visoka peć, metalurški agregat (peć) za kontinuiranu proizvodnju sirovoga željeza taljenjem zasipa, tj. mješavine željezne rude, talitelja i krutoga goriva (metalurškoga koksa). Prema konstrukciji, ubraja se u oknaste ili jamske (šahtne) peći. Vanjski metalni oklop peći obzidan je iznutra zidom od visokovatrostalnih opeka, koji se gradi ovisno o temperaturi unutar peći (120 do 150 °C pri vrhu peći, gdje se zasip ulaže, pa do 2000 °C na dnu, gdje se mješavina tali i prikupljaju proizvodi taljenja). Visina suvremenih visokih peći prelazi 30 m, a unutarnji obujam iznosi 3000 do 5000 m³. Unutarnji, šuplji dio ili profil peći sastoji se od pet dijelova (od vrha prema dnu): grotlo, trup, trbuh, sedlo i gnijezdo. Grotlo, trbuh i gnijezdo okrugla su presjeka.
Grotlo (ždrijelo) najviši je dio visoke peći kroz koji mješavina ulazi u peć. U grotlu se nalazi uređaj za punjenje peći (zasipni uređaj), za ravnomjerno odvođenje plinova izgaranja te za zatvaranje peći (zatvarač). Na grotlo se nastavlja trup (okno, jama), koji se sužava prema vrhu peći i ima oblik krnjega stošca. Ispod trupa nastavlja se trbuh kao najširi, cilindrični dio peći. Relativno male visine (1,5 do 2 m), trbuh preuzima mješavinu koja se spušta s vrha peći i koja već djelomično prelazi iz krutoga u plastično stanje. Ispod trbuha nalazi se dio peći koji se sužava prema dnu, a naziva se sedlo (lijevak). Takav oblik sedla, tj. proširenje u gornjem i sužavanje prema donjemu dijelu, uzrokovan je i promjenom obujma mješavine i njoj prilagođen, a mješavina se, spuštajući se s vrha peći, upravo na tome mjestu počinje taliti i stvarati prve kapljice željeza i troske, smanjujući pritom svoj obujam. Tako sedlo svojim suženjem zadržava mješavinu prije konačnog i vrlo intenzivnoga taljenja u gornjem dijelu gnijezda. Gnijezdo (pećica) najniži je dio visoke peći. Pri vrhu gnijezda, duž cijeloga opsega, nalaze se jednoliko raspoređeni otvori sa sapnicama za dovod i upuhivanje predgrijanoga, vrućega zraka, u kojem izgara gorivo. Rastaljeni proizvodi (sirovo željezo i troska) periodično se ispuštaju iz peći kroz jedan ili više otvora. Otvori za ispust rastaljenoga željeza nalaze se na samom dnu gnijezda. Troska, koja je lakša, pliva na rastaljenom željezu pa se otvori za ispust troske nalaze iznad otvora za ispust željeza.
Sastojci mješavine
Željezne rude
Željezne rude
. Za proizvodnju sirovoga željeza najviše se rabe oksidne željezne rude (hematit, magnetit, limonit), rjeđe karbonatne (siderit), dok se sulfidne i silikatne željezne rude uglavnom ne rabe. Prema udjelu željeza bogate su rude s više od 50% željeza (do 64%), srednje bogate sa 40 do 50%, a siromašne one s manje od 34% željeza. Neovisno o udjelu željeza, sve se rude prije taljenja podvrgavaju oplemenjivanju (pripremi). To su postupci okrupnjivanja sitnozrnatih ruda sinteriranjem te ruda u prahu peletiziranjem. Osim željeza, rude sadrže i nemetalne primjese (jalovinu), pa se prema prevladavajućemu sastojku u jalovini mogu podijeliti na kisele (s većim udjelom kremena) i bazične (s manjim udjelom kremena, a većim udjelom kalcijeva ili magnezijeva oksida).
Talitelji
Talitelji
su dodatci nužni za taljenje kiselih željeznih ruda, koje su među željeznim rudama najčešće. Baziraju se na oksidima kalcija ili magnezija (vapnenac, dolomit), koji neutraliziraju kremen (silicijev dioksid) i taljenjem prelaze u trosku. Uz jalovinu, talitelji u trosku vežu i pepeo iz goriva te druge nemetalne sastojke u mješavini.
Gorivo
Do kraja XVIII. st. gorivo u visokim pećima bio je drveni ugljen, a danas je to metalurški koks s velikim udjelom hlapljivih tvari i malim udjelom sumpora (< 1%). Njegova je potrošnja do 500 kg na 1 t sirovoga željeza. Metalurški koks, koji sadrži 84 do 89% ugljika, ima višestruku namjenu: u gornjem dijelu sedla visoke peći djeluje kao rešetka ili saće kroz koje prema vrhu peći struji vrući visokopećni (zasipni, grotleni) plin, u gnijezdu izgara s kisikom iz predgrijanoga zraka i pritom se razvija toplina dovoljna za taljenje mješavine i nastanak tekućega sirovoga željeza i troske, ugljik iz koksa služi kao sredstvo za redukciju željeznih spojeva iz rude (u prvom redu oksida) u elementarno, metalno željezo, a vrlo fine čestice ugljika otapaju se u rastaljenom željezu, čime nastaje sirovo željezo kao slitina željeza i ugljika. Kako danas nedostaje kvalitetnih kamenih ugljena za koksiranje te metalurški koks postaje sve skuplji, dio koksa u mješavini zamjenjuje se tekućim ili plinovitim ugljikovodicima ili ugljenom u prahu, koji se upuhuju u zonu izgaranja.
