Brontekst bekijken van Hoogoven

[[Bestand:Blast furnace at Corus IJmuiden.jpg|thumb|Hoogoven 6 van [[Tata Steel Europe|Tata Steel]] in IJmuiden (2007)]]
Een '''hoogoven''' is een installatie waarin [[ijzererts]] en [[koolstof]] worden [[Smelten (metaal)|gesmolten]] en gemengd, daarbij worden ze zo sterk verhit dat via een aantal chemische reacties [[IJzer (element)|ijzer]] [[Smelt (materiaalkunde)|smelt]] ontstaat waarin een zeker percentage koolstof is opgelost, dat vervolgens kan worden afgetapt. De koolstof dient tegelijkertijd als brandstof voor de verhitting en als [[reductor|reductiemiddel]] van het ijzererts.

== Geschiedenis ==
Voor het tijdperk van de hoogovens werd voor het produceren van ijzer gebruikgemaakt van [[laagoven]]s. Hierin vond dezelfde reactie plaats, maar was het ontstane [[IJzer (element)|ijzer]] niet zo heet dat het [[vloeistof|vloeibaar]] werd, het lag als een [[sinteren|gesinterde]] massa in de [[slak (metallurgie)|slak]] en moest door [[verhitten]] en [[Smeedijzer|hameren]] verder worden bewerkt en gezuiverd.

In China bestonden hoogovens vanaf ongeveer de 5e eeuw v.Chr.,<ref name="temple-r">{{aut|Temple, Robert K.G.}}, (2007). ''The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention'' (3rd edition). London: André Deutsch, pp. 44-5. {{ISBN|9780233002026}}</ref> in het Westen vanaf de [[Hoge Middeleeuwen]]. In het westen verspreidde de hoogoven zich vanuit de regio rond de [[Wallonië|Waalse]], aan de [[Maas]] gelegen stad Luik. In 1491, aan het eind van de 15e eeuw werd de hoogoven in Engeland geïntroduceerd. De brandstof die in hoogovens werd gebruikt, was steevast [[houtskool]]. De succesvolle, door uitputting van de beschikbare hoeveelheid houtskool gedreven vervanging van houtskool door [[cokes]] wordt toegeschreven aan [[Abraham Darby]]. Deze revolutionaire innovatie dateert van 1709. De efficiëntie van het proces werd verder versterkt door de praktijk om de ingeblazen lucht voor te verwarmen. De Schot [[James Beaumont Neilson]] nam hier in 1828 patent op.

De hoogoven onderscheidt zich hierin van de [[laagoven]], dat het doel van de hoogoven het produceren van gesmolten metaal is, dat kan worden afgetapt uit de oven, terwijl het de bedoeling van de laagoven juist is om [[Smelten (metaal)|smelten]] te voorkomen, zodat de [[koolstof]] niet in het ijzer opgelost wordt. Laagovens werden ook kunstmatig aangeblazen met behulp van [[blaasbalg]]en, maar de term hoogoven wordt normaal gesproken gereserveerd voor ovens, waar ijzer (of een ander metaal) uit [[erts (mineraal)|erts]] wordt [[raffinage|geraffineerd]]. Een hoogoven maakt gebruik van het [[Tegenstroomprincipe|tegenstrooms-uitwisselingproces]], dit in tegenstelling tot een laagoven.

== Werking ==<!-- tiel wordt als inspringpunt gebruikt, niet wijzigen! -->
[[Bestand:Blast_furnace_NT.PNG|thumb|360px|Schematische weergave hoogoven; uitleg in tekst]][[Bestand:Jan Breughel the Elder, Blast Furnace in the Forest, oil on copper, c.1602 (Galleria Doria Pamphilj, Rome).jpg|thumb|''Hoogoven in het woud'' ([[Jan Brueghel de Oude]], ca. 1602). Dit schilderij toont een hoogoven gestookt op [[houtskool]], zoals deze toen functioneerden in de [[Ardennen]].]]
[[Bestand:Vijfde hoogoven Weeknummer 62-02 - Open Beelden - 43685.ogv|thumb|Bioscoopjournaal uit 1961. Ingebruikneming van de vijfde hoogoven van de Koninklijke Hoogovens- en Staalfabrieken te IJmuiden door dhr. Spies, voorzitter van het college van adjunct-directeuren.]]Bovenaan de hoogoven worden afzonderlijke lagen [[cokes]] (2, 5) en lagen [[sinter]], [[IJzeroxidepellets|ijzeroxidepellets]] & [[IJzererts#Voorkomen|stukerts]] (1, 6) geladen. Een alternatief is om sinter te laden, een [[sinteren|gesinterd]], sterk en poreus materiaal van ijzererts, cokes, kalk en vloeimiddel. Beneden, aan de blaasmonden, wordt hete lucht (7, ongeveer 1200&nbsp;°C, voorverwarmd in warmtewisselaars 13) en poederkool (16) ingeblazen, eventueel verrijkt met zuurstof.<ref>YouTube [https://www.youtube.com/watch?v=n6Cia30FQW0 werking hoogoven en staalfabriek]</ref>

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&nbsp;°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 ijzersmelt. Dit [[Smelt (materiaalkunde)|smelt]] van [[ruwijzer]] sijpelt nu door de cokeslagen naar beneden en verzamelt zich onder in de hoogoven (de zogenaamde haard van de hoogoven).

