Vysoká pec

Vysoká pec je metalurgické zařízení, sloužící k výrobě surového železa redukcí z železných rud

Popis zařízení

Vysoká pec

Vysoká pec je typově pec šachtová vysoká 25 - 40 m. Profil pece je přizpůsoben technologii provozu a měnícímu se objemu vsázky. Skládá se z kuželovité, k základně se rozšiřující vlastní šachty, která v místě největšího objemu vsázky se mění v zarážce (která slouží zadržení celé náplně v peci) v komolý kužel opačný, který se zužuje k základně (viz obr). Šachta je tvořena silnými ocelovými pláty, vyzděnými ohnivzdornou vyzdívkou a je zvenčí chlazena tekoucí vodou nebo pomocí litinových a měděných chladnic jimiž proudí voda a jsou umístěny mezi pancířem pece a žáruvzdornou vyzdívkou.

Na horním konci šachty je umístěna sazebna sloužící pro doplňování materiálu pro výrobu železa - vsázky. Plnící otvor je uzavřen dvojitým kuželovým sazebním (kychtovým) uzávěrem. Tento umožňuje jednak zavážení pece vsázkovým materiálem a jednak jej utěsňuje tak, že je možno odvádět vysokopecní plyn do plynojemu na ohřev dmychaného větru. Existuje také tzv. BZS (bezzvonová sazebna) tvořená dvěma materiálovými komorami. Nad nimi je umístěna pojízdná násypka určující, která mat. komora se bude plnit. V komoře se nacházejí horní a dolní klapový uzávěr a tzv. segmentový uzávěr určující rychlost vysypávání komory. Pod komorami se pak vsázka sype do otočného rozdělovače, který sype vsázku do předem daných „kružnic“. Přibližně ve výši zarážky se nachází kruhové potrubí rozdělovače větru. Předehřátý vzduch (vítr) je odsud přiváděn pomocí dmyšen (také forem, píšťal) do tavicího prostoru vysoké pece. Na nejnižší rovině nístěje (dna pece) je umístěn výtok roztaveného železa tzv. odpichový otvor. Nad odpichovým otvorem pro surové železo je výtokový otvor strusky. Struska je potom dále zpracovávána přímo u vysoké pece.

• Zavážka vysoké pece, t.j. doprava železné rudy, koksu a struskotvorných přísad se provádí buďto šikmým výtahem nebo pomocí velkých zavážecích nádob (košů) a tzv. kolmých výtahů.

Šikmý zavážecí výtah

• Ohřívače vzduchu (Cowper) jsou poměrně vysoké ocelové válcovité stavby uvnitř vyzděné ohnivzdornou kanálkovou vyzdívkou a vybavené po celé výšce sahající spalnou komorou. Na horním konci jsou uzavřeny kopulí. Teplota pod kopulí dosahuje až 1 600 °C. Ke každé vysoké peci patří 3 až 5 ohřívačů vzduchu. Pracují střídavě, přerušovaně t.j. jeden předává teplo vzduchu, další je předehříván atd. Vytápěny jsou vysokopecním plynem zpravidla s přídavkem zemního plynu nebo topného oleje. Vysokopecní (kychtový) plyn obsahuje přibližně 20 % jedovatého oxidu uhelnatého, CO a je poměrně málo výhřevný (cca 900 kcal/m³). Mezi vysokou pecí a ohřívači vzduchu je vysokopecní plyn čištěn a zbavován prachu ve filtrech a cyklonech.

Předehřátý vzduch (700 až 1 000 °C) je pomocí mohutných dmychadel dopravován vyzděným potrubím do dmyšen vysoké pece. Vedle dodávky potřebného kyslíku pro spalování koksu slouží vítr ve vysoké peci také k udržování konsistence vsázky (víření) a zabraňuje vzniku spečenin na dně pece.

Vysokopecní zařízení bývají průměrně deset let v nepřetržitém provozu. Po uplynutí této provozní fáze je prováděna generální oprava celého zařízení.

Procesy ve vysoké peci

Do vysoké pece se zaváží železná ruda, koks a struskotvorné přísady. Ty slouží jednak k snížení tavicí teploty hlušin a jednak k ochraně železa během vysokopecního procesu před zpětnou oxidací. Jsou to vápenec, dolomit a zřídka také křemičitý štěrk. Použitý typ přísady závisí především na kvalitě rudy a jejím indexu bazicity.

V horní části pece pod sazebnou předehřívá vsázka a vypařuje se z ní vlhkost. Se stoupající teplotou v nižší části šachty pece dochází ke kontaktu železné rudy s procházejícími spalinami, které obsahují CO. Zde, v teplotním rozmezí mezi 400 a 1 000 °C, probíhá tzv. nepřímá redukce oxidů železa obsažených v rudě (tj. redukce oxidem uhelnatým ze spalin).

Fe₂O₃ + 3 CO → 3 CO₂ + 2 Fe

V nižších pásmech pece dále stoupá teplota a dochází zde při teplotách mezi 1 000 a 2 000 °C jak k přímé redukci ještě neredukovaných oxidů železa z již těstovitého až tekutého kovu uhlíkem, tak i k nauhličování taveniny. V surovém železe se obsah uhlíku pohybuje v rozmezí 3,5 až 4,5 % (sloučeniny železa s uhlíkem se dělí podle množství uhlíku a teploty, při které vznikají: např. austenit, cementit, perlit, ledeburit, ferit), viz diagram Fe-C

Přímá redukce:

Fe₃O₄ + 4 C → 3 Fe + 4 CO

Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO

FeO + C → Fe + CO

Nepřímá redukce:

3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Roztavené železo a struska se shromažďují na dně pece v nístěji. Odpichovým otvorem proudí roztavené železo do pánví, pánvových vagonů nebo je odléváno do forem na tzv. housky. Struska bývá přímo na místě granulována a připravena k dalšímu zpracování.

Vysokopecní provozy jsou zpravidla součástí integrovaných hutních závodů a tekuté surové železo je ihned přímo dopravováno do oceláren a dále zpracováno na ocel.

Vysoké pece v Česku

V minulosti bylo v Česku poměrně velké množství vysokých pecí, ale jejich počet se postupně snižoval. V současnosti jsou v provozu pouze vysoké pece v Třineckých železárnách a v ostravské Nové huti.

V roce 1998 byl zastaven provoz poslední vysoké pece ve Vítkovických železárnách. Zdejší vysoké pece však nebyly zbourány a společně s bývalou koksovnou a bývalým dolem Hlubina je celý areál jednou z historických dominant Ostravy. Celý tento areál byl prohlášen za národní kulturní památku.

Externí odkazy

• Stahlseite – vyobrazení a dobrý text k výrobě železa a oceli, německy
• Stahl4you – mnoho informací o výrobě železa a oceli, německy
• Viktor Mácha - fotografická dokumentace evropského těžkého průmyslu, česky/anglicky

Obrázky, zvuky či videa k tématu vysoká pec na Wikimedia Commons