mini|desno|250px|Visoka peć u mjestu Sestao, Španjolska. mini|desno|250px|Proizvodnja spužvastog željeza u plitkom ognjištu (Srednji vijek). mini|desno|250px|Prikaz prve visoke peći u Njemačkoj, koja je radila između 1150. i 1350.
Visoka peć je vrsta peći koja služi u procesu dobivanja željeza iz oksidnih ruda željeza (hematita, Fe2O3 ili magnetita, Fe3O4). Koks, vapnenac i ruda ubacuju se kroz vrh peći. Vrući zrak uvodi se na dnu peći i pali koks, čime se održava visoka temperatura u peći. Reakcijom između zraka i koksa razvija se ugljikov monoksid koji reducira željezov oksid:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Temperatura u peći je tolika da se rastaljeno željezo skuplja u bazi peći. Proizvodnja željeza u visokoj peći je kontinuirani proces. Sirovine se kontinuirano ubacuju kroz vrh peći, a sirovo željezo i troska se vade s dna. Visoka peć može raditi i do deset godina prije nego što joj se vatrostalni ozid istroši.
Povijest
Povijest metalurgije željeza započinje još u prapovijesno doba, ali ne zna se je li prvo željezo proizvedeno slučajno, kad je prapovijesni čovjek naložio vatru na ležištu čiste željezne rude ili je koristeći se već stečenim iskustvom u topljenju bakrene rude primijenio isti postupak na željeznu rudu. Taj postupak je bio prilično jednostavan: u plitkom ognjištu se željezna ruda pokrila drvenim ugljenom, koji se zatim zapalio, pa je ispod vatre nastala gnjecava i spužvasta željezna masa (spužvasto željezo). Da bi se iz spužvastog željeza dobilo tehničko željezo ili čelik ovisilo je prije svega o kvaliteti željezne rude.
Kinezi su razvili snažne mijehove za upuhivanje zraka u peć za taljenje rude (ubacivanje velikih količina zraka u peć pomoću naročitih sapnica izumljeno je na Zapadu tek u 15. stoljeću; tako je nastala visoka peć). Što je još važnije, Kinezi su povećavši dimenzije peći i bitno povećavši količinu drvenog ugljena kao izvora topline, osim temperature, povisili i koncentraciju ugljikovog monoksida unutar peći. To je pospješilo difuziju ugljika u željezo, čime se opet znatno snizilo talište šarže. (Kod eutektičkog sastava, koji sadrži 4,3 % ugljika, ono se snizuje na 1148 °C.) Konačan rezultat novih tehnoloških mjera bio je da se rastaljeno željezo, s visokim sadržajem ugljika, moglo lijevati poput bronce. Danas se takvo željezo izliveno izravno iz peći naziva sirovim željezom.
Dobivanje željeza mini|desno|250px|Rad u blizini visoke peći Třinec. mini|desno|250px|Sirovo željezo je zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljika, jako krhko i neprikladno za obradu ili primjenu. Za dobivanje željeza danas se uglavnom koriste oksidne, a rjeđe karbonatne rude. Crvena željezna ruda sadrži mineral hematit. Druge rude sadrže mineral magnetit, koji je crne boje i magnetičan. Željezo rijetko nalazimo u elementarnom obliku koji se nalazi u okolici vulkana i u meteorima. Velike količine željeza korištene od željeznog doba, u prvom tisućljeću prije Krista, dobivene su taljenjem željeznih minerala, kao što je hematit.
Iz oksidnih ruda željezo se dobiva redukcijom ruda koksom, odnosno ugljikovim(II) oksidom (ugljikov monoksid) u visokim pećima. Iz ruda koje su siromašne željezom (npr. limonita), željezo se dobiva tzv. kiselim taljenjem i Kruppovim postupkom.
Dobivanje željeza u visokim pećima Kroz gornji otvor visoke peći (grotlo), peć se naizmjenično puni slojevima koksa i rude s talioničkim dodacima. Ovisno o rudi, talionički dodatak je vapnenac ili dolomit (ako su rude kisele, jer jalovine sadrže silikate i aluminijev oksid) ili kvarcni pijesak (ako su rude alkaline, jer jalovine sadrže kalcijev oksid). Najdonji sloj koksa se zapali, a dovodi mu se vruć zrak (do 800 °C) obogaćen kisikom. Pritom koks izgara dajući najprije CO2, a zatim prolaskom kroz sljedeći sloj koksa prelazi u CO:
2 C + O2 → 2 CO
Nastali ugljikov(II) oksid (ugljikov monoksid) glavno je redukcijsko sredstvo koje postupno, ovisno o temperaturi pojedinih zona peći, sve više reducira okside željeza, dok konačno ne nastane tzv. spužvasto željezo, a sve reakcije se sumarno mogu svesti na:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Reakcijama oslobođeni CO2 (koji nastaje raspadom karbonata) reagira s ugrijanim koksom dajući ponovo CO, koji se u manje vrućim dijelovima peći raspada na CO2 i fino disperzirani ugljik, koji se otapa u spužvastom željezu. Ugljik tako snizuje talište reduciranog željeza na 1100 – 1200 °C. Rastaljeno željezo se, zbog veće gustoće, slijeva polagano u donji dio peći i skuplja se na dnu odakle se ispušta u kalupe ili vagonete kojima se odvozi na daljnju preradu. Tekuća i lakša troska pliva na rastaljenom željezu i ispušta se kroz nešto više smješten ispust.
