תנור רם

תנור רם הוא סוג של כבשן מטלורגי אשר נועד להתכת עפרות לצורך ייצור מתכות תעשייתיות. בדרך כלל מייצרים בתנור רם ברזל גולמי, אולם עושים בו שימוש אף לייצור נחושת ועופרת. בתנור רם, חומרי הייצור, דלק, עפרה ותלחים (אבן גיר) מוכנסים אל התנור באופן רציף דרך פתח בראש התנור, בעוד שזרם אוויר לוהט (לעיתים מועשר בחמצן) מוזרם אל חלקו התחתון של התנור דרך מערכת צינורות המסתיימים בזרבוביות בתוך חלל התנור כך שהתגובה הכימית מתרחשת לכל גובהו של התנור בעת שהחומר זורם כלפי בסיס התנור. התוצר הסופי הוא מתכת מותכת בתחתית התנור וסיגים הצפים מעליה ואלה מנוקזים משם מספר פעמים ביממה. הגזים המוזרמים אל תוך התנור ואלה הנוצרים בתגובה הכימית נפלטים מראש התנור. הזרם היורד כלפי מטה, של עפרה וחומר תלחים, אשר מולו עולה זרם גזי שרפה לוהט ועשיר בפחמן חד-חמצני מהווה מנגנון זרימה נגדית ובו מתרחשת התגובה הכימית. קיימים כבשנים אחרים אשר בהם, בניגוד לתנור רם, זרימת האוויר אל תוך הכבשן נעשית באופן טבעי, בעת שהגזים החמים יוצרים מפתח הארובה. אף שקיימים כבשנים נוספים הפועלים על עקרון דומה לזה של תנור רם, המונח תנור רם שמור בדרך כלל למתקנים המשמשים להתכת עפרת ברזל לצורך הפקת ברזל גולמי, שהוא המרכיב העיקרי בייצור ברזל יצוק ופלדה. תנורים רמים קיימים בסין החל מן המאה הראשונה לספירה לערך ובמערב החל משיא ימי הביניים. בשוודיה, שווייץ וגרמניה נתגלו תנורים רמים מהמאות ה-13 עד ה-15. התפשטות התנורים הרמים המודרניים המוקדמים באירופה התחילה בדרום בלגיה באזור ולוניה ומשם לאזורים אחרים באירופה. תנור רם ראשון באנגליה הוקם ב-1491. הדלק שבו השתמשו בתנורים אלה היה בדרך כלל פחם. החל מתחילת המאה ה-18 החל שימוש בקוק כדלק לתנורים רמים, דבר שהגביר את יעילות התנור. את השימוש בקוק כדלק לתנור רם החל אברהם דרבי, במחוז שרופשייר באנגליה. היתרון הראשוני בשימוש בקוק היה עלותו הנמוכה יחסית לשימוש בפחם עץ, כיוון שניתן היה לייצרו עם כוח אדם מצומצם יותר והתייתר הצורך לשנע עץ למרחקים גדולים. משקלו הסגולי של קוק אף גבוה מזה של פחם עץ, דבר המאפשר שימוש בכבשן גדול יותר עבור אותה כמות דלק. חסרונו העיקרי של הקוק הוא בתכולת מזהמים גבוהה מזו של פחם עץ, הבולט שבהם גופרית. בתחילת השימוש בקוק, הברזל הגולמי שימש בעיקר לייצור ברזל יצוק. אולם ככל שגדל פער המחיר בין ברזל גולמי שיוצר בעזרת קוק לבין ברזל גולמי שיוצר עם פחם עץ, גבר השימוש בתוצרת תנורים רמים המונעים בקוק אף בתעשיית הפלדה. החל מתחילת המאה ה-19 החל חימום מקדים של הגזים שהוחדרו לתנור, דבר שהביא להעלאה נוספת ביעילותו. הזרמת אוויר מחומם אל תוך התנור הרם הייתה אחת ההתפתחויות הטכנולוגיות החשובות בתקופת המהפכה התעשייתית. פטנט על הזרמת אוויר חם לתוך תנור רם נרשם באנגליה בשנת 1828 על ידי ג'יימס בימונט נילסון מסקוטלנד. בתוך שנים ספורות התפתחות טכנולוגית זו הביאה לירידה של שליש בכמות הקוק הדרוש בתהליך ייצור ברזל גולמי ובירידה של שני שלישים כמות פחם העץ הדרוש למטרה זו. החום שנוצר בתהליך הייצור שימש לחימום האוויר שהוחדר לתנור. סביב תנור רם מודרני קיימת שורה של מתקנים אשר מטרתם להגביר את יעילותו של התנור, בהם שטח אחסון עפרה שבו נפרקות האוניות, או הדוברות המביאות את העפרה