A Hot Blasting Furnace ay isang ironmaking blast furnace na binibigyan ng hangin na na-preheated — karaniwang sa 900–1,300°C — bago i-blow sa furnace sa pamamagitan ng mga nozzle na tinatawag na tuyeres, sa halip na pakainin ng room-temperature ("cold blast") na hangin. Ang preheating mismo ay nangyayari sa isang hiwalay na kagamitan na tinatawag na hot blast stove (kilala rin bilang isang Cowper stove), at ang nagreresultang pinainit na hangin ay tinatawag na "hot blast." Halos lahat ng blast furnace na tumatakbo ngayon ay gumagamit ng system na ito, dahil ang preheated air ay lubhang nakakabawas sa pagkonsumo ng gasolina at nagpapalakas ng output kumpara sa mga cold-blast furnace na ginamit bago ang 1830s.
Ang pagkakaiba ay mahalaga dahil ang mainit na pagsabog ay hindi lamang isang maliit na pag-aayos — ito ay isa sa maliit na bilang ng mga inobasyon na ginawang malakihan, coke-fueled ironmaking na matipid sa unang lugar. Ang mga blast furnace na pinapakain ng hangin na preheated sa 900–1,250°C ay maaaring makabuo ng mga temperatura ng smelting na humigit-kumulang 1,650°C, na makabuluhang binabawasan ang pagkonsumo ng coke sa bawat toneladang iron na ginawa. Ang pag-unawa sa kung paano gumagana ang hot blast system — at kung bakit napakahalaga ng temperatura ng hanging iyon — ay ang susi sa pag-unawa sa modernong blast furnace na kahusayan.
Ang sistema ng hot blast furnace ay binuo sa paligid ng dalawang konektadong piraso ng kagamitan na nagtutulungan: ang blast furnace mismo, kung saan nangyayari ang smelting reaction, at ang (mga) hot blast stove, kung saan pinainit ang hangin bago pa man ito makarating sa furnace.
Ang kalan ay mahalagang isang vertical cylindrical steel shell na may linya na may firebrick, na ang interior ay pinaghihiwalay sa dalawang silid: isang combustion chamber, kung saan ang mga gas mula sa blast furnace at iba pang pinagmumulan ng gasolina ay sinusunog, at isang regenerative chamber na puno ng checkerwork ng refractory brick na pinainit ng sinunog na gas. Ang refractory na "checker brick" na ito ay ang heat-storage medium — sila ay sumisipsip ng init sa panahon ng combustion at ilalabas ito mamaya habang ang sariwang hangin ay itinutulak sa kanila.
Ang isang mainit na sabog na kalan ay hindi patuloy na tumatakbo sa isang mode — ito ay nagpapalit-palit sa pagitan ng dalawang yugto. Sa panahon ng on-gas (pagpaputok), ang fuel gas ay sinusunog upang painitin ang checker brick thermal storage; sa panahon ng on-blast, pinainit ang hangin sa pamamagitan ng pagdaloy nito sa thermal storage na iyon. Sa panahon ng on-blast discharge, ang sariwang hangin ay dinadala ng fan sa mataas na presyon sa mga pinainit na brick, at pagkatapos na magpainit hanggang sa 1,200°C, ang hangin na ito — tinatawag na ngayon na mainit na sabog — ay ipinapasok sa ilalim ng blast furnace para sa pagtunaw ng iron ore.
Dahil ang isang kalan ay hindi maaaring magpainit ng gas at magpainit ng hangin nang sabay-sabay, karamihan sa mga blast furnace ay pinaglilingkuran ng tatlong kalan: habang ang dalawa ay pinainit, ang sabog ng hangin ay dumadaan sa regenerative chamber ng ikatlong kalan patungo sa blast furnace. Ang pag-ikot na ito ang nagpapahintulot sa blast furnace na makatanggap ng tuluy-tuloy, walang patid na supply ng mainit na hangin sa buong orasan.
Ang pinainit na hangin ay naglalakbay mula sa kalan patungo sa hurno sa pamamagitan ng bustle pipe, na ibinabahagi ito sa mga hot-blast nozzle, o tuyeres, na naka-mount sa paligid ng base ng furnace. Dahil ang temperatura ng mainit na sabog ay kailangang panatilihing pare-pareho para sa mahusay na kahusayan ng furnace, at ang temperatura ay natural na bumababa habang lumalamig ang isang kalan, ang mainit na sabog ay hinahalo sa isang kinokontrol na proporsyon ng malamig na sabog sa isang silid ng paghahalo upang panatilihing matatag ang temperatura ng paghahatid kahit na ang nakaimbak na init ng isang indibidwal na kalan ay ginagamit.