Proizvodi koji nastaju u visokoj peći su: Sirovo željezo. Polaganim hlađenjem dobiva se sivo sirovo željezo iz kojeg se izlučio grafit. Naglim hlađenjem dobiva se bijelo sirovo željezo iz kojeg se grafit nije stigao izlučiti. Međutim, sirovo željezo obično se ne hladi nego odmah prerađuje u čelike. Troska ili zgura, koja je uglavnom kalcijev alumosilikat, upotrebljava se za proizvodnju cementa i kao izolacijski materijal. Grotleni plin nastaje kao proizvod navedenih procesa gorenja, a sastoji se od dušika, ugljikovog dioksida, ugljikovog monoksida, vodika i metana. Koristi se za zagrijavanje zraka koji se upuhuje u peć. "Elementi u tragovima - željezo", Iz knjige: prof. dr. Roko Živković "Dijetoterapija", www.zzjzpgz.hr, 2011.
Sirovo željezo Sirovo željezo je zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljika, jako krhko i nepodesno za obradu ili primjenu. Može se koristiti samo za lijevanje najgrubljih masivnih predmeta (npr. postolja), koji nisu mehanički ili toplinski opterećeni. Da bi se dobilo kvalitetnije željezo ili čelik, sirovo se željezo prerađuje, što uključuje smanjenje sadržaja svih primjesa i podešavanje željenog sadržaja ugljika, koji bitno određuje kvalitetu čelika. Čelikom se smatra legura željeza od 0,05 do 2,06% ugljika. Pročišćeno sirovo željezo koje sadrži više od 1,7%, a manje od 2,5% ugljika obično zovemo lijevano željezo, a koristi se za izradu masivnijih željeznih odljevaka za razna postolja, nosače, kostrukcijsko i građevinsko željezo itd. Miješanjem sirovog željeza s talinom kvarcnog pijeska i pretaljivanjem te smjese u pećima obloženim Fe2O3, u talini se dobiva spužvasto, porozno željezo, u kojem prisutni Fe2O3 oksidira većinu primjesa. Dobiva se tzv. profilno željezo jer se direktno iz peći, pod tlakom koji istiskuje silikatnu masu s otopljenim primjesama, izvlače profilni proizvodi željeza (cijevi, tračnice, šipke itd.)."Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
Postrojenja visoke peći mini|desno|250px|Vagoni za prijevoz rude. mini|desno|250px|mehanizam za prijevoz zasipa visoke peći. mini|desno|250px|Dijelovi visoke peći1. željezna ruda + vapnenac2. koks3. mehanizam za prijevoz zasipa 4. ždrijelo peći5. sloj koksa6. sloj željezne rude i vapnenca 7. puhalica zraka za visoku peć (oko 1200 °C)8. ispust za trosku9. ispust za sirovo željezo10. prijevoz troske11. prijevoz sirovog željeza12. pročišćavanje prašine iz plina visoke peći 13. zagrijači zraka (kauperi)14. dimnjak15: predgrijači zraka16. dostava ugljena17. peć za koks18. koks19. zasipni toranj s dovodom grotlenog plina. mini|desno|250px|Presjek kroz visoku peć1. puhalice zraka koji dolazi iz zagrijača zraka (kauperi) 2. područje topljenja metala3. područje željezovih(III) oksida 4. područje željezovih(II) oksida 5. područje predgrijavanja (ždrijelo)6. zasipni uređaji (željezna ruda, koks i vapnenac) 7. grotleni plinovi 8. slojevi željezne rude, koksa i vapnenca 9. ispust troske 10. ispust sirovog željeza 11. izlaz grotlenih plinova. mini|desno|250px|Optički pirometar za mjerenje temperature u visokoj peći. mini|desno|250px|Ozid visoke peći. mini|desno|250px|Stari temelj visoke peći. mini|desno|250px|Ispust za željezo na dnu visoke peći. mini|desno|250px|Zagrijači zraka ili kauperi. mini|desno|250px|Šamot ili Al2O3. mini|desno|250px|Dobivanje sirovog željeza u visokoj peći. mini|desno|250px|Donji dio visoke peći. Za suvremenu proizvodnju željeza u visokim pećima potrebno je više pratećih postrojenja. Obično je ta proizvodnja povezana s proizvodnjom čelika. Uz postrojenja za pripremu rudnog zasipa ujednačavanjem sastava na skladištu, usitnjavanjem, prosijavanjem i aglomeriranjem (stvaranje grudica