מאתר הכרייה. העפרה מועברת אל קרבת התנור הרם בגשרים עליהם מסוע, או בקרונות משפכיים. העפרה נשקלת בטרם מועברת אל ראש התנור הרם במסוע, או במעלית. קיימות שיטות שונות להכנסת עפרת הברזל אל תוך התנור הרם. פתח כניסת החומר בחלק מן התנורים הרמים בנוי בשיטת "פעמון כפול". בשלב ראשון מוכנסת העפרה לחלל עליון, שצורתו פעמון קטן ביחס לחלל העיקרי של התנור. בשלב שני, כאשר ראש ה"פעמון" הקטן אטום, נפתח פתחו התחתון והעפרה מתווספת לחומר המעובד בחלל העיקרי של התנור. מטרת עיצוב זה היא למנוע ככל שניתן בריחת גזים חמים מן החלל העיקרי בתנור. בעשורים האחרונים קיים עיצוב "חסר פעמון" ובו קיימות קרוניות נפרדות המכילות את העפרה והדלק והחומר נשפך דרך שסתומים לחלל התנור. השסתומים מאפשרים שליטה מדויקת יותר על כמות החומר המתווסף לתהליך ההתכה, ביחס להכנסת החומר דרך סרט נע, ובכך ניתן להגביר את יעילות התנור. בחלק מדגמי התנורים האלה החומר מוזרם מן השסתום אל תעלה נעה המאפשרת פיזור מדויק של שכבת העפרה בתנור. תנור רם הוא מבנה גבוה, אשר חללו מצופה בלבנים עמידות לאש ולטמפרטורות גבוהות. החלל מתוכנן אף להכיל את התפשטות החומר המוכנס לתוכו במהלך התחממותו וירידתו ההדרגתית לתחתית התנור, תוך כדי התכתו. לפי התנור בשיא גובהו מוכנסים קוק, אבן גיר המשמשת תלחים ועפרת ברזל, בסדר מסוים ומדויק המאפשר שליטה על זרימת הגז ועל התגובות הכימיות המתרחשות בתנור. בחלקו הצר של התנור קיימים פתחי פליטה לגזים החמים העשירים בפחמן חד-חמצני, בעוד שבראש התנור קיימים שסתומי לחץ המונעים עלייה פתאומית ומסוכנת של לחץ הגז בתנור. מפתחי הפליטה עוברים הגזים דרך במסנני אבק המרכזים את האבק שבגז לתוך קרונות רכבת, להובלתם לאתר טמינה. בחציו התחתון של התנור נכנסים אל חלל התנור צינורות גזים לוהטים המסתיימים בזרבוביות בתנור. כמו כן קיים פתח לניקוז הסיגים מעל פני הברזל הנוזלי. פתח הניקוז למתכת הנוזלית נקדח לדופן התנור במקום שבו קיים "פקק" חרס חסין אש ומשם היא נוזלת תוך כדי הסרה של סיגים הצפים על הנוזל. עם סיום ניקוז הנוזל, נפקק הפתח פעם נוספת בחרס. מן הזרבוביות המסתיימות בחלקו התחתון של התנור זורמים אל חללו גזים לוהטים ומכאן גם שמו של התנור באנגלית (blast furnace). גזים אלה מגבירים את יעילות התהליך. טמפרטורת הגזים המוזרמים אל התנור נעה בין 900 ל-1300 מעלות צלזיוס וזאת בהתאם לעיצוב התנור ומצבו. הטמפרטורות בתוך התנור עשויות להגיע ל-2000 עד 2300 מעלות. בתהליכים מסוימים מחדירים לחלל התנור אף שמן, זפת, גז טבעי, אבקת פחם וחמצן, כדי ליצור אנרגיה נוספת בתהליך הייצור. במאה ה-21 קיימת מגמה של בניית תנורים רמים בעלי קיבולת גדולה והולכת, כתוצאה מכך תנורים רמים מעטים יותר, מאלה שפעלו במחצית המאה ה-20, מפיקים יותר ברזל גולמי מבעבר. נכון לשנת 2016 קיימים בעולם 21 תנורים רמים בעלי נפח פנימי מעל 5,000 מטר מעוקב. התנור הרם הגדול ביותר בעולם נמצא בגואנגג'יאנג, קוריאה הדרומית. התנור החל לפעול בשנת 2016, לאחר שיפוץ והרחבת תנור רם משנת 1987, נפחו הפנימי 6,000 מטר מעוקב והוא צפוי לייצר 5.6 מיליון טון ברזל גולמי בשנה. תנור רם הגדול באירופה הוא בבעלות חברת תיסנקרופ ופועל בדיסבורג, גרמניה. תנורים רמים עובדים על העיקרון של חיזור בו פחמן חד-חמצני, שהוא