Odrobina hutniczej historii

Rozgrzane piece, przelewająca się gorąca stal, skomplikowane procesy technologiczne. Hutnictwo to niezwykle ważna gałąź przemysłu. Zwłaszcza hutnictwo stali, której skalę produkcji na jednego mieszkańca do połowy ubiegłego wieku traktowano jako wyznacznik rozwoju gospodarczego i uprzemysłowienia państw. Polska ma spore tradycje hutnicze. Najstarsze znane stanowiska hutnicze datowane są na okres starożytności. Nazywane są kompleksem dymarek świętokrzyskich. W Rzeczypospolitej Obojga Narodów największe skupisko hut znajdowało się Zagłębiu staropolskim (okolice Skarżyska Kamiennej, Końskich, Kielc i Ostrowca Świętokrzyskiego) o czym zadecydowała obfita obecność rud żelaza na tym terenie. Ogromny rozwój hutnictwa nastąpił po II wojnie światowej. Łącznie w Polsce działało nawet 40 różnego rodzaju hut. Obecnie została niespełna połowa. Wśród nich najstarsza jest nieprzerwanie działająca na obecnych terenach naszego kraju huta Małapanew w Ozimku, która rozpoczęła pracę w 1754 r. Tyle tytułem wstępu do historii.

Wielki piec

Sercem huty, w której prowadzony jest wytop żelaza, jest wielki piec. Służy on do wytapiania surówki ze wsadu składającego się z rudy żelaza (bądź złomu żelaznego) z dodatkami – koksem i topnikami. Wielki piec ma gruszkowaty kształt dwóch stożków ściętych złączonych podstawami. Cała konstrukcja ma około 40 – 50 metrów wysokości, a z osprzętem jego wysokość sięga 90 – 100 m. Wsad zasypuje się od góry, przez zamykany otwór zwany gardzielą. Część pieca tworzona przez górny stożek nazywa się szybem i jest zasobnikiem surowca. Z reguły do rozgrzania wsadu piecowego wykorzystywany jest koks, choć niektóre piece rozgrzewane są za pomocą łuku elektrycznego tworzonego z gigantycznych elektrod. Niemniej jednak w obecnych warunkach technologicznych około 72% stali wytapia się w procesie wielkopiecowym ze zużyciem koksu wyprodukowanego z węgla koksowego, takiego jaki wydobywany jest w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej i który z tego powodu został uznany przez Unię Europejską za surowiec o strategicznym znaczeniu. Tylko 28% stali wytapia się w elektrycznych piecach łukowych ze zużyciem złomu stalowego.

Jak przebiega proces produkcji żelaza i stali?

Niewiele osób wie, jak dokładnie wygląda produkcja żelaza i pochodzącej z niego stali w wielkim piecu. Przez górny otwór wielkiego pieca, tzw. gardziel, podawane są rudy żelaza, topniki i koks. Ten ostatni jest nie tylko paliwem, wytwarzającym ciepło niezbędne do odpowiedniego nagrzania materiałów wsadowych, ale również reduktorem związków zawartych w rudzie żelaza, takich jak magnetyt, hematyt, limonit, piryt i syderyt. Koks zapewnia również materiałom wsadowym odpowiednią przepuszczalność gazów w różnych partiach wielkiego pieca. Ponadto nawęgla on surówkę.

Z kolei topniki przyspieszają i ułatwiają proces przetopu złoża rudy, łącząc się ze skałą płonną, tworzą żużel wielkopiecowy. W dolnej części wielkiego pieca, tzw. garze, znajdują się otwory, przez które okresowo spuszcza się ciekłą surówkę i żużel. Górną częścią pieca wydostaje się gaz wielkopiecowy, zawierający składniki palne. Gaz ten spalany w nagrzewnicach, wykorzystywany jest do podgrzewania powietrza, które następnie wdmuchiwane jest do wielkiego pieca podnosząc efektywność procesu wytopu żelaza.