Ang hot blast ay hindi isang modernong imbensyon — ito ay nagsimula noong unang bahagi ng ika-19 na siglo at kumakatawan sa isa sa mga pangunahing tagumpay sa kasaysayan ng industriyal na paggawa ng bakal. Hanggang sa 1820s, ang malamig na hangin ay aktwal na naisip na gumawa ng mas mahusay na kalidad na bakal kaysa sa mainit na hangin, higit sa lahat dahil ang pinababang kahalumigmigan sa malamig na hangin sa taglamig ay itinuturing na kapaki-pakinabang.
Ang mainit na sabog ay naimbento at na-patent para sa mga bakal na hurno ni James Beaumont Neilson noong 1828 sa Wilsontown Ironworks sa Scotland. Nalaman ni Neilson na sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura ng pagsabog sa 300°F (149°C) lamang, maaari niyang bawasan ang pagkonsumo ng gasolina mula 8.06 tonelada ng karbon hanggang 5.16 tonelada bawat toneladang bakal na ginawa, na may karagdagang pagbabawas na makakamit sa mas mataas na temperatura. Ang mga resulta ay dramatiko at mabilis na nabe-verify sa sukat: Ang mga dokumentadong numero mula sa Clyde Iron Works sa pagitan ng 1829 at 1833 ay nagpapakita ng cold-blast coke smelting na gumamit ng 8.2 tonelada ng karbon bawat tonelada ng bakal at gumawa ng 37.5 tonelada ng pig iron bawat furnace bawat linggo, habang ang hot blast na may coke cut coal ay ginagamit sa 5.3 tonelada bawat lingo at itinaas ang output sa 5.3 tonelada bawat lingo.
Ang orihinal na kagamitan ni Neilson ay may tunay na mga limitasyon. Ang mga cast iron pipe na sinusuportahan sa loob ng isang brick oven ay may iba't ibang katangian ng pagpapalawak, na nagresulta sa ilang mga bitak na tubo, at ang mga kagamitan sa paghahatid ay gumamit ng solidong tuyere at nababaluktot na mga joint ng balat na hindi makayanan ang mataas na temperatura. Noon lamang 1860 naimbento ng Englishman na si Edward Alfred Cowper ang unang matagumpay na hot-blast stove — ang regenerative, checker-brick na disenyo na, sa pinong anyo, ay pa rin ang pamantayan ng industriya ngayon. Ang mabilis na pag-ampon na sumunod ay kapansin-pansin: ang mainit na pagsabog ay karaniwang ginagamit sa buong Great Britain noong 1835, pitong taon lamang pagkatapos ng orihinal na pagtuklas ni Neilson.
| Uri ng Pugon | Coal na Ginamit sa bawat Tone ng Bakal | Pig Iron Output bawat Linggo |
|---|---|---|
| Malamig na sabog na may coke | 8.2 tonelada | 37.5 tonelada |
| Mainit na sabog na may coke | 5.3 tonelada | 54.9 tonelada |
| Mainit na sabog na may karbon | 3.0 tonelada | 62.2 tonelada |
Ang pangunahing dahilan kung bakit gumagana ang mainit na sabog ay tuwirang thermodynamics: ang malamig na hangin na pumapasok sa isang furnace ay kailangang painitin sa pamamagitan ng pagsunog ng gasolina sa loob ng furnace bago ito makagawa ng anumang kapaki-pakinabang, na nag-aaksaya ng coke sa simpleng pagtaas ng temperatura ng papasok na hangin. Sa pamamagitan ng pag-preheating ng air blast bago ito pumasok sa furnace, tumataas ang input ng init sa anyo ng matinong init na direktang nagpapababa sa coke rate.
Kinukumpirma ng modernong pananaliksik na ang relasyon ay nagtataglay sa isang napaka predictable rate. Para sa bawat 100°C na pagtaas sa hot blast outlet air temperature, ang coke ratio ng blast furnace ay maaaring bawasan ng 4-7%, ang output ay maaaring tumaas ng 3-5%, at ang kapasidad ng pag-iiniksyon ng karbon ay tumataas nang katumbas. Ang isang hiwalay na pagtatantya ng industriya ay naglalagay nito sa ganap na mga termino: bawat 10°C na pagtaas sa mainit na temperatura ng pagsabog sa bustle pipe ay binabawasan ang blast furnace coke rate ng humigit-kumulang 4 hanggang 6 kg bawat tonelada ng mainit na metal.
Ito rin ang dahilan kung bakit naging mahalaga ang mainit na sabog sa halip na opsyonal habang umuunlad ang teknolohiya ng furnace. Ang blast preheat na humigit-kumulang 1,200°C ay itinuturing na ngayon na mahalaga kapag ang pulverized coal ay tinuturok sa pamamagitan ng mga tuyeres, dahil ang hot air blast ay nagsisiguro ng mas mabilis na pag-init, pyrolysis ng coal, at pagkasunog ng mga nagreresultang gas na produkto.
