Het Overzicht

Basisprincipes van de werking van een hoogoven

Wanneer je de opbouw van een hoogoven bekijkt, zie je meteen dat het hier om een complex en uitgebreid gegeven gaat. Elk afzonderlijk onderdeel levert genoeg stof om om er een uitgebreid exposé over te schrijven. In zijn meest rudimentaire vorm zou je de hoogoven kunnen vergelijken met een kookketel, waarin verschillende ingrediënten samengebracht worden om samen één gerecht te koken: gietijzer. Zoals dat ook bij het bereiden van een gerecht geldt, is het ook hier van belang dat de juiste ingrediënten, in de juiste hoeveelheden en op het juiste moment aan de kookketel worden toegevoegd. De ingrediënten bestaan uit sinterpellets, die in de sinterfabriek voorbereid worden, cokes, poederkool, zuurstof en hitte.

Sinter: hoofdbestanddeel van de hoogovenlading

De belangrijkste grondstof om staal te maken, is ijzererts. Maar net als steenkolen kunnen we ook ijzererts om chemische en fysische redenen niet rechtstreeks in de hoogoven gebruiken. Daarom wordt het ijzererts eerst omgezet in sinter. Sinter vertegenwoordigt traditioneel 90% van de hoogovenlading. De rest van de lading bestaat uit pellets en gekalibreerd ijzererts.

IJzererts, afkomstig van de winning van ijzermijnen, komt in vormloze brokken aan. Deze brokken kunnen van enkele centimeters tot enkele meters groot zijn. Als we deze brokken zo in de hoogoven zouden gooien, kunnen ze de interne structuur beschadigen, bijvoorbeeld door de vuurvaste stenen te breken, die de binnenbekleding van de hoogoven vormen.

Bovendien zouden grote blokken in de hoogoven zorgen voor meer en grotere luchtlagen, die uiteindelijk een slecht contactoppervlak met de cokes zouden hebben. Om dat te voorkomen wordt het ijzererts voorbehandeld in de sinterfabriek, ook wel de agglomeratie genoemd. De sinterfabriek is een van de meest complexe onderdelen van het hoogovenbedrijf. Het ijzererts wordt op een band geplaatst, gemengd met gemalen cokes. De roosterband is een gesloten ketting opgebouwd uit tegen elkaar staande roosterwagens, waartussen warme lucht kan passeren. Het mengsel van ijzererts en cokes gaat onder een ontstekingskap door, die het mengsel vanaf de bovenkant ontsteken en laten verbranden. Terwijl de roosterband zich voortbeweegt, worden de rookgassen weggezogen via afzuigkasten onder de roosterband. Door de warmte die vrijkomt bij de verbranding vormt het erts een homogene laag. Het mengsel wordt met andere woorden gebakken van boven naar onderen.

De transportband met de ontstekingskap

Aan het uiteinde van de sinterband valt de gesinterde warme ertskoek op een breekdek, waar de koek gebroken en gekoeld wordt. Deze breekinstallatie, bestaande uit wielen met massieve tanden, wordt de “egel” genoemd. De gesinterde ertskoek wordt "de cake" genoemd. Het eindproduct heeft het uitzicht van vormeloze blokken met een afmeting van ongeveer 2 centimeter. Deze sinters vormen het hoofdbestanddeel van de hoogoven.

Na de passage door de egel wordt het gesinterde erts in trechters getransporteerd. Dit worden agglomeratiehoppers genoemd. Ze worden vervolgens naar de carrousel vervoerd, waar ze verder zullen afkoelen vooraleer ze naar de hoogoven gaan.

De "egel" (bovenaanzicht aan het einde van de transportband)

Agglomeratie is een stap die veel koolmonoxide produceert door de verbranding van cokes. Hierdoor is de lijn voorzien van een afzuigkap, zodat de gassen niet in de atmosfeer ontsnappen en de arbeiders niet vergiftigen. Onderweg worden deze gassen gereinigd om later opnieuw in het metallurgische proces te worden geïnjecteerd. De sinterfabriek heeft een zeer hoge schoorsteen bij de ingang en een tweede bij de uitgang. De verbranding van cokesstof veroorzaakt een grote rookstroom, zwaar beladen met vervuilende stoffen: stof, koolmonoxide, stikstofmonoxide, zwaveldioxide. Om aan de milieunormen te voldoen, is het steeds vaker nodig om gebruik te maken van dure technieken voor het beheersen van rookverontreiniging, die buitensporige extra kosten met zich meebrengen.