Vrući zrak
Zrak potreban za izgaranje goriva u gnijezdu visoke peći predgrijava se u kauperima, uređajima koji se prije ulaska hladnoga zraka zagrijavaju izgaranjem pročišćena visokopećnoga plina. Uz jednu visoku peć potrebna su tri kaupera. Predgrijani zrak (> 1000 °C) upuhuje se u gnijezdo peći pod tlakom od 1,5 do 4,2 bara, što ovisi o volumenu peći.
Procesi u visokoj peći
Visoka peć protustrujni je izmjenjivač topline, u kojem se kruta mješavina (zasip) ulaže na vrhu i spušta prema dnu, a vrući visokopećni plin struji od dna prema vrhu, zagrijavajući mješavinu. Sastojci mješavine dovode se na vrh peći, u grotlo, beskonačnim vrpcama ili, rjeđe, kosim dizalicama. Za proizvodnju 1 t sirovoga željeza potrebno je oko 1,6 do 2,0 t željezne rude (u obliku sintera ili peleta), do 0,5 t koksa i 0,2 do 0,5 t talitelja te 2500 do 3000 m³ zraka. Kontinuiranim zasipavanjem peć je stalno puna gotovo do vrha trupa. Obično se prostor od grotla do sapnica u gnijezdu dijeli u tri zone: zonu zagrijavanja, zonu neizravne redukcije i zonu taljenja. U prvoj zoni, koja seže samo nekoliko metara od vrha grotla (temperatura do 300 °C) zasip se predgrijava i suši. Zona redukcije seže do trećine sedla, gdje vlada temperatura 1100 do 1200 °C, a dalje, do visine sapnica, nalazi se zona taljenja. Koks, koji pristiže s vrha peći, u gnijezdu izgara u vrućem upuhanom zraku (prethodno zagrijanom i do 1300 °C). Pritom se ugljik najprije spaja s kisikom iz zraka u ugljikov dioksid (CO2). U daljnjem kontaktu s ugljikom iz koksa, koji stalno pristiže u gnijezdo, ugljikov dioksid na temperaturama do 2000 °C prelazi u ugljikov monoksid (CO). Tako u gnijezdu nastaje plin koji može imati i više od 35% monoksida, a ostatak je dušik iz zraka. Takav plin, s temperaturom višom od 1800 °C, diže se u više dijelove peći, pa se u zoni redukcije ugljikov monoksid veže s kisikom iz željeznih oksida, pri čem prelazi u ugljikov dioksid, a željezo se izlučuje u elementarnom stanju. To je osnovna reakcija u procesu visoke peći i najveći se dio željeza reducira na taj način. Kako je talište čistoga željeza znatno više od temperature u zoni redukcije (< 1000 °C), izlučeno željezo nalazi se u čvrstom spužvastom stanju. Istodobno s redukcijom, pri temperaturi manjoj od 500 °C raspada se ugljikov monoksid na ugljikov dioksid i ugljik. Vrlo fine čestice ugljika padaju na izlučeno spužvasto željezo i u njem se otapaju (karbidizacija), čime nastaje sirovo željezo kao slitina željeza i ugljika. Ugljik snižava talište željeza u slitini na 1100 do 1200 °C. Spuštanjem zasipa, spužvasto sirovo željezo dospijeva u zonu taljenja, u kojoj je temperatura viša od njegova tališta, pa se tali zajedno s troskom, kaplje kroz zasip i skuplja se u gnijezdu. Lakša troska pliva na rastaljenom željezu i čuva ga od ponovne oksidacije. Dio željeznoga oksida koji u zoni redukcije nije bio reduciran ugljikovim monoksidom, prelazi u trosku, ali se u zoni taljenja reducira u izravnom dodiru s užarenim ugljikom. Tu se redukciju naziva izravnom redukcijom, za razliku od prije opisane neizravne redukcije ugljikovim monoksidom. Osim redukcije željeza, u zoni taljenja reduciraju se i primjese u sirovu željezu (silicij, mangan, fosfor, sumpor).
Proces je u visokoj peći kontinuiran, a glavni su proizvodi sirovo željezo (slitina s 3,5 do 4,5% ugljika), troska i visokopećni (grotleni) plin. Pritom nastaje i do 40 kg prašine po toni proizvedenoga sirovog željeza. Visokopećni plin izlazi na vrhu visoke peći (s temperaturom do 150 °C), a služi kao gorivo koje izgaranjem daje toplinu potrebnu za zagrijavanje zraka u kauperima. Prije uporabe treba ga pročistiti, tako da koncentracija prašine bude manja od 20 mg/m³. Sastoji se uglavnom od ugljikova monoksida i dioksida (zajedno oko 40%), vodika (oko 5%) i dušika. Energetska mu je vrijednost manja od 4000 kJ/m³, ali u smjesi s nekim drugim gorivim plinom, npr. s koksnim ili prirodnim plinom, može biti vrlo prikladan energent i za širu primjenu.
U Europi je prva visoka peć bila konstruirana oko 1460. u Kataloniji (katalonska peć). Godine 1619. bio je izumljen postupak za dobivanje željeza u visokoj peći s pomoću kamenog ugljena, a polovicom XVIII. st. ugljen se počeo zamjenjivati koksom. U Hrvatskoj je prva moderna visoka peć počela s radom 1808. u Trgovima na Banovini, 1860-ih proizvodnja se seli u Bešlinac, gdje se koncentrirala preradba željezne rude sve do 1939. Tada je, na poticaj inženjera Miroslava Tomca, bilo osnovano Rudarsko udruženje – Talionica u Capragu u Sisku, preteča potonje Željezare Sisak, u sklopu koje je 1939. bila postavljena prva, a 1949. i druga visoka peć, no obje su prestale raditi 1991.
