A Varmblæsningsovn er en højovn til jernfremstilling, der forsynes med luft, der er blevet forvarmet - typisk til 900-1.300°C - før den blæses ind i ovnen gennem dyser kaldet tuyeres, i stedet for at blive tilført rumtemperatur ("koldblæsning") luft. Selve forvarmningen sker i et separat stykke udstyr kaldet en hot blast komfur (også kendt som en Cowper komfur), og den resulterende opvarmede luft er det, der omtales som "hot blast". Næsten alle højovne, der opererer i dag, bruger dette system, fordi forvarmet luft reducerer brændstofforbruget dramatisk og øger produktionen sammenlignet med de kolde højovne, der blev brugt før 1830'erne.
Forskellen betyder noget, fordi hot blast ikke kun er en mindre tweak - det er en af de håndfuld innovationer, der gjorde storskala, koksbrændte jernfremstilling økonomisk rentabel i første omgang. Højovne tilført luft forvarmet til 900-1.250°C kan generere smeltetemperaturer på omkring 1.650°C, hvilket væsentligt reducerer forbruget af koks pr. ton produceret jern. At forstå, hvordan det varme blæsesystem fungerer - og hvorfor temperaturen i den luft betyder så meget - er nøglen til at forstå moderne højovns effektivitet.
Det varme højovnssystem er bygget op omkring to forbundne stykker udstyr, der arbejder sammen: selve højovnen, hvor smeltereaktionen sker, og den eller de varme højovne, hvor luften opvarmes, før den nogensinde når ovnen.
Ovnen er i det væsentlige en lodret cylindrisk stålskal beklædt med ildsten, med det indre adskilt i to kamre: et forbrændingskammer, hvor gasser fra højovnen og andre brændselskilder brændes, og et regenerativt kammer fyldt med et skakternet af ildfast mursten opvarmet af den brændte gas. Disse ildfaste "tjeksten" er varmelagringsmediet - de opsuger varme under forbrændingen og frigiver den senere, når frisk luft skubbes igennem dem.
En varm brændeovn kører ikke kontinuerligt i én tilstand – den veksler mellem to faser. I løbet af tændingsperioden (brænding) forbrændes brændstofgas for at opvarme det termiske lager af brikkersten; under påblæsningsperioden opvarmes luft ved at strømme den gennem det termiske lager. Under udblæsningsperioden drives frisk luft af en blæser ved forhøjet tryk hen over de opvarmede mursten, og efter at være blevet opvarmet til så meget som 1.200°C, føres denne luft - nu kaldet varmblæsning - ind i bunden af højovnen til jernmalmssmeltning.
Fordi en brændeovn ikke kan opvarme gas og luft på samme tid, betjenes de fleste højovne af tre brændeovne: Mens to brændeovne opvarmes, passerer luftblæsningen gennem regenereringskammeret i den tredje brændeovn på vej ind i højovnen. Denne rotation er det, der gør det muligt for højovnen at modtage en kontinuerlig, uafbrudt tilførsel af varm luft døgnet rundt.
Den opvarmede luft bevæger sig fra ovnen til ovnen via et travlhedsrør, som fordeler den til varmblæsningsdyserne eller blæserne, der er monteret omkring bunden af ovnen. Fordi den varme blæsttemperatur skal holdes konstant for at opnå en god ovneffektivitet, og temperaturen falder naturligt, når en ovn afkøles, blandes den varme blæst med en kontrolleret andel koldblæsning i et blandekammer for at holde leveringstemperaturen stabil, selv når den enkelte ovns lagrede varme er ved at blive brugt op.
Hot blast er ikke en moderne opfindelse - den dateres til det tidlige 19. århundrede og repræsenterer et af de afgørende gennembrud i industriel jernfremstillingshistorie. Indtil 1820'erne mente man faktisk, at kold luft producerede jern af bedre kvalitet end varm luft, hovedsagelig fordi den reducerede fugt i kølig vinterluft blev set som gavnlig.
Hot blast blev opfundet og patenteret til jernovne af James Beaumont Neilson i 1828 ved Wilsontown Ironworks i Skotland. Neilson fandt ud af, at ved at øge sprængningstemperaturen til kun 300°F (149°C), kunne han reducere brændstofforbruget fra 8,06 tons kul til 5,16 tons pr. ton produceret jern, med yderligere reduktioner opnåelige ved højere temperaturer. Resultaterne var dramatiske og hurtigt verificerbare i skala: dokumenterede tal fra Clyde Iron Works mellem 1829 og 1833 viser, at koldblæst kokssmeltning brugte 8,2 tons kul pr. ton jern og producerede 37,5 tons råjern pr. ovn pr. uge, mens varmblæsning med koks skar kulforbruget til 5,3 tons og hævede 9 tons pr. uge.
Neilsons originale udstyr havde reelle begrænsninger. Støbejernsrørene, der blev understøttet i en murstensovn, havde forskellige ekspansionskarakteristika, hvilket resulterede i flere revnede rør, og leveringsudstyret brugte solide tuyeres og fleksible lædersamlinger, der ikke kunne modstå de høje temperaturer. Det var først i 1860, at englænderen Edward Alfred Cowper opfandt den første succesrige hot-blast komfur - det regenerative, ternet-murstensdesign, der i raffineret form stadig er industristandarden i dag. Den hurtige adoption, der fulgte, var slående: varm eksplosion var i almindelig brug i hele Storbritannien i 1835, kun syv år efter Neilsons oprindelige opdagelse.
| Ovn type | Brugt kul pr. ton jern | Råjernsproduktion pr. uge |
|---|---|---|
| Koldblæsning med koks | 8,2 tons | 37,5 tons |
| Varmblæsning med koks | 5,3 tons | 54,9 tons |
| Varmblæsning med kul | 3,0 tons | 62,2 tons |
Kerneårsagen til, at varmblæsning virker, er ligetil termodynamik: kold luft, der kommer ind i en ovn, skal varmes op ved at brænde brændstof inde i ovnen, før den kan gøre noget nyttigt, hvilket spilder koks på blot at hæve temperaturen på den indkommende luft. Ved at forvarme luftblæsningen, før den kommer ind i ovnen, øges varmetilførslen i form af fornuftig varme, der direkte reducerer koksmængden.
