A Varm sprengningsovn er en jernfremstillingsmasovn forsynt med luft som har blitt forvarmet - typisk til 900–1300 °C - før den blåses inn i ovnen gjennom dyser kalt tuyeres, i stedet for å bli matet med romtemperatur ("kaldblåst") luft. Selve forvarmingen skjer i et separat utstyr som kalles en hot blast komfyr (også kjent som en Cowper komfyr), og den resulterende oppvarmede luften er det som kalles "hot blast". Nesten alle masovner som opererer i dag bruker dette systemet, fordi forvarmet luft reduserer drivstofforbruket dramatisk og øker ytelsen sammenlignet med kaldmasovnene som ble brukt før 1830-tallet.
Skillet er viktig fordi varm eksplosjon ikke bare er en liten tweak - det er en av de håndfull innovasjoner som gjorde storskala, koksdrevet jernfremstilling økonomisk levedyktig i utgangspunktet. Masovner matet med luft forvarmet til 900–1 250 °C kan generere smeltetemperaturer på rundt 1 650 °C, noe som reduserer forbruket av koks per tonn produsert jern betydelig. Å forstå hvordan det varme massystemet fungerer - og hvorfor temperaturen i den luften betyr så mye - er nøkkelen til å forstå moderne masovnseffektivitet.
Det varme masovnssystemet er bygget rundt to sammenkoblede utstyrsdeler som jobber sammen: selve masovnen, der smeltereaksjonen skjer, og den(e) varme masovnen(e), hvor luften varmes opp før den noen gang når ovnen.
Ovnen er i hovedsak et vertikalt sylindrisk stålskall foret med ildstein, med interiøret delt i to kamre: et forbrenningskammer, hvor gasser fra masovnen og andre brenselkilder brennes, og et regenerativt kammer fylt med et sjakkverk av ildfast murstein oppvarmet av den brente gassen. Disse ildfaste "ruteklossene" er varmelagringsmediet - de suger opp varme under forbrenning og frigjør den senere når frisk luft presses gjennom dem.
En varm eksplosjonsovn går ikke kontinuerlig i én modus – den veksler mellom to faser. I løpet av pågassperioden (fyringsperioden) forbrennes drivstoffgass for å varme opp den termiske lagringen av brikkestein; i løpet av sprengningsperioden varmes luft opp ved å strømme den gjennom det termiske lageret. I løpet av utslippsperioden blir frisk luft drevet av en vifte ved forhøyet trykk over de oppvarmede mursteinene, og etter å ha blitt varmet opp til så mye som 1200 °C, blir denne luften – nå kalt varmblåsing – matet inn i bunnen av masovnen for smelting av jernmalm.
Fordi én ovn ikke kan varme opp gass og luft samtidig, betjenes de fleste masovner av tre ovner: mens to varmes opp, passerer luftblåsingen gjennom regenerasjonskammeret til den tredje ovnen på vei inn i masovnen. Denne rotasjonen er det som gjør at masovnen kan motta en kontinuerlig, uavbrutt tilførsel av varm luft døgnet rundt.
Den oppvarmede luften går fra ovnen til ovnen via et travle rør, som distribuerer den til varmblåsningsdysene, eller tuyerene, montert rundt bunnen av ovnen. Fordi varmblåsingstemperaturen må holdes konstant for god ovnseffektivitet, og temperaturen naturlig faller når en ovn kjøles ned, blandes den varme blåsingen med en kontrollert andel kaldblåsing i et blandekammer for å holde leveringstemperaturen stabil selv om den lagrede varme fra den enkelte ovnen blir brukt opp.
Hot blast er ikke en moderne oppfinnelse – den dateres til tidlig på 1800-tallet og representerer et av de sentrale gjennombruddene i industriell jernfremstillingshistorie. Fram til 1820-årene ble kald luft faktisk antatt å produsere jern av bedre kvalitet enn varm luft, hovedsakelig fordi den reduserte fuktigheten i kjølig vinterluft ble sett på som gunstig.
Hot blast ble oppfunnet og patentert for jernovner av James Beaumont Neilson i 1828 ved Wilsontown Ironworks i Skottland. Neilson fant ut at ved å øke sprengningstemperaturen til bare 300 °F (149 °C), kunne han redusere drivstofforbruket fra 8,06 tonn kull til 5,16 tonn per tonn produsert jern, med ytterligere reduksjoner som kan oppnås ved høyere temperaturer. Resultatene var dramatiske og raskt verifiserbare i skala: dokumenterte tall fra Clyde Iron Works mellom 1829 og 1833 viser kaldblåst kokssmelting brukte 8,2 tonn kull per tonn jern og produserte 37,5 tonn råjern per ovn per uke, mens varmblåsing med koks kuttet kullbruken til 5,3 tonn og økte produksjonen til 54 tonn.
