Masuuni

thumb|upright|Masuuni Sestaosta, Espanjasta. Varsinainen masuuni on keskellä, teräsristikkorakenteen sisällä. Raaka-aineet syötetään oikealta ketjukuljettimella. Masuunikaasun keräyslaitteiston poistoputki johtaa vasemmalla oleviin lieriömäisiin Cowper-uuneihin. Takkiraudan lasku tapahtuu taka-alalla olevassa valuhallissa. pienoiskuva|Masuunin kaaviokuva:1. Lietsontailman syöttö2. Sulatusvyöhyke3. Rauta(II)oksidin pelkistysvyöhyke4. Rauta(III)oksidin pelkistysvyöhyke5. Esilämmitysvyöhyke6. Malmin, koksin ja kalkin syöttö7. Masuunikaasun poisto8. Malmia, koksia ja kalkkia kerroksina9. Koksin poltto ja kuonan poisto10. Takkiraudan talteenotto11. Masuunikaasun talteenotto Masuuni on rauta- ja terästeollisuuden käyttämä reaktori, jossa rautamalmin sisältämä rauta sulaa irti malmista ja hapettunut (eli 'ruostunut') osa raudasta pelkistetään hiilen ja hiilimonoksidin avulla puhtaaksi raudaksi. Masuunissa tapahtuva pelkistysreaktio on seuraava:

Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2

Nykyaikainen masuuni on noin metriä korkea ja sisähalkaisijaltaan noin -metrinen tulenkestävillä tiilillä vuorattu uuni (tästä saksan hochofen ja ranskan haut-fourneau, "korkea uuni"). Masuuni voi masuunikaasujen talteenottolaitteiston ja rautamalmin syöttökoneiston kera olla yli 60 metriä korkea.

Toiminta

Masuuniin ladotaan kerroksittain (pelleteiksi sintrattua) rautamalmia ja hiiltä (puuhiiltä, koksia tai muuta vastaavaa). Masuuniin saatetaan lisätä myös kalkkikiveä pelkistymisreaktion tehostamiseksi, mikäli malmi on kovin hapettunutta, eli ruosteista.

Aluksi masuunin hiili sytytetään ja sinne puhalletaan ilmaa palamisen tehostamiseksi. Cowper-uunissa ilma on esikuumennettu, josta tulee masuunin englanninkielinen nimi blast furnace, "lietsouuni".

Hiilen palamistuotteena syntyy hiilidioksidia hiilen ja ilman sisältämän hapen yhdistyessä:

C + O2 → CO2

Hiilikerroksen läpi kulkiessaan hiilidioksidi sekä hapettaa hiiltä hiilimonoksidiksi (häkä), että pelkistyy itse hiilimonoksidiksi:

CO2 + C → 2 CO

Tämä tunnetaan Boudouardin tasapainoreaktion nimellä. Kuumuudessa myös mahdollinen kalkkikivi hajoaa vapauttaen itseensä sitoutunutta hiilidioksidia, joka myös pelkistyy hiilen läpi kulkiessaan hiilimonoksidiksi:

CaCO3 → CaO + CO2 CO2 + C → 2 CO

Hiilen palaminen tehostetulla ilmansyötöllä nostaa masuunin sydämen lämpötilan noin .

Le Chatelierin periaatteen mukaisesti lämpöä prosessista sitova hiilimonoksidi on vallitseva hiilen oksidi hiilidioksidin sijaan korkeissa lämpötiloissa. Hiilen kanssa reagoidessaan hiilidioksidi pelkistyykin hiilimonoksidiksi. Hiilimonoksidi reagoi rautamalmin rautaoksidien kanssa, pelkistäen rautaoksidia mahdollisimman alhaisen sulamispisteen (eutektinen seos) omaavaksi takkiraudaksi, joka sulaa masuunin pesässä noin ja vajoaa masuunin pohjalle. Eri reaktiot tapahtuvat vyöhykkeittäin (ks. kaaviokuva)

