0.4 Funktionssätt hos masugnen

Utmärkande för masugnen är att det är en motströms värmeväxlare samtidigt som det är en kemisk (metallurgisk) reaktor. Även den kemiska reaktorn utnyttjar på ett raffinerat sätt en motströmsprincip.

I Figur 4, ”Genomskärning av masugn” framgår huvuddragen för funktionen. De fasta materialen koks, malmråvara och slaggbildare tillsätts på toppen och läggs i lager. I moderna masugnar finns avancerade metoder att exakt lägga lagren på plats och samtidigt behålla ett övertryck i toppen där gaserna lämnar ugnen. Alltefter järnmalmen reduceras och smälter sjunker lagren ner genom masugnen. Detta tar flera timmar (6-8 h) i anspråk medan den uppåtgående gasen endast behöver 30 sekunder till någon minut för att stiga upp genom ugnen. Detta betyder också att gasvolymerna är väsentligt större än volymen fast gods som passerar masugnen. Gasen, det vill säga blästerluften, tillsätts i så kallade formor i nedre tredjedelen av ugnen. Den utgående gasen som består av kväve (N₂) och en blandning av koloxid och koldioxid (CO-CO₂) tas ut i toppen av ugnen. Gasen tas om hand och resterande mängd CO i gasen förbränns för att utnyttja hela värmeinnehållet. Oftast används värmen för att förvärma blästerluften i så kallade cowperapparater.

Längst ner i ugnen samlas det flytande råjärnet som med jämna mellanrum töms
(tappas). Ovanpå råjärnet flyter en slagg som också töms intermittent. Råjärnet står i kontakt med en pelare av koks som kallas ”den döde mannen”. Namnet kommer sig av att kokspelaren spelar en inaktiv roll.

Den förvärmda blästerluften (900-1300ºC) blåses in med en hög hastighet, 150-300 m/s, i förbränningszonen (race way). Huvudreaktionen är att blästerluftens syre reagerar med CO till CO₂ som i sin tur reagerar med C till att bilda en ökande gasmängd i form av CO. Flamtemperaturen ligger oftast mellan 1800 och 2500ºC. Det är nödvändigt att ha en hög temperatur i denna nivå av masugnen eftersom den slutliga smältningen av järnet och slaggen sker här. På vägen upp genom masugnen kyls gasen av mötande kall beskickning (fasta tillsatserna), så att den vid toppen inte har högre temperatur än 75-250ºC. Genom att på detta sätt använda motströmsprincipen blir värmeutnyttjandegraden så hög som 85-90%.

Motströmsprincipen är alltså viktig för värmebalansen, men den är också viktig för de kemiska reaktionerna. För att i nedre delen av masugnen genomföra det sista reduktionssteget från FeO (wüstit) till Fe måste reduktionsgasen vara rik det vill säga ha en hög andel CO. Detta är också fallet just i den nedre delen av masugnen där temperaturen är hög och CO/CO₂ blandningen står i jämvikt med rent kol. Högre upp i masugnen har gasen en lägre potential för reduktion, andelen CO är lägre, men ett reduktionsarbete genomförs ändå eftersom de högre oxiderna Fe₂O₃ och Fe₃O₄ kräver en relativt låg CO-andel för att reduceras till FeO (wüstit). Reduktionsjämvikterna kommer att diskuteras mer i detalj senare. Här är meningen med ovanstående beskrivning att understryka att masugnen utöver att fungera som en motströmsvärmeväxlare även kan betraktas som en kemisk motströmsreaktor och att motströmsprincipen ger ett optimalt utnyttjande av gasernas reduktionspotential.