određenih dimenzija u posebnim uređajima koje se zasniva na postupnom vlaženju i sušenju u vrtložnom sloju), važna su i skladišta goriva, te postrojenja za njihovu pripremu (npr. spremnici za prihvat i uređaji za ubrizgavanje tekućih i plinovitih goriva, prosijavanje koksa). Ostala su važna pomoćna postrojenja: bunkeri, zasipni uređaji, strojevi za probijanje i zatvaranje ispusta, postrojenja za obradu plina, za opskrbu zrakom i vodom, za lijevanje željeza, za obradu troske, transportna sredstva za željezo i trosku, kotlovnica, elektroenergetska postrojenja i, često, postrojenja za proizvodnju koksa. Za suvremenu proizvodnju željeza vrlo su važni uređaji za mjerenje, kontrolu i regulaciju postupka u peći."Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
Postrojenje za istovar i skladište sirovina Sirovine se postrojenjima za proizvodnju željeza dopremaju obično željeznicom ili, kad su ta postrojenja smještena na morskoj obali, brodovima. Budući da se radi o velikim masama rude željeza i ugljena (ili koksa, ako postrojenje nema vlastitu koksaru), za njihov istovar upotrebljavaju se visokoproduktivni automatizirani mehanički uređaji, a konvejeri (transportne trake) za prijevoz na skladište i sa skladišta. Skladište rude uvijek je na otvorenom, s velikom dizalicom na tračnicama za njegovo posluživanje.
Postrojenja za usitnjavanje i prosijavanje Postrojenja za usitnjavanje i prosijavanje ruda željeza koja služe za dobivanje čestica jednoličnije veličine, vrlo su jednostavna. U tim postrojenjima proizvode se dvije veličine grudica (s česticama veličine od 20 do 50 mm, te od 6 do 20 mm) za izravno korištenje u peći i jedna (s česticama manjim od 6 mm) koju treba prethodno aglomerirati, tj. stvoriti grudice određenih dimenzija u posebnim uređajima koja se zasnivaju na postupnom vlaženju i sušenju u vrtložnom sloju.
Postrojenja za aglomeriranje ruda željeza Postrojenja za aglomeriranje ruda željeza mogu biti kontinuiranog ili periodičnog tipa. Postrojenja za kontinuirano aglomeriranje obično su postrojenja s lančanim roštiljima (aglotrake) ili peći, a postrojenja za periodično aglomeriranje su obično metalne zdjele ili tave (površine od 12 do 22 m2). Postoje različite izvedbe tih postrojenja, a često imaju i uređaje za prethodnu peletizaciju.
Za aglomeriranje ruda željeza obično se upotrebljavaju jamske peći, obujma od 50 do 80 m3. Veoma su rijetke rotacione peći. Takve peći imaju promjer od 2 do 4 metra, duljinu 30 do 40 metara, a kapacitet od 250 do 1000 tona na dan. Kao gorivo koriste obično prirodni plin. Dio plina se može zamijeniti čvrstim gorivom, koje se dodaje sirovini prije ulaska u peć. Postrojenja za aglomeriranje u željezarama osim za pripremanje rude, potrebna su i za preradu prašine, izdvojene iz plina visoke peći.
Bunkeri Bunkeri visoke peći služe za prihvatanje pojedinih sastojaka zasipa pri njegovoj pripremi. Bunkeri moraju imati toliki obujam da mogu prihvatiti zalihe sastojaka potrebnih za vrijeme normalnog proizvodnog postupka, ali i za vrijeme uklanjanja kvarova na uređajima unutrašnjeg prijevoza između skladišta i peći. Premali obujam bunkera može bitno poremetiti proizvodnju, ali investicije za prevelike bunkere nisu ekonomski opravdani.
Za dobivanje povoljnog omjera rude i vapnenca pri stvaranju zasipa, bunkeri imaju prikladne ispusne uređaje i uređanje za vaganje, a za povoljan omjer koksa, još i uređaje za prosijavanje (prije vaganja) i za povrat sitnog koksa. Najprikladniji oblik bunkera je pravokutnik s kosim dnom (od 45º do 55º). Prijevoz povoljnog omjera rude, vapnenca i koksa do zasipnih uređaja mora biti što kraći, pa se bunkeri smještaju u samoj blizini visoke peći.