Neilsons originale utstyr hadde reelle begrensninger. Støpejernsrørene støttet i en murovn hadde forskjellige ekspansjonsegenskaper, noe som resulterte i flere sprukne rør, og leveringsutstyret brukte solide tuyeres og fleksible lærskjøter som ikke tålte de høye temperaturene. Det var ikke før i 1860 at engelskmannen Edward Alfred Cowper oppfant den første vellykkede hot-blast ovnen - den regenerative, rutete murstein design som, i raffinert form, fortsatt er industristandarden i dag. Den raske adopsjonen som fulgte var slående: varm eksplosjon var i generell bruk i hele Storbritannia i 1835, bare syv år etter Neilsons opprinnelige oppdagelse.
| Type ovn | Kull brukt per tonn jern | Råjernproduksjon per uke |
|---|---|---|
| Kaldblåsing med cola | 8,2 tonn | 37,5 tonn |
| Varm blast med cola | 5,3 tonn | 54,9 tonn |
| Varm sprengning med kull | 3,0 tonn | 62,2 tonn |
Kjernegrunnen til at varm sprengning fungerer er enkel termodynamikk: kald luft som kommer inn i en ovn må varmes opp ved å brenne brensel inne i ovnen før den kan gjøre noe nyttig, noe som sløser koks på å bare øke temperaturen på den innkommende luften. Ved å forvarme luftblåsingen før den går inn i ovnen, øker varmetilførselen i form av fornuftig varme som direkte reduserer koksmengden.
Moderne forskning bekrefter at forholdet holder i en svært forutsigbar hastighet. For hver 100°C økning i varm utløpslufttemperatur kan koksforholdet i masovnen reduseres med 4–7 %, produksjonen kan økes med 3–5 %, og kullinjeksjonskapasiteten øker tilsvarende. Et eget industriestimat setter det i absolutte termer: hver 10°C økning i varmblåsingstemperaturen ved røret reduserer masovnskokshastigheten med omtrent 4 til 6 kg per tonn varmt metall.
Dette er også grunnen til at varmblåsing har blitt viktig i stedet for valgfritt ettersom ovnsteknologien har avansert. Blastforvarming på rundt 1200°C anses nå som viktig når pulverisert kull injiseres gjennom dysene, fordi varmluftsblåsing sikrer raskere oppvarming, pyrolyse av kullet og forbrenning av de resulterende gassformige produktene.
Ikke alle varmeblåsovner er bygget på samme måte. I henhold til de forskjellige utformingene og strukturene til forbrenningskammeret og regeneratoren, er varmeblåstovner generelt delt inn i tre grunnleggende strukturelle former: intern forbrenning, ekstern forbrenning og toppforbrenning. Valget mellom dem er i stor grad et spørsmål om hvor mye gulvplass som er tilgjengelig, og hvilken topptemperatur for varmblåsing operasjonen er rettet mot.
I en forbrenningskonstruksjon består ovnen av en sylindrisk ildfast vegg med en innvendig vertikal skillevegg som deler det enkle skallet i et brennkammer og et rutekammer som inneholder ruteklossene. Dette er den mer kompakte, tradisjonelle layouten, men den kommer med en strukturell begrensning: det indre forbrenningskammerdesignet med en skillevegg har et kjent svakt punkt i hjørnene av forbrenningskammeret.
Eksterne forbrenningsovner er sammensatt av et separat kontrollkammer og brennkammer, forbundet med en crossover i stedet for en delt innvendig vegg. Å separere de to kamrene i distinkte skall fjerner hjørnestressets svake punkt i den interne designen og støtter generelt høyere topptemperaturer.
En nyere kategori av ovner har ikke noe forbrenningskammer i konvensjonell forstand i det hele tatt - disse er kjent som kuppelforbrenningsovner, sjaktløse ovner eller Kalugin-ovner. Totalt sett har teknologi for varmblåsing, spesielt designet og kvaliteten på dens ildfaste materialer, gjennomgått store forbedringer de siste årene, og nådd et modenhetsnivå som sikrer en kampanjelevetid på over 30 år for en godt bygget ovn.
Fordi ulike soner i ovnen opplever svært forskjellige temperaturer, kan ingen enkelt ildfast murstein brukes hele veien. Materialvalg er lagdelt etter hvor varmt hver del av brikkekammeret faktisk blir.
Denne lagdelte tilnærmingen – matching av ildfast karakter til den faktiske varmen hver sone opplever – er det som gjør at en enkelt komfyr trygt kan håndtere en temperaturgradient som spenner over hundrevis av grader fra topp til bunn.
Varme masovner sparer enorme mengder koks, men de er i seg selv betydelige energiforbrukere - et faktum som ofte overses når man vurderer den totale masovnens effektivitet. Mengden masovnsgass som kreves av ovnene utgjør ca. 40 % av total masovnsgassproduksjon, og ovnens energiforbruk kan nå 25 % av anleggets totale energiforbruk.
På en per tonn basis er tallene like talende: basert på data fra seks effektive masovnsystemer over hele verden, er det gjennomsnittlige totale primærenergibehovet 1,8 GJ per tonn varmt metall for de varme masovnene, mot 11,6 GJ per tonn for selve masovnen. Dette betyr at komfyrsystemet, selv om det er mindre i absolutte energitermer enn ovnen, fortsatt representerer en meningsfull og kontrollerbar andel av den totale energibruken i anlegget – og en hvor effektivitetsgevinster oversettes direkte til koksbesparelser.
Praktiske forbedringer ved driftsanlegg har vist dette i reelle tall snarere enn teori. Dokumenterte resultater fra optimalisering av komfyr-batterier hos amerikanske integrerte stålprodusenter inkluderer reduksjoner i ovnens drivstoffhastighet på 8 til 15 kg per tonn varmt metall og temperaturøkninger på 15 °C til 30 °C, noe som gir en reduksjon av kokshastigheten på omtrent 6 til 12 kg per tonn varmt metall.
For alle som bruker eller evaluerer et varmt masovnssystem, bestemmer en håndfull parametere konsekvent hvor godt ovnene yter og hvor effektiviteten oppnås eller tapes.
OEM/ODM Produsenter av høyytelses forbrennings- og termisk utstyr