De gas- en rookafzuiging onder de transportband

De carrousel

Deze installatie bevindt zich aan de uitgang van de sinterfabriek. Het is een esthetisch ogende, ronde infrastructuur, die wat weg heeft van een draaimolen. Het gesinterde erts wordt naar deze draaimolen gestuurd om af te koelen. De installatie maakt ongeveer één omwenteling per uur. De carrousel is een open structuur met bakken. Nadat het erts één omwenteling heeft gemaakt, is het voldoende gekoeld. Het komt vervolgens terecht in een trechter, die het op transportbanden stuurt.

De carrousel met op de achtergrond de sinterfabriek

De destillatie van cokes uit steenkool

Steenkolen zijn nodig om vloeibaar ruwijzer te kunnen maken in de hoogoven, maar we kunnen ze niet rechtstreeks in de hoogoven gebruiken. Ze bevatten immers te veel schadelijke of onnuttige producten voor het hoogovenproces en bovendien zijn ze niet sterk genoeg om de lading in de hoogoven te dragen. Daarom worden de kolen eerst omgezet in cokes.

Een kolenmengsel wordt in cokesovens opgewarmd tot ongeveer 1.250 °C. Aangezien er geen zuurstof aanwezig is in die afgesloten ovens, verbranden de kolen niet. Dat proces noemen we “droge destillatie”. Het duurt ongeveer 18 uur om 35 ton kolen om te zetten in 25 ton cokes. Tijdens het destillatieproces komt een grote hoeveelheid gas en rook vrij, die – na zuivering – cokesgas oplevert en andere waardevolle nevenproducten, zoals teer, zwavel, ammoniak, naftaleen en benzol. De geproduceerde cokes wordt als brandstof gebruikt in de hoogoven en speelt een rol in de chemische processen die in de hoogoven plaatsvinden. Het cokesgas wordt volledig intern als brandstof gebruikt.

De cokes, aangevoerd vanuit de even verderop gelegen cokesfabriek, werden hier gescreend en gesorteerd, vooraleer ze hun weg vonden naar de hoogoven.

De cokesovens

Tussendoor : PCI Methode reduceert kosten en uitstoot

Het grootste nadeel van de werking van een hoogoven is de onvermijdelijke productie van kooldioxide door ijzerreductieprocessen, die wordt beschouwd als een van de belangrijkste bijdragen aan de opwarming van de aarde. De Pulverized Coal Injection (PCI)-methode werd ontwikkeld om de werking van hoogovens te verbeteren. Deze methode is ontwikkeld in de 19e eeuw, maar werd pas in de jaren 70 industrieel toegepast. De PCI-methode is gebaseerd op het eenvoudige concept van primaire lucht (het "transportgas" genoemd) die poederkool vervoert die door een lans wordt geïnjecteerd in de tuyere (middenonderinlaat van een hoogoven) en vervolgens wordt gemengd met secundaire hete lucht (genaamd de "ontploffing") die via een blaaspijp wordt aangevoerd en vervolgens naar een oven wordt geleid. Het meest opmerkelijke aspect van deze methode is dat hierdoor goedkopere steenkool in het systeem kan worden verbruikt, dure cokes kan worden vervangen, waardoor de kosten aanzienlijk worden verlaagd.

De PCI-fabriek bestaat uit een verticale molen die steenkool maalt, droogt en classificeert. Een opslagsilo die een inert gas gebruikt om het risico op brand en stofexplosies te verminderen. Een nauwkeurig weegsysteem, gecombineerd met parallel opgestelde drukvaten, die zorgt voor een ononderbroken meting van de kolentransportsnelheid en een dichte fase transport. Stikstof onder druk (meestal 40 tot 50 kg steenkool per 1 kg transportgas) wordt gebruikt voor het transporteren van poederkool onder dichte fase-omstandigheden. Een krachtig pneumatisch transportsysteem voor lange afstanden kan vervolgens poederkool tussen de injectievaten en de hoogoven transporteren.

De PCI-fabriek is een zeer (zéér) donker ensemble, wat fotograferen quasi onmogelijk maakte. Een vergelijkbare reeks over de PCI-fabriek van een ander hoogovenbedrijf vind je onder de naam "Brains Tower".

De kolenbreker of vergruizer, die steenkool maalt tot poederkool

Het hart van het bedrijf: de hoogoven

Hierboven kon je al kort kennismaken met de algemene werking van een hoogoven. De hoogoven is natuurlijk waar het allemaal om draait in dit bedrijf. Alle randfenomenen, van de aanvoer van grondstoffen tot en met de afvoer van het afgewerkte product, staan in het teken van de optimale werking van de hoogoven. Laten we dit deel van het bedrijf eens wat meer in detail bekijken.