hiilimonoksidin hapettuminen esilämmitysvyöhykkeellä (vyöhyke 5)T > 320 °C3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 rauta(III)oksidin pelkistyminen rauta(II)oksidiksi rauta(III)oksidin pelkistysvyöhykkeellä (vyöhyke 4)620 °C < T < 950 °C Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2 rauta(II)oksidin pelkistyminen raakaraudaksi rauta(II)oksidin pelkistysvyöhykkeellä (vyöhyke 3) T > 950 °CFeO + CO → Fe + CO2 ; myös FeO + C → Fe + CO

kokonaisreaktio: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2

Reaktioiden tapahtumisvyöhykkeet ja lämpötilat määräytyvät Ellinghamin diagrammin mukaisesti hiilen ja raudan oksidien muodostumisentalpioiden perusteella. Rautamalmin sivukivi, erilaiset silikaatit, sulfidit jne. reagoivat puolestaan emäksisen kalsiumoksidin kanssa muodostaen erilaisten kalsiumsuolojen seoksen, jota kutsutaan kuonaksi. Kuona jää kellumaan masuunin sisään sulan raudan päälle. Talteen otettua kuonaa voidaan käyttää sementin raaka-aineena, täyttömaana ja rakennuskivenä. Masuunikuona antaa sementille hyvin voimakkaan valkoisen värin ja parantaa sen säänkestävyysominaisuuksia.

pienoiskuva|Sulan takkiraudan lasku Clabecqin masuunissa

Masuunia käytetään jatkuvatoimisesti niin, että sinne syötetään huipulta vuoron perään malmia, kalkkikiveä ja hiiltä (koksia) sitä mukaa, kun rautaa ja kuonaa lasketaan sen pohjalta pois. Pohjimmiltaan masuuni on siis putkireaktori. Varsinaiset pelkistymisreaktiot tapahtuvat raudan ollessa kiinteässä faasissa (olomuotoalueessa). Rauta sulaa nesteeksi vasta aivan masuunin pohjavyöhykkeellä (vyöhyke 2).

Kun rautaa on kertynyt masuunin pohjalle riittävästi, ensin lasketaan toisesta laskuaukosta kuona pois, ja kun kuona on laskettu, lasketaan alemmasta laskuaukosta rauta pois. Koska masuunin sydämessä raudan faasimuoto on neste, osa masuuniin syötetystä hiilestä liukenee sulaan rautaan ja muodostaa seoksen (takkirauta), jossa on noin 4–5 % hiiltä.

Tämä seos, jota kutsutaan nimellä takkirauta, on aivan liian kovaa ja haurasta, jotta sitä voitaisiin käyttää valmiisiin tuotteisiin. Niinpä takkirauta on ensin mellotettava (ylimäärähiili poltettava pois), jotta sitä voitaisiin käyttää teräksen raaka-aineena.

pienoiskuva|Masuunin pohjarakenne. Sula takkirauta lasketaan keskellä olevasta laskuaukosta lattialla olevaa lasku-uraa pitkin senkkavaunuun. Masuunin pohjan ympärillä on lieriömäinen puhallusrengas, jonka sisäpinnalla olevia suuttimia pitkin puhalletaan Cowper-uuneista tulevaa kuumaa ilma-kaasuseosta masuuniin.

pienoiskuva|oikea|Masuunin toimintakaavio1. Sintrattua rautamalmia ja kalkkia2. Koksia3. Elevaattori4. Syöttöaukko5. Koksikerros6. Malmi- ja kalkkisintteripellettikerros7. Hormirinta (puhalluslämpötila noin 1200 °C)8. Kuonan poisto9. Takkiraudan lasku10. Kuonasenkka11. Torpedovaunu12. Syklonipuhdistin pölyn erotukseen 13. Cowper-uunit puhallusilman esilämmitykseen14. Savukaasujen poisto15. Ilma Cowper-uuneihin16. Hiilimurskaa17. Koksiuuni18. Koksia19. Masuunikaasun talteenotto Palokaasut, jotka nousevat masuunin huipulle, ovat lämpötilaltaan noin 500-asteisia ja sisältävät vielä runsaasti (noin 20 %) hiilimonoksidia. Tämä masuunikaasun nimellä tunnettu kaasu otetaan talteen, ja poltetaan Cowper-uunissa hiilidioksidiksi. Reaktio on eksoterminen, ja syntyvä kuuma kaasu puhalletaan takaisin masuuniin. Näin masuunin energiatalous ja tehokkuus paranee huomattavasti.

