Masuuni
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:
Hiilikerroksen läpi kulkiessaan hiilidioksidi sekä hapettaa hiiltä hiilimonoksidiksi (häkä), että pelkistyy itse hiilimonoksidiksi:
Tämä tunnetaan Boudouardin tasapainoreaktion nimellä. Kuumuudessa myös mahdollinen kalkkikivi hajoaa vapauttaen itseensä sitoutunutta hiilidioksidia, joka myös pelkistyy hiilen läpi kulkiessaan hiilimonoksidiksi:
Hiilen palaminen tehostetulla ilmansyötöllä nostaa masuunin sydämen lämpötilan noin 1 500 °C:seen.
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 1 100 °C:ssa ja vajoaa masuunin pohjalle. Eri reaktiot tapahtuvat vyöhykkeittäin (ks. kaaviokuva)
hiilimonoksidin hapettuminen esilämmitysvyöhykkeellä (vyöhyke 5)
T > 320 °C
3 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 °C
FeO + 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.
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.
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 10 000 tonnia 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.