De op voorhand klaargemaakte grondstoffen, ijzerertshoudende sinters, cokes en kalksteen, worden naar de voet van de hoogoven getransporteerd via de vele transportbanden, waar ze worden verzameld in silo's, klaar om aan de hoogoven te worden toegevoegd. De grondstoffen worden in precieze hoeveelheden en op precieze momenten naar boven getakeld via de "skips", waar ze via de "gueulard" (de mond) aan de hoogoven worden toegevoegd.

De helling waarlangs de skips naar boven worden getakeld

De lading van de hoogoven wordt in afzonderlijke lagen toegevoegd. Beneden, aan de blaasmonden, wordt hete lucht (ongeveer 1200 °C, voorverwarmd in Cowpers-kachels of warmtewisselaars) en poederkool ingeblazen, eventueel verrijkt met zuurstof. De hete lucht uit de Cowpers veroorzaakt explosies, die de temperatuur in de haard opdrijven. De zuurstof uit de lucht verbrandt de koolstof uit de cokes en poederkool onder vorming van koolstofmonoxide (CO). Het CO-gas, dat een temperatuur van ongeveer 2200-2400 °C heeft, stijgt op door de lagen cokes en erts. De ijzeroxiden in de sinter, pellets en stukertsen reduceren onder deze omstandigheden tot ijzer, en smelten tot "ijzer smelt". Dit ruwijzer smelt sijpelt nu door de cokeslagen naar beneden en verzamelt zich onder in de hoogoven (de zogenaamde haard van de hoogoven).

Zicht op de drie Cowper-kachels vanaf de hoogoven

Kilometers buizen lopen rondom de hoogoven. Deze buizen hebben verschillende functies. Er zijn gasvoorzieningen, heteluchtvoorzieningen, koelwatervoorzieningen... Voor het koelen van de wanden in de hoogoven worden twee systemen toegepast: enerzijds koelboxen en anderzijds koelelementen in de vorm van platen, de "duigen". De koelelementen die in HFB gebruikt werden, zijn van koper. Het doel van de koelstructuren is om water in de wand van de tank te laten stromen. Het interieur van de hoogoven is bekleed met duigen. Binnenin circuleert water om de tank te koelen. De koperen duigen zijn doorgaans 150 mm dik. Gewoonlijk worden koperen duigen tijdens hun montage gecombineerd met vuurvaste stenen. Zonder koeling, zelfs met vuurvaste stenen, zou de temperatuur van het afschermingsstaal erg hoog zijn, zou het worden doorgegeven aan de omgevingslucht en zou het ondraaglijk zijn voor de werknemers rondom de hoogoven. Het doel is om een werkbare omgeving voor onderhoud te behouden en om het staal van de hoogoven zelf te beschermen tegen een bijna smeltende toestand.

Twee voorbeelden van de eindeloos lijkende buizenstructuur, die de hoogoven nagenoeg volledig omgeeft en die onder meer zorgt voor de aanvoer en circulatie van koelwater rondom de mantel van de hoogoven

Wanneer er zich voldoende ruwijzer smelt heeft verzameld in de haard, wordt de hoogoven onderaan opengeboord en stroomt het ruwijzer smelt via het tapgat naar buiten. Daar wordt het opgevangen in mengers, speciaal daartoe ontworpen treinwagens met een torpedovormig voorraadvat met vuurvaste binnenbekleding. Deze worden getransporteerd naar de staalfabriek voor verdere verwerking. Wanneer al het ruwijzer uit de hoogoven is afgetapt, wordt het tapgat weer dichtgemaakt.

Sinter, pellets en stukertsen bevat naast ijzeroxides ook onzuiverheden waaronder calciumoxide en siliciumdioxide. Deze materialen smelten ook en vormen de slak, die samen met het ruwijzer wordt afgetapt en verwerkt in onder meer de cementindustrie.

De gietvloer of giethal is waar het gesmolten ijzer en de slakken worden afgevoerd. De duur van het gieten is variabel, het kan een uur duren tot drie uur of langer. Het hangt allemaal af van het tempo van de hoogoven, de lengte en de diameter van het tapgat. Gietijzer onderscheidt zich van slakken door kleur. Alleen een zeer ervaren operator ziet het verschil. Eerst stroomt het gietijzer, dan de slak. De slak is minder dicht dan gietijzer, dus het komt er bovenop. Deze gesmolten vloeistoffen stromen door een kanaal. Op het juiste moment laat een operator een barrière in het kanaal zakken om de vloeistof om te leiden naar de juiste bestemming.