Aikaisemmin takkirauta valettiin harkkovalimolla muotteihin harkkoraudaksi, ja syntyneet rautaharkot sitten kuljetettiin sulatettavaksi terästehtaisiin. Nykyään useimmat malmia raaka-aineenaan käyttävät terästehtaat toimivat rauta-terästehdas-kombinaatteina, ja takkirauta lasketaan senkkavaunuihin.

Sula rauta kuljetetaan junakuljetuksena rikinpoiston kautta terässulatolle ja panostetaan yhdessä seosaineiden ja teräsromun kanssa konvertteriin, jossa se hapetetaan teräkseksi. Nykyaikaiset masuunit voivat tuottaa jopa rautaa vuorokaudessa.

Koska varsinainen pelkistyminen tapahtuu kiinteässä faasissa ja koska nestefaasissa sulaan raakarautaan liukenee hiiltä, sulatus voi joissakin tilanteissa olla ei-toivottu reaktio. 1900-luvulla on kehitetty erilaisia suorapelkistysmenetelmiä, joissa takkiraudan sijaan syntyy joko puhdasta kankirautaa tai terästä kiinteässä faasissa. Tällöin kuitenkin pelkistys joudutaan tekemään panosprosessina jatkuvan prosessin sijaan, ja syntynyt kiinteä rauta poistamaan mekaanisesti.

Masuunien ongelmana on myös se, että pelkistysreaktiossa syntyy väistämättä valtavia määriä hiilidioksidia, joka on voimakas kasvihuonekaasu. Koska koksia käytetään reaktiossa pelkistimenä eikä vain polttoaineena, koksille ei ole taloudellista vaihtoehtoa käytettäessä masuunipelkistystä; suorapelkistysmenetelmissä voidaan käyttää maakaasua, vetyä tai vesikaasua pelkistimenä.

Vastoin yleistä luuloa masuunin raaka-aineena ei käytetä romua. Romurauta rekuperoidaan emäshappimellotusprosessilla, Siemens-Martin -prosessilla tai valokaariuunissa; masuunia käytetään raudan valmistamiseen vain "neitseellisestä" rautamalmista.

Historia

Masuunin edeltäjä on heettiläinen kuilu-uuni, joka on saanut alkunsa rovion polttamisesta rautaesiintymän vieressä raudan louhimiseksi. Sinne ladottiin kerroksittain puuta ja rautamalmia, ja uuni sytytettiin. Puut hiiltyivät, ja hiilen palaessa syntyi huokoista ja vähähiilistä rautasientä. Kun rautasieni edelleen taottiin, siitä erkani kuona. Syntynyttä rautaa, jonka hiilipitoisuus on 0–0,5 prosenttia, kutsutaan kankiraudaksi. Koska lämpötila jäi alhaiseksi, faasimuutosta ei tapahtunut, vaan syntyvä rautasieni, jööti, jäi kiinteäksi.

Raudanvalmistus on keksitty noin 1400 eaa., ja raudanvalmistustaito levisi Välimeren ympäristöön noin 1200 eaa., Keski-Eurooppaan ja Intiaan noin 800 eaa., Kiinaan noin 600 eaa. ja Afrikkaan noin 400 eaa. Rautakauden katsotaan alkaneen tästä.

