högre värmevärde vid 31-32 MJ/kg, ungefär dubbelt så energität som lufttorkat trä men bara lite mer energität än det bästa kolet.

som med de flesta tekniska framsteg var effektiviteten hos tidiga koksproducerande metoder mycket dålig. I mer än ett sekel var det vanliga sättet att göra koks i slutna bikupeugnar (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Dessa halvsfäriska strukturer (amerikanska bikupor hade en diameter på cirka 3,8 m) byggdes vanligtvis i banker (kallade batterier, med vissa amerikanska batterier som så småningom hade 200 till 300 bikupor), ofta i en sluttning (vilket gör det lättare att täcka dem med jord) och alltid med starka främre stödmurar. Efter 4 eller 5 dagars förvärmning (först med trä, sedan med kol) avlägsnades startbränslet, ytterdörrarna murades upp till två tredjedelar av sin höjd och ugnar laddades med kol. Genomsnittlig laddning för en standardugn var 5-5, 5 ton, laddat kol planades ut med en järnstång, dörrarna murades upp och förseglades med lera och under de kommande 2 till 3 dagarna (brinnande perioder varierade mellan 40 och 75 timmar) tände långsamt brinnande bikupaugnar natthimlen med en orange-rödaktig glöd och avgav heta gaser genom sina öppna toppar (trunnelhuvuden).

När den kontrollerade förbränningen slutade koks avslutades genom att släcka med vatten, bröts dörrarna upp och bränslet avlägsnades från bikupor för att transporteras till masugnar. Tidig bikupkoksning förbrukade upp till 2 ton kol per ton koks; senare ökade avkastningen till 60% och så småningom till cirka 70%. Koks förmåga att stödja tyngre laddningar av malm och kalksten gjorde det möjligt att bygga högre masugnar med större kapacitet och högre utgångar, vilket i sin tur ökade efterfrågan på koks. Några av dessa tidiga koksugnar använde Newcomens ineffektiva ångmotorer, och efter 1776 hjälpte spridningen av koksbaserad smältning kraftigt av antagandet av Watts ångmotorer som förare av kraftfullare bälgar: de användes på det sättet 1782 och 1790 hade England och Wales 83 koksdrivna ugnar i drift och 71 hade ångdrivna bälgar (Hyde, 1977). Men koldrivna ugnar försvann inte: 1810 smälte de fortfarande en tredjedel av engelska och walesiska järn.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.