מחזר חזק יותר לחמצן בעפרת הברזל מאשר היסוד ברזל, מותיר את הברזל בצורתו היסודית. תנורים רמים נבדלים מכבשנים אחרים בכך שבתנור רם גזי הפליטה באים במגע ישיר עם העפרה והברזל, כך שפחמן חד-חמצני מפעפע בעפרה וגורם לתחמוצת הברזל לברזל טהור בתערובת עם פחמן. תנור רם פועל בתהליך זרימה נגדית בניגוד לכבשנים אחרים. הבדל בולט נוסף בין תנור רם לכבשנים אחרים להפקת מתכת, הוא שתנור רם פועל כתהליך מתמשך ורציף לתקופות ארוכות של זמן, כיוון שהפעלתם וכיבויים אורך זמן רב, בעוד שכבשנים אחרים פועלים באופן מחזורי, בכל מחזור הם מעבדים כמות נתונה של עפרה. פחמן חד-חמצני גורם גם להפחתת שיעור הצורן בברזל הגולמי. הצורן מגיב לסידן חמצני (שהוא תוצאה של אבן גיר שרופה) ויוצר סיג הצף על פני הברזל הגולמי המותך. המגע הישיר של גזי הפליטה עם הברזל גורם לזיהום הברזל בגופרית, אם היא קיימת בחומר הדלק. באופן היסטורי, כדי לייצר ברזל באיכות גבוהה ללא זיהום בגופרית, נעשה שימוש בפחם עץ. הטור היורד של עפרת ברזל, תלחים, קוק וחומרים מגיבים נוספים, חייב להיות אוורירי דיו כדי לאפשר לגז הלוהט לעבור דרכו כלפי מעלה. לצורך כך נעשה שימוש בקוק בחתיכות גדולות, היוצרות חללים בחומר, ונמנע ככל הניתן השימוש בחומר בעל חלקיקים קטנים. הקוק חייב להיות גם מוצק דיו כדי שלא ימעך מן המשקל המונח עליו. הקוק חייב גם להיות בעל תכולה נמוכה של גופרית, זרחן ואפר. לצורך כך, קוק לשימוש בתנורים רמים מיוצר מפחם מטלורגי, שהוא פחם נדיר יחסית ומחירו גבוה. התגובה הכימית העיקרית להפקת ברזל מותך היא: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 ניתן לחלק תגובה זו למספר שלבים, בשלב ראשון הגזים הלוהטים המוזרמים אל התנור הרם יוצרים תגובה עם הפחמן הנמצא בקוק אשר תוצאתה היא פחמן חד-חמצני וחום: 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g) פחמן חד-חמצני לוהט הוא גורם מחזר לעפרת הברזל ומגיב עם תחמוצת ברזל כדי ליצור ברזל מותך ופחמן דו-חמצני. בהתאם לטמפרטורה בחלקי התנור השונים (האזור החם ביותר הוא בתחתית התנור) הברזל מחוזר במספר שלבים. בראש התנור, הטמפרטורה נעה בדרך כלל בין 200 ל-700 מעלות צלזיוס בעוד שבתחתיתו היא עשויה להגיע ל-2300 מעלות. החל מטמפרטורה של 850 מעלות תחמוצת הברזל מחוזרת באופן חלקי לתחמוצת: 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g) כאשר הטמפרטורה עולה ל-1100 מעלות לערך, במורד התנור, הברזל מחוזר עוד בתגובה: Fe3O4(s) + CO(g) → 3 FeO(s) + CO2(g) פחמן דו-חמצני, פחמן חד-חמצני שלא הגיב וחנקן הנמצא באוויר החם עולה במעלה התנור תוך כדי ירידת חומר גלם מראש התנור אל אזור התגובה הכימית. ככל שהחומר יורד יותר, הגזים הזורמים בכיוון הנגדי מחממים את החומר והופכים את אבן הגיר לסיד ופחמן דו-חמצני: CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) הסיד שנוצר מגיב עם תחמוצות מזהמות שונות הקיימות בברזל (הבולטת שבהן היא צורן) ויוצר סיג פאיאליטי שהוא בעיקרו סידן סילקטי (calcium silicate), CaSiO3: SiO2 + CaO → CaSiO3 ככל שתחמוצת הברזל נעה כלפי תחתית התנור, החל מן האזור שבו הטמפרטורות מגיעות עולות מעל 1300 מעלות, מתחילה התגובה הבאה: FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) הפחמן הדו-חמצני