Domna is een oven voor het smelten van ijzer

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Voor het smelten van ijzer in de moderne metallurgische industrie wordt een hoogoven gebruikt. Dit is een oven van het schachttype, die niet erg ingewikkeld is, maar er wel indrukwekkend uitziet. Om de productie van ijzer tot in de perfectie te brengen, moest de mensheid eeuwen aan ervaring opdoen.

Verklaart gedeeltelijk wat een hoogoven is, de Oudslavische wortel van zijn naam. "Dmit" betekent blazen.

Voorouders van hoogovens - shukofen

In de middeleeuwen hadden mensen verschillende metalen nodig. Wapens en gereedschappen waren gemaakt van staal, flexibel en hard, en gewoon ijzer werd gebruikt voor huishoudelijk gebruiksvoorwerpen. Kaashoogovens worden al heel lang, millennia lang, gebruikt om het gewenste metaal te verkrijgen en ze voldeden volledig aan de behoeften totdat de reserves aan laagsmeltende ertsen waren uitgeput. Een hoge temperatuur werd bereikt door de hoogte te vergroten (zo nam de stuwkracht toe), ook werd de lucht met handbalgen opgepompt. Na verloop van tijd moesten Europeanen echter overschakelen op grondstoffen van mindere kwaliteit, wat een stimulans voor vooruitgang was. Shtukofen werd de uitvinding waarna de eerste hoogoven verscheen. Het was een oven van het gesloten type, die werkte volgens:bepaalde cyclus. Het was noodzakelijk om erts, kolen erin te laden, daarna vond verwarming met blazen plaats (er was niet genoeg handmatige inspanning, dus er werd een aandrijving van waterwielen gebruikt), waarna het nodig was om te wachten op afkoeling en het metaal te extraheren, scheiden het van kalkaanslag en andere ongeschikte bijproducten die kritz worden genoemd. Het belangrijkste voordeel van shtukofen was de beste concentratie van thermische energie vanwege het gesloten volume tijdens de werkcyclus, als gevolg van een afname van de lekkage in de atmosfeer.

Gietijzeren beschaving

Het grootste probleem van middeleeuwse metaalbewerkers in de dertiende eeuw was de onsmeltbaarheid van ijzer. Toen gietijzer (dat wil zeggen een ijzer-koolstoflegering met een koolstofconcentratie van 1,7% en hoger) werd verkregen in shtukofen, waren ze verrast door het lage smeltpunt, maar ze waren niet blij. Het resulterende metaal was gemakkelijker te verkrijgen dan staal, en nog meer ijzer, maar de mechanische eigenschappen ervan lieten vanuit het oogpunt van de toenmalige consumenten veel te wensen over: het was te kwetsbaar en niet sterk genoeg. In slechts twee eeuwen is de houding ten opzichte van gietijzer echter veranderd. Ten eerste bleek het eenvoudig om het uit de oven te halen, het kon gewoon in gesmolten vorm worden afgevoerd. Ten tweede heeft dit metaal toch zijn toepassing gevonden en is het zeer divers. En ten derde was het een grondstof voor verdere zuivering van overtollige koolstof, en het bleek veel gemakkelijker om er staal uit te halen dan uit erts. Dus, na eeuwen van experimenten, werd de meest productieve metallurgische technologie gevonden en werd een hoogoven uitgevonden. Oven in de Westfaalse stad Siegerland (tweede helft 15eeeuw) meerdere jaren met een continue cyclus kunnen werken en dagelijks meer dan anderhalve ton ruwijzer produceren. Het was toen veel.

Een hoogoven bouwen

Alleen door dicht bij deze gigantische oven te zijn, kun je begrijpen hoe groot de moderne hoogoven is. Foto's geven alleen een idee van haar cyclopische grootte als ze een persoon tonen die zo klein lijkt als een mier. Ondanks het indrukwekkende uiterlijk bleef het werkingsprincipe echter hetzelfde, middeleeuws. Het ontwerp omvat vijf hoofdknooppunten. De bovenste, de bovenkant, is ontworpen om grondstoffen te laden en gelijkmatig in de oven te verdelen. Daaronder bevindt zich een deel van de conische vorm waarin verwarming en het reductieproces plaatsvinden (daarover later meer). De derde eenheid van boven heet stoom, waarbij ijzer wordt gesmolten. Dan een ander conisch deel, dit keer taps toelopend naar beneden, zijn de schouders, waarin koolmonoxide (reducerend gas) vrijkomt uit de cokes. En helemaal onderaan is een smederij waaruit het eindproduct en het productieafval worden gewonnen.

Proceschemie

Chemische processen zijn oxidatief en reductief. De eerste betekent verbinding met zuurstof, de tweede, integendeel, de afstoting ervan. Erts is een oxide en om ijzer te verkrijgen is een bepaald reagens nodig dat extra atomen kan “selecteren”. De belangrijkste rol in dit proces wordt gespeeld door cokes, die tijdens de verbranding een grote hoeveelheid warmte en koolstofdioxide vrijgeeft, die bij hoge temperatuur ontleedt in monoxide, chemischactieve en onstabiele stof. CO heeft de neiging om weer dioxide te worden, en als het in contact komt met ertsmoleculen (Fe₂O_{3), "neemt" alle zuurstof van hen weg, waardoor alleen ijzer. Er zijn natuurlijk andere stoffen in de grondstoffen, onnodig, die een afvalproduct vormen dat slakken wordt genoemd. Zo werkt een hoogoven. Dit is, vanuit het oogpunt van chemie, een vrij eenvoudige reductiereactie, die gepaard gaat met het verbruik van warmte.}

Hoe ziet een moderne hoogoven eruit?

De levensduur van een hoogoven is relatief kort voor een faciliteit van deze omvang - ongeveer tien jaar. Gedurende deze tijd wordt de constructie onderworpen aan zware belastingen, verergerd door thermische verwarming, waarna een grote revisie of sloop nodig is. IJzerproductie kan niet onschadelijk worden genoemd, het wordt geassocieerd met de uitstoot van fosfor, zwavel en andere niet erg nuttige stoffen in de atmosfeer. Al met al moedigen deze omstandigheden veel landen aan om de metallurgische productie in te perken of te moderniseren (vooral als de industrie basis- en budgetvormend is). Een moderne hoogoven is in principe een vrij eenvoudig systeem, dat echter een complex regelschema vereist met talrijke regelkringen die zorgen voor het meest efficiënte verbruik van grondstoffen en energiebronnen.