Hindi lahat ng hot blast stoves ay ginawa sa parehong paraan. Ayon sa iba't ibang mga layout at istruktura ng combustion chamber at regenerator, ang mga hot blast stoves ay karaniwang nahahati sa tatlong pangunahing structural form: internal combustion, external combustion, at top combustion. Ang pagpili sa pagitan ng mga ito ay higit sa lahat ay isang tanong kung gaano karaming espasyo sa sahig ang magagamit at kung anong peak hot blast temperature ang tina-target ng operasyon.
Sa isang panloob na disenyo ng pagkasunog, ang kalan ay binubuo ng isang cylindrical refractory wall na may panloob na vertical partition wall na naghahati sa solong shell sa isang combustion chamber at isang checker chamber na naglalaman ng mga checker brick. Ito ang mas siksik, tradisyonal na layout, ngunit ito ay may kasamang limitasyon sa istruktura: ang panloob na disenyo ng silid ng pagkasunog na may pader ng dibisyon ay may kilalang mahinang lugar sa mga sulok ng silid ng pagkasunog.
Ang mga panlabas na combustion stoves ay binubuo ng isang hiwalay na checker chamber at combustion chamber, na konektado ng isang crossover sa halip na isang shared internal wall. Ang paghihiwalay sa dalawang silid sa magkakaibang mga shell ay nag-aalis ng sulok-stress na mahinang punto ng panloob na disenyo at sa pangkalahatan ay sumusuporta sa mas mataas na pinakamataas na temperatura.
Ang isang mas bagong kategorya ng stove ay walang combustion chamber sa karaniwang kahulugan — ang mga ito ay kilala bilang dome combustion stoves, shaft-less stoves, o Kalugin stoves. Sa pangkalahatan, ang teknolohiya ng hot blast stove, lalo na ang disenyo at kalidad ng mga refractory nito, ay sumailalim sa malawak na pagpapabuti sa mga nakalipas na taon, na umabot sa antas ng maturity na nagsisiguro ng buhay ng kampanya na higit sa 30 taon para sa isang mahusay na binuo na kalan.
Dahil ang iba't ibang mga zone ng kalan ay nakakaranas ng iba't ibang temperatura, walang solong refractory brick ang maaaring gamitin sa buong lugar. Ang pagpili ng materyal ay naka-layer ayon sa kung gaano talaga kainit ang bawat seksyon ng checker chamber.
Ang layered approach na ito — na tumutugma sa refractory grade sa aktwal na init na nararanasan ng bawat zone — ang nagbibigay-daan sa isang solong kalan na ligtas na pangasiwaan ang gradient ng temperatura na sumasaklaw ng daan-daang degree mula sa itaas hanggang sa ibaba.
Ang mga hot blast stove ay nakakatipid ng napakalaking halaga ng coke, ngunit sila mismo ay mga makabuluhang mamimili ng enerhiya - isang katotohanang madalas na hindi napapansin kapag sinusuri ang pangkalahatang kahusayan ng blast furnace. Ang halaga ng blast furnace gas na kailangan ng mga kalan ay humigit-kumulang 40% ng kabuuang blast furnace gas na output, at ang konsumo ng enerhiya ng kalan ay maaaring umabot sa 25% ng kabuuang paggamit ng enerhiya ng halaman.
Sa bawat toneladang batayan, ang mga numero ay pantay na nagsasabi: batay sa data mula sa anim na mahusay na sistema ng hot blast stove sa buong mundo, ang average na kabuuang pangunahing pangangailangan ng enerhiya ay 1.8 GJ bawat tonelada ng mainit na metal para sa mga hot blast stove, kumpara sa 11.6 GJ bawat tonelada para sa mismong blast furnace. Nangangahulugan ito na ang stove system, habang mas maliit sa absolute energy terms kaysa sa furnace, ay kumakatawan pa rin sa isang makabuluhan at nakokontrol na bahagi ng kabuuang paggamit ng enerhiya ng halaman — at isa kung saan ang mga nadagdag na kahusayan ay direktang nagsasalin sa pagtitipid ng coke.
Ang mga praktikal na pagpapabuti sa mga operating plant ay nagpakita nito sa totoong mga numero kaysa sa teorya. Ang mga dokumentadong resulta mula sa pag-optimize ng stove-baterya sa U.S. integrated steel producer ay kinabibilangan ng stove fuel rate na pagbabawas ng 8 hanggang 15 kg bawat tonelada ng mainit na metal at pagtaas ng temperatura ng hot blast na 15°C hanggang 30°C, na nagsasalin sa isang pagbabawas ng coke rate na humigit-kumulang 6 hanggang 12 kg bawat tonelada ng mainit na metal.
Para sa sinumang nagpapatakbo o nagsusuri ng isang mainit na blast furnace system, ang ilang mga parameter ay patuloy na tinutukoy kung gaano kahusay ang pagganap ng mga kalan at kung saan nagkakaroon o nawawala ang kahusayan.
Mga Manufacturer ng OEM/ODM na High-Performance Combustion at Thermal Equipment