שנוצר עובר חיזור אף הוא על ידי דלק הקוק: C(s) + CO2(g) → 2 CO(g) אותו שיווי משקל כימי, תלוי טמפרטורה, באטמוספירת הגז בתנור נקראת תגובת בודארד: 2CO CO2 + C ברזל גולמי המיוצר בתנור רם מכיל שיעור גבוה יחסית של פחמן, בדרך כלל בין 4-5%, דבר הגורם לו להיות פריך ובעל שימוש מסחרי מיידי מוגבל. בחלק מן הברזל הגולמי נעשה שימוש לייצור ברזל יצוק. רוב הברזל הגולמי מתוצרת תנורים רמים עובר עיבוד נוסף להפחתת תכולת הפחמן ומשמש לייצור פלדה בדרגות איכות שונות. אף שיעילות התנורים הרמים משתפרת כל העת, התהליך הכימי המתרחש בתוך התנור נשאר קבוע. על פי המכון האמריקאי לברזל ופלדה: "תנורים רמים ישרדו גם באלף הבא כיוון שבתנורים גדולים ויעילים ניתן לייצר מתכת לוהטת במחירים תחרותיים לשיטות ייצור ברזל אחרות." " אחד החסרונות הבולטים של תנורים רמים הוא פליטת פחמן דו-חמצני בתהליך הפקת ברזל מתוך תחמוצת ברזל בעזרת פחמן. נכון לשנת 2016 לא נמצא תחליף יעיל מבחינה כלכלית לשימוש בפחמן ותעשיית הפלדה היא אחד התורמים הבולטים של פליטת פחמן דו-חמצני לאטמוספירה. עם אתגר זה של פליטת גזי חממה מתמודדת תוכנית אירופית הנקראת ULCOS, אשר מטרתה ייצור פלדה עם פליטות פחמן דו-חמצני נמוכות. קיימות הצעות למספר תהליכי ייצור חליפיים לברזל, במטרה להפחית את פליטת פחמן דו-חמצני במהלך הייצור במחצית. צמר סלעים הוא סיב מינרלי המשמש כמוצר בידוד וכמצע הידרופוני בחקלאות. בתהליך ייצור צמר סלעים מזינים תנור רם בסלע דיאבז (diabase) המכיל ריכוזים נמוכים מאוד של תחמוצות ברזל. את הסיג שנוצר טווים כדי ליצור צמר סלעים. כמויות קטנות מאוד של מתכת נוצרת כתוצר לוואי בלתי רצוי של תהליך הייצור ואלה מטופלות כפסולת. Alan Birch, Economic History of the British Iron and Steel Industry. Taylor & Francis, 2005. ISBN 0-415-38248-3 Hyde, Charles K. (1977), Technological Change and the British iron industry, 1700–1870, Princeton: Princeton University Press, ISBN 0-691-05246-8 מדיה וקבצים בנושא תנור רם בוויקישיתוף הדגמת ייצור ברזל גולמי בתנור רם, סרטון באתר יוטיוב How a Blast Furnace Works. American Iron and Steel Institute] Jockenhövel, Albrecht et al. (1997) "Archaeological Investigations on the Beginning of Blast Furnace-Technology in Central Europe" R.U. Ayres, Technological Transformations and Long Waves. Part II, International Institute for Applied Systems Analysis, 1989 R.U. Ayres, Technological Transformations and Long Waves. Part I, International Institute for Applied Systems Analysis, 1989 American Iron and Steel Institute (2005). How a Blast Furnace Works. steel.org. POSCO ignites the largest blast furnace in the world. http://e-metallicus.com/, June 9, 2016 Europe’s biggest blast furnace relit. thyssenkrupp.com, October 20, 2014 "Blast Furnace". Science Aid. אורכב מ-המקור ב-2007-12-17. נבדק ב-2007-12-30. Rayner-Canham & Overton (2006), Descriptive Inorganic Chemistry, Fourth Edition, New York: W. H. Freeman and Company, pp. 534–535, ISBN 978-0-7167-7695-6 Dr. K. E Lee, Form Two Science (Biology Chemistry Physics)