Kuilu-uunista kehittyi edelleen harkkohytti, joita tiedetään Euroopassa olleen jo La Tènen kulttuurin aikoina. Harkkohytissä rauta ei sula, joten hiili ei liukene raakarautaan, ja pelkistämisen tuloksena saadaan hyvin vähähiilistä kankirautaa, joka on sitkeää ja helposti taottavaa. Kelttien miekat oli valmistettu teräksen sijaan kankiraudasta; roomalaisten mielestä ne vääntyivät helposti.

thumb|upright|Vallonityyppinen multahirsimasuuni 1700-luvulta Ensimmäiset todelliset masuunit on rakennettu Kiinassa noin 200-luvulla. Kiinalainen rautamalmi sisälsi paljon fosforia, joten se suli hyvin alhaisessa lämpötilassa (jopa 900 °C) ja soveltui hyvin valamiseen. Eurooppalainen rautamalmi suli paljon korkeammassa lämpötilassa, joten Euroopassa valurautaa kyettiin tuottamaan vasta paljon myöhemmin. Nykyisessä Espanjassa keksittiin 700-luvulla katalonialainen ahjo, jossa käytettiin polttoaineena syttä eli puuhiiltä, ja uunin alapäästä puhallettiin käsikäyttöisillä palkeilla ilmaa. Näin panoskokoa kyettiin kasvattamaan huomattavasti, ja jöötistä (rautasienestä) saatiin puhtaampi kuin kuilu-uunilla.

Keskiajalla sisterssiläismunkit, jotka olivat taitavia insinöörejä ja metallurgeja, kehittivät myös katalonialaista ahjoa eteenpäin, ja ottivat palkeiden käyttövoimaksi vesirattaan. On todennäköistä, että sisterssiläismunkit onnistuivat aikaansaamaan valurautaa.

Euroopassa ensimmäinen masuuni, jossa rauta on saatu sulana ulos, on dokumentoitu Ruotsista, Lapphyttanista, 1100-luvulla. Ruotsalainen masuuni (masugn) oli noin 5 m korkea ja 2 m leveä. Vesivoimalla toimivien palkeiden avulla ilmaa saatiin nyt lietsottua masuuniin katalonialaista ahjoa tehokkaammin, ja lämpötila saatiin nostettua niin korkeaksi, että rauta suli.

Tuloksena oli valurautaa, jonka hiilipitoisuus oli 2–3 %. Seostamalla valurautaa ja kankirautaa yhteen saatiin aikaan ahjoterästäAppalachian Blacksmiths , joka kuitenkin oli keskiajalla hyvin kallista. 1300-luvulla masuunit ja niiden ympärille syntyneet ruukit olivat levinneet kaikkialle Eurooppaan, ja raudan valmistuksesta tuli teollisuutta.

pienoiskuva|Granbergsdalin vanha rautaruukki Ruotsissa

Euroopan suuria kivihiilivarantoja ei kuitenkaan voitu käyttää kivihiilen rikkipitoisuuden vuoksi, joten masuunien polttoaineena käytettiin syttä. Puuhiilen käyttö puolestaan johti nopeaan metsien hakkaamiseen ja eroosioon, ja raudan valmistus keskittyikin puuhiilen hinnan noustessa seuduille, jossa oli paljon metsiä ja vesivoimaa. Ruotsista ja Norjasta tuli Euroopan johtavia raudanvalmistajia 1500-luvulla.

pienoiskuva|Coalbrookedalen vanha masuuni Englannissa, Philip James de Loutherbourgin öljyväri vuodelta 1801.

Tuon ajan masuunit olivat multahirsi-masuuneja: masuunin alin kerros oli muurattu kivistä ja tulenkestävistä tiilistä. Masuunin runko oli muurattu, ja sitä ympäröi multakerros, joka oli peitetty hirsillä. Masuuni oli jatkuvatoiminen: kun masuuni oli kerran sytytetty, sen huipulta syötettiin sisään koko ajan malmia ja puuhiiltä.

1600-luvulla keksittiin käyttää myös kalkkikiveä neutraloimaan rikki. Masuunia käytettiin jatkuvatoimisesti 3–6 kuukautta kerrallaan. Nykyaikaista masuunia voidaan käyttää yhtäjaksoisesti 10–20 vuotta, minkä jälkeen tulenkestävä vuoraus on uusittava.