Masugn – vad är en masugn och hur framställs järn?
Masugn: lär dig hur järn framställs från malm i höga ugnar — reduktion med kol, smältprocessen och produktion av tackjärn i enkel och tydlig förklaring.
En masugn är en speciell typ av ugn för att smälta järn från malm. Masugnar är mycket stora. De kan vara upp till 60 meter höga och 15 meter i diameter. Masugnen är den största kemiska reaktorn. Masugnar kallas också för höga ugnar.
En masugn byggs vanligtvis med en stålhölje och tegelstenar av magnesiumoxid eller annat eldfast material inuti höljet. Den heta ugnen kan inte smälta dessa tegelstenar. Ugnen kyls med vatten som rinner in i en del av höljet och tegelstenarna.
Det är en enkel process att framställa järn. Järnmalm är i grunden järnoxid. Järn framställs genom att syre avlägsnas. Då återstår råjärn som kallas tackjärn. Denna process där syre avlägsnas kallas smältning. Kol används i reduktionsprocessen och malmen värms upp till hög temperatur. Kolet tar lätt bort syret från malmen vid höga temperaturer.
Hur fungerar masugnen i praktiken?
Masugnen matas uppifrån i skikt med tre huvudråvaror: järnmalm (i form av krossad malm eller pellets), koks (framställt från kol) och släcksten eller kalksten som flussmedel. Genom öppningar nära botten blåses het luft in via tuyerer (blåsmunstycken). Den heta luften får koks att förbrännas och bilda kolmonoxid (CO), som i sin tur reducerar järnoxiderna till flytande järn.
- Övre delen (skorstenen) fungerar som inmatnings- och förvärmningszon där stoft och gas rör sig uppåt och malmen värms.
- Mitten (bosh) är där de flesta kemiska reaktionerna sker och temperaturen stiger kraftigt.
- Nedre delen (härden) är där det smälta järnet samlas innan det tappas ut.
Förenklade kemiska reaktioner som beskriver processen är till exempel:
- Kol förbränns och bildar kolmonoxid: C + O2 → CO2 (och vidare bildning av CO under vissa förhållanden)
- Kolmonoxid reducerar järnoxid till järn: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Temperaturerna i masugnen kan nå omkring 1 500 °C i härden, vilket gör att järnet smälter och samlas i botten.
Råjärn, slagg och vidare förädling
Det smälta järnet som tappas ur masugnen kallas tackjärn eller råjärn. Samtidigt bildas en porös restprodukt, slagg, som består av silikater och andra oxider från malm och flussmedel. Slaggen avskiljs och kan användas till vägbeläggning eller som byggmaterial efter bearbetning.
Råjärnet är rikt på kol och andra föroreningar. För att framställa stål överförs det vanligtvis till en konverter (t.ex. en Basic Oxygen Furnace) där en stor del av kolet och andra oönskade ämnen avlägsnas. Alternativt kan järn framställas med mindre masugnsanvändning genom återvinning i electric arc furnaces (EAF) eller via direktreduktion (DRI) av järnmalm.
Masugnar och miljö
Masugnsprocessen är energiintensiv och ger upphov till betydande utsläpp av koldioxid (CO2) eftersom kol används både som bränsle och reduktionsmedel. Moderna järn- och stålverk arbetar med åtgärder för att minska miljöpåverkan:
- Återvinning av masugnsgas för energiproduktion i verket.
- Gasrening för att ta bort stoft, svavel och andra föroreningar.
- Övergång till alternativa reduktionsmetoder som DRI (direktreduktion) och ökad användning av skrot i EAF.
- Forskning kring koldioxidinfångning (CCS) och användning av vätgas som reduktionsmedel för att kraftigt minska CO2-utsläpp.
Sammanfattning
En masugn är kärnan i traditionell järnframställning: en stor kemisk reaktor där järnmalm reduceras med kol vid mycket höga temperaturer till flytande råjärn. Processen kräver avancerad konstruktion (eldfasta material och kylsystem), genererar slagg som biprodukt och står för en betydande del av stålindustrins utsläpp. Samtidigt pågår teknikutveckling för att göra järn- och stålproduktionen renare och mer resurssnål.