Moderne forskning bekræfter, at forholdet holder i en meget forudsigelig hastighed. For hver 100°C stigning i varmblæsningslufttemperaturen kan højovnens koksforhold reduceres med 4-7%, ydelsen kan øges med 3-5%, og kulinjektionskapaciteten stiger tilsvarende. Et separat industriestimat sætter det i absolutte tal: hver 10°C stigning i varmblæsningstemperaturen ved travlhedsrøret reducerer højovnskokshastigheden med ca. 4 til 6 kg pr. ton varmt metal.
Dette er også grunden til, at varmblæsning er blevet væsentlig snarere end valgfri, da ovnteknologien er avanceret. Blastforvarmning på omkring 1.200°C anses nu for at være afgørende, når pulveriseret kul injiceres gennem blæserne, fordi varmluftblæsning sikrer hurtigere opvarmning, pyrolyse af kullet og forbrænding af de resulterende gasformige produkter.
Ikke alle varmeblæseovne er bygget på samme måde. I henhold til de forskellige layouter og strukturer af forbrændingskammeret og regeneratoren er varmeblæstovne generelt opdelt i tre grundlæggende strukturelle former: intern forbrænding, ekstern forbrænding og topforbrænding. Valget mellem dem er i vid udstrækning et spørgsmål om, hvor meget gulvplads der er til rådighed, og hvilken maksimal varmeblæsningstemperatur operationen er rettet mod.
I et forbrændingsdesign består ovnen af en cylindrisk ildfast væg med en indvendig lodret skillevæg, der deler den enkelte skal i et forbrændingskammer og et skakternet kammer, der indeholder skakterne mursten. Dette er det mere kompakte, traditionelle layout, men det kommer med en strukturel begrænsning: det indvendige forbrændingskammerdesign med en skillevæg har et kendt svagt punkt i hjørnerne af forbrændingskammeret.
Eksterne forbrændingsovne er sammensat af et separat kontrolkammer og forbrændingskammer, forbundet med en crossover i stedet for en delt indvendig væg. Adskillelse af de to kamre i særskilte skaller fjerner hjørnestressets svage punkt i det indre design og understøtter generelt højere spidstemperaturer.
En nyere kategori af komfurer har overhovedet intet forbrændingskammer i konventionel forstand - disse er kendt som kuppelforbrændingsovne, skaktløse komfurer eller Kalugin-ovne. Samlet set har teknologien til varmblæsningsovne, især designet og kvaliteten af dens ildfaste materialer, gennemgået store forbedringer i de seneste år, og nået et modenhedsniveau, der sikrer en kampagnelevetid på over 30 år for en velbygget brændeovn.
Fordi forskellige zoner i ovnen oplever meget forskellige temperaturer, kan ingen enkelt ildfast mursten bruges hele vejen igennem. Materialevalg er lagdelt efter, hvor varmt hver sektion af tjekkammeret faktisk bliver.
Denne lagdelte tilgang – at matche den ildfaste kvalitet til den faktiske varme, hver zone oplever – er det, der gør det muligt for en enkelt komfur sikkert at håndtere en temperaturgradient, der spænder over hundreder af grader fra top til bund.
Varme højovne sparer enorme mængder koks, men de er selv betydelige energiforbrugere - en kendsgerning, der ofte overses, når man vurderer den samlede højovnseffektivitet. Mængden af højovnsgas, som ovnene kræver, udgør cirka 40 % af den samlede højovnsgasproduktion, og brændeovnens energiforbrug kan nå op på 25 % af anlæggets samlede energiforbrug.
På basis af ton er tallene lige så sigende: baseret på data fra seks effektive varmebrændeovnssystemer verden over, er det gennemsnitlige samlede primære energibehov 1,8 GJ pr. ton varmt metal for de varme højovne, sammenlignet med 11,6 GJ pr. ton for selve højovnen. Dette betyder, at brændeovnssystemet, selv om det er mindre i absolutte energitermer end ovnen, stadig repræsenterer en meningsfuld og kontrollerbar andel af det samlede energiforbrug i anlægget - og en, hvor effektivitetsgevinster omsættes direkte til koksbesparelser.
Praktiske forbedringer på driftsanlæg har vist dette i reelle tal snarere end teori. Dokumenterede resultater fra optimering af brændeovnsbatterier hos integrerede stålproducenter i USA omfatter reduktioner af brændstofhastigheden på 8 til 15 kg pr. ton varmt metal og stigninger i varmeblæsningstemperaturen på 15 °C til 30 °C, hvilket oversættes til en reduktion af kokshastigheden på omkring 6 til 12 kg pr. ton varmt metal.
For alle, der betjener eller evaluerer et varmt højovnssystem, bestemmer en håndfuld parametre konsekvent, hvor godt ovnene yder, og hvor effektiviteten opnås eller tabes.
OEM/ODM Producenter af højtydende forbrændings- og termisk udstyr