Aby wytopić żelazo z bogatej w tlenki żelaza skały, potrzebna jest temperatura powyżej 1600 stopni Celsjusza. Stąd też wielkie piece hutnicze wyłożone są ognioodporną cegłą. Przy czym temperatura nie jest jednolita w całym piecu. Zasada jest prosta: czym niższa część pieca, tym goręcej. W gardzieli wielkiego pieca temperatura wynosi maksymalnie 200 stopni C. Trzy metry poniżej gardzieli temperatura wynosi już 500 – 600°C. W tych warunkach zostaje usuwana woda chemicznie związana (krystaliczna) i części lotne materiałów opałowych. W większych kawałkach rud ilastych lub gliniastych ślady wody zanikają dopiero przy temperaturze około 800 stopni C. Przy temperaturze 100 – 900°C następuje rozkład węglanów – głównie wapienia, który dodawany jest do wsadu jako topnik w celu wytworzenia żużla ze skały płonnej rud i popiołu z koksu. Na poziomie dolnej części szybu temperatura wynosi już 800 stopni C, a w okolicy dysz osiąga temperaturę 1500 – 1700 stopni C. W temperaturze 1200 – 1300°C następuje topienie metalu, a przy 1300 – 1500 stopni C – żużlu. Płynny żużel jako lżejszy zbiera się nad surówką. Gdy surówka i żużel wypełnią gar, następuje spust surówki i żużlu.

Wielki piec pracuje w sposób ciągły, co oznacza, że jest opróżniany i załadowywany w regularnych odstępach czasu, a jego wydajność produkcyjna wynosi nawet kilka tysięcy ton surówki żelaza na dobę (w przypadku największych pieców). Gorąca surówka trafia do konwertora, w którym zachodzi proces usuwania niepożądanych domieszek poprzez ich utlenianie w wysokiej temperaturze, sięgającej 1000 stopni C. Następnie surówka jest transportowana z pieca do stalowni, gdzie przechodzi proces odsiarczania i oczyszczania tlenem. Po zakończeniu tego procesu otrzymuje się gotową, surową stal. Roztopiona stal jest odlewana do form chłodzących. Dzięki temu wystyga i przybiera określony kształt. Następnie, gdy jest jeszcze gorąca, jest z nich wyciągana. Po usunięciu z form przycina się ją na odpowiednie długości, a po całkowitym schłodzeniu, wysyła do wstępnej obróbki.

Bez koksu w hucie ani rusz

Kiedyś piece hutnicze ogrzewane były węglem drzewnym, niemniej do wytworzenia odpowiedniej temperatury potrzeba było ogromnej ilości tego surowca, toteż w XVIII w. zaczęto zamiast drewna stosować koks. Obecnie przyjmuje się, że do produkcji 1 tony żelaza w zasadowym piecu tlenowym potrzeba co najmniej 560 kg węgla koksowego, czyli około 400 kg koksu. Koks powstaje w wyniku procesu termicznego przerobu węgla, nazywanego procesem koksowania. Zawiera ponad ponad 95% czystego węgla i znacznie mniej zanieczyszczeń niż węgiel kamienny. Koksowanie polega na wysokotemperaturowym (ponad 1000 stopni C) odgazowaniu węgla kamiennego bez dostępu powietrza. Odbywa się w ceramicznych komorach, które usytuowane w rzędzie w ilości kilkudziesięciu sztuk i przylegające do siebie tworzą baterię koksowniczą. Można wyróżnić dwa systemy obsadzania komór koksowniczych mieszanką węglową: system zasypowy oraz system ubijany. Czas koksowania mieszanki wsadowej, w zależności od zastosowanej technologii, może wahać się w granicach od niecałych 16 do ponad 24 godzin. Wypychany z komór powstały gorący koks, w wyniku kontaktu z tlenem, zaczyna ulegać spalaniu. Aby ograniczyć straty koksu, poddawany on jest procesowi mokrego gaszenia za pomocą wody pod wieżą gaśniczą, lub też procesowi suchego chłodzenia w instalacji suchego chłodzenia koksu za pomocą gazu obojętnego.

Koks powstaje ze szczególnego węgla

Koks ma wyjątkową wartość opałową wynoszącą około 30 MJ/kg. W hutnictwie i metalurgii szczególne znacznie mają jednak także jego inne właściwości, przede wszystkim wysoka zawartość czystego węgla i małe zanieczyszczenie, co ma ogromne znaczenie ze względu na to, że koks w hucie jest nie tylko paliwem, ale przede wszystkim redukcyjnym odczynnikiem, który – jak to opisaliśmy powyżej – bierze udział w chemicznych reakcjach przemiany surowej rudy w żelazo.

Podstawowym surowcem wykorzystywanym w procesie koksowania są rozdrobnione, szczególne typy węgla kamiennego, charakteryzujące się odpowiednią zdolnością spiekania. Ze względu na swoje właściwości nie nadają się do gospodarstw domowych ani ciepłownictwa. Są to węgle koksowe typu 34 i 35, dokładnie takie, jakie wydobywane są w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej. Takie jakie zostały wpisane przez Komisję Europejską na listę surowców strategicznych.

(RT)