De giethal. De gietvloer zit onder de blaasmonden. Vanuit de controlekamer rechts wordt de barrière in het afvoerkanaal neergelaten. Links op de foto zit een tweede gietvloer en een tweede controlekamer.

Een torpedo-vormige menger om het vloeibare ijzer smelt te transporteren

De energiecentrale

Al het bovenstaande, vereist natuurlijk een waanzinnige hoeveelheid energie, die je niet zomaar eventjes kan aftappen van het lichtnet. Er moet een indrukwekkend aantal machines bestuurd worden, machines die elk grote hoeveelheden stroom verbruiken. Daarom beschikt HFB over een eigen krachtcentrale, die voor veel van die machines energie produceert, maar ook de energie van bepaalde installaties terugwint om deze te recyclen.

De energiecentrale bestaat uit: de ketelinstallatie, de energiecentrale zelf bestaande uit twee Acec-stoomgeneratoren, een nooddieselinstallatie, een controlestation, een elektrische controlekamer, de transformatoren, het laboratorium en tot slot de reserves van hard water en gedemineraliseerd water.

De turbinehal

De energiecentrale kent een traditionele opbouw. Aanpalend aan de turbinehal bevindt zich de ketelruimte of boiler room, waar water omgezet wordt in stoom. Die stoom wordt vervolgens naar de turbinehal gestuurd om de turbines aan te drijven. In de energiekamer bevindt zich een onder druk staande waterdampturbine, die een dynamo aandrijft. Na de turbine wordt de stoom door een koelcircuit geleid om te condenseren. Het gecondenseerde water wordt opnieuw in de ketels geïnjecteerd. De opgewekte energie is een wisselspanning. De dynamo is zoiets als een fietsdynamo, alleen weegt hij enkele tientallen tonnen. De spanning wordt naar transformatoren gestuurd, die tot doel hebben de spanning te verhogen of te verlagen, zodat de stroomvoorziening naar de installaties een continue waarde heeft.

Het geheel wordt aangestuurd en gemonitord vanuit een controlekamer, die zich boven de turbinehal bevindt.

De ketelruimte of boiler room

Het laboratorium controleert de waterkwaliteit

Een gedeelte van het uit de Maas opgepompte, gefilterde en inmiddels gedemineraliseerde water komt terecht in de energiecentrale, waar het in de boiler room omgezet wordt in stoom om de turbines aan te drijven. De kwaliteit van een gedemineraliseerd product is essentieel voor een hogedrukketel (120 bar 510°C). De kwaliteit van het gebruikte water wordt continu gemonitord in dit laboratorium, dat zich tussen de boiler room en de turbinehal situeert.

Het laboratorium

De Maas zorgt voor koelte: het pomphuis

De verschillende hierboven beschreven installaties genereren elk enorm veel hitte. Vooral voor de elektriciteitscentrale en de hoogoven is dat van toepassing. Ze verbruiken enorm veel water om de installaties te koelen. Om het koelsysteem te voeden, is er een discrete installatie aan de noordwestkant van de site, die we kennen als het pomphuis.

Er is een pompunit voor het water uit de Maas, samen met een installatie die het water voorbehandelt en filtert. De pompen hebben een capaciteit van 25.800 m3 per uur. Ze zijn in overmaat, zodat als er een hapert, een tweede het kan overnemen. Het filtersysteem bestaat uit drie rotoren. Het water wordt gepulseerd door roosters, die tot doel hebben de bladeren van bomen, takken, plastic, enz. tegen te houden. Na opgepompt en gefilterd te zijn, vertrekt het water naar de verschillende voorzieningen. Na gebruik wordt het water teruggevoerd naar de Maas.

Zicht op het pomphuis

Nawoord

Mochten de foto's en teksten je inspireren om zelf eens een bezoekje te brengen aan deze (of een andere) hoogoven, houd dan steeds goed in het achterhoofd dat zo'n bezoek niet zonder gevaren is. Je kan ergens af of in vallen en je flink bezeren, je kan bendes koper- en metaaldieven tegen het lijf lopen en je kan uiteraard altijd betrapt worden door beveiliging of politie. Wees dus op alles voorbereid en bezoek een dergelijke site nooit in je eentje. Als er zich een probleem voordoet, is het wel zo handig dat er iemand bij je is die hulp kan bieden.