Schema för masugn1 . Heta vindar ("vind") från Cowper-ugnarna 2. Smältzon (bosh) 3. Reduktionszon för järnoxid (barrel) 4. Reduktionszon för järnoxid (skorsten) 5. Förvärmningszon (hals) 6. Matning av malm, kalksten och koks7 . Avgaser8 . Kolonn av malm, koks och kalksten9 . Avlägsnande av slagg10 . Tappning av smält råjärn11 . Uppsamling av rökgaser
Process
Ore, kalksten och kol i form av koks läggs i lager ovanpå masugnen. Samtidigt blåses varm luft, kallad "vind", in i ugnen. Speciella munstycken som kallas "tuyeres" används för att föra in luften i ugnen. Munstyckena finns i botten av ugnen. Denna process kallas "blåsning". Det är därför som den kallas för masugn. Koken antänds och brinner. Detta skapar kolmonoxid eftersom det inte finns tillräckligt med syre för att skapa koldioxid. Kolmonoxiden reducerar sedan metalloxiden till metall och bildar koldioxid. Denna process används för att göra järn. Kalkstenen bildar ett ämne som kallas slagg tillsammans med järnmalmens sten.
Den nedre delen av ugnen kallas härden. När den har fyllts med flytande tackjärn och slagg avlägsnas slaggen. Detta kallas för skumning. Slagg är lättare än järn och blandas inte med järn. Den flyter ovanpå järnet. Ett hål görs i härden i nivå med slaggen med en speciell borrmaskin. Den flytande slaggen rinner ut genom hålet i en behållare som kallas slaggkärl. Järnet töms sedan från härden. Detta kallas tappning. Ett hål görs i botten och det flytande tackjärnet kommer ut. Det används antingen direkt för ståltillverkning, läggs i en särskild järnvägsvagn som kallas torpedovagn eller görs till formar. När allt tackjärn har avlägsnats används eldfast lera för att stänga de två hålen. Leran blir fast mycket snabbt på grund av den höga värmen.
Råjärnet innehåller cirka 4 % kol och skulle vara för hårt och sprött för att användas. Det extra kolet måste först brännas bort. Råjärnet förädlas till stål genom att avkarburera (bränna bort det extra kolet). En modern metod för att avkolna tackjärn och förädla det till stål är en grundläggande syreugn. Historiskt sett har det också funnits andra metoder, t.ex. Bessemerkonverter, öppen härd och puddlingugn.
Gaserna stiger upp och samlas upp på toppen av ugnen. Eftersom gasen innehåller mycket kolmonoxid är den ett värdefullt bränsle. Gasen som samlas upp på toppen av masugnen kallas masugnsgas. Den tvättas och torkas sedan och alla fasta partiklar som sot eller malmstoft samlas upp. Gasen förbränns sedan i särskilda ugnar som kallas Cowper-ugnar eller heta masugnar till koldioxid. Värmen från förbränningen av masugnsgasen används sedan för att förvärma sprängluften, "vinden", som i sin tur sprutas in i själva masugnen.
Slaggen är inte avfall. Den kan användas på olika sätt. Den kan göras till tegelstenar och användas i byggandet eller blandas med betong. Betong som innehåller masugnsslagg är starkare än vanlig betong och är nästan rent vit, där vanlig betong är smutsigt grå.
En masugn kan vanligtvis arbeta i 10-20 år utan att stanna. Detta kallas en "kampanj".
Kemiskt exempel
Vid en temperatur på 900-1600 °C sker en reduktion med kol:
| 1. | 3 {\displaystyle 3} | Fe2O3{\displaystyle Fe_{2}O_{3}} | ⟶ {\displaystyle \longrightarrow } | 2 {\displaystyle 2} | Fe3O4{\displaystyle Fe_{3}O_{4}} |
| 2. | F e 3 O 4 + C {\displaystyle Fe_{3}O_{4}+C} | ⟶ {\displaystyle \longrightarrow } | 3 {\displaystyle 3} | FeO{\displaystyle FeO} | |
| 3. | F e O + C {\displaystyle FeO+C} | ⟶ {\displaystyle \longrightarrow } | Fe{\displaystyle Fe} |
Nu har man gjort järn.
Frågor och svar
F: Vad är en masugn?
A: En masugn är en stor ugn som används för att smälta järn från malm.
F: Hur stora kan masugnar vara?
S: Masugnar kan vara upp till 60 meter höga och 15 meter i diameter.
F: Vad är ett annat namn på en masugn?
S: Masugnar kallas också för högugnar.
F: Vilka material tillverkas masugnar av?
S: Masugnar byggs vanligen med en stålhölje och tegelstenar av magnesiumoxid eller andra eldfasta material.
F: Hur kyls masugnen?
S: Masugnen kyls med vatten som rinner in i en del av höljet och tegelstenarna.
F: Hur går smältningsprocessen till och hur tillverkas järn?
S: Järn framställs genom smältning, vilket innebär att syre avlägsnas från järnmalmen. Kol används i reduktionsprocessen, där malmen värms upp till en hög temperatur. Detta ger råjärn som kallas tackjärn.
F: Vilken roll spelar kolet i reduktionsprocessen för att framställa järn?
S: Kolet tar lätt bort syret från malmen vid höga temperaturer.
Sök