Wanneer er zich voldoende ruwijzersmelt heeft verzameld in de haard, wordt de hoogoven onderaan opengeboord en stroomt het ruwijzersmelt (9) via het tapgat naar buiten. Daar wordt het opgevangen in [[Torpedowagon|mengers]] (11). Dit zijn 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. Het aftappen duurt ongeveer 90 minuten.

Sinter, pellets en stukertsen bevat naast ijzeroxides ook onzuiverheden waaronder [[calciumoxide]] (CaO) en [[siliciumdioxide]] (SiO<sub>2</sub>). Deze materialen smelten ook en vormen de ''[[slak (metallurgie)|slak]]'' (8), die bovenop het ijzersmelt blijft drijven. De slak wordt ook afgetapt (10) en verwerkt in o.a. de [[cementindustrie]].

==Reacties==
De belangrijkste chemische reactievergelijkingen:

:(1) <math>\mathrm{C\ + O_2\ \rightleftharpoons\ CO_2}</math> (Energie-opleverende verbranding van koolstof)

:(2) <math>\mathrm{CO_2\ +\ C\ \rightleftharpoons\ 2\ CO}</math> (Vorming van het gasvormige reductiemiddel koolmonoxide, het [[Boudouard-evenwicht]])

:(3) <math>\mathrm{Fe_2O_3\ +\ 3 CO\ \rightleftharpoons\ 3 CO_2\ +\ 2 Fe}</math> ([[reductie (chemie)|Reductie]] van ijzeroxide tot ijzer)
Voor de productie van 1 ton ijzer in een hoogoven is gemiddeld 0,5 ton cokes uit [[steenkool]] nodig en 1,6 ton ijzererts met een ijzergehalte van 60%. Bij de productie van een ton staal wordt wereldwijd gemiddeld 1,8 ton [[koolstofdioxide]] (CO<sub>2</sub>) uitgestoten.<ref name=WSSUST>{{en}} Worldsteel [https://web.archive.org/web/20210126094207/https://www.worldsteel.org/steel-by-topic/sustainability/sustainability-indicators.html Sustainability indicators], geraadpleegd op 16 februari 2021</ref> De hoeveelheid energie die nodig is om een ton staal te maken is 20 giga[[joule]].<ref name=WSSUST/> Per ton staal geproduceerd wordt tevens 2.5 tot 3.5 ton hoogovengas geproduceerd dat bestaat uit ongeveer 51 vol% stikstof, 22 vol% CO, 22 vol% CO<sub>2</sub> en 5 vol% H<sub>2</sub>.<ref>{{Citeer tijdschrift|achternaam=De Ras|voornaam=Kevin|medeauteurs=Ruben Van de Vijver, Vladimir V. Galvita, Guy B. Marin, Kevin M. Van Geem|url=https://doi.org/10.1016/j.coche.2019.09.001|titel=Carbon capture and utilization in the steel industry: challenges and opportunities for chemical engineering|jaargang=Volume 26|tijdschrift=Current Opinion in Chemical Engineering|datum=December 2019|doi=10.1016/j.coche.2019.09.001|issn=2211-3398|pagina's=81-87}}</ref> Om de koolstofdioxide uitstoot te verminderen wordt er sinds kort gekeken om een vervanger te vinden voor kolen, voorbeelden zijn waterstofgas, biomassa en kunststofafval.

Het Zweedse staalbedrijf [[SSAB]] werkt nauw samen met [[LKAB]] en [[Vattenfall]] aan de proeffabriek HYBRIT (''Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology''), die in 2020 in [[Luleå (stad)|Luleå]] met financiële ondersteuning van de [[Europese Unie]] gebouwd werd.<ref>Metaalnieuws [https://www.metaalnieuws.nl/eerste-duurzame-staalfabriek-staat-in-zweden-en-werkt-met-waterstof/ Eerste duurzame staalfabriek staat in Zweden en werkt met waterstof, 7 september 2020], geraadpleegd op 16 februari 2021. [https://web.archive.org/web/20210203114301/https://www.metaalnieuws.nl/eerste-duurzame-staalfabriek-staat-in-zweden-en-werkt-met-waterstof/ Gearchiveerd] op 3 februari 2021.</ref> In deze hoogoven wordt ijzer geproduceerd op basis van [[Waterstof (element)|waterstof]] en niet langer met cokes. Bij dit nieuwe proces neemt de uitstoot van CO<sub>2</sub> sterk af. SSAB produceert het [[diwaterstof|waterstof]] met behulp van duurzame [[elektriciteit]] uit onder meer [[waterkrachtcentrale]]s.
 
== Moderne hoogovens ==
Moderne hoogovens produceren 8500 tot 13.500 ton ruwijzer per dag, rond 1860 lag dit nog rond de 25 ton.

Aan het begin van de 20e eeuw hadden de hoogovens een binnendiameter van 4 à 5 meter en produceerden ze ongeveer 100.000 ton ruwijzer per jaar.<ref name=TPM>{{en}} {{Aut|Seshadri Seetharaman ed.}} ''Treatise on Process Metallurgy, Volume 3: Industrial Processes'' Elsevier (2013) {{ISBN|9780080969886}}</ref> Aan het einde van de 20e eeuw produceerden de grootste hoogovens zo’n 3 tot 4 miljoen ton staal per jaar en was de binnenmaat gegroeid tot 14 à 15 meter. Sinds het midden van de jaren tachtig is de omvang van de hoogovens nauwelijks meer toegenomen. De productie is nog wel licht gestegen en de allergrootste hoogovens produceren tussen de 12.000 en 13.500 ton ruwijzer per dag.<ref name=TPM/> In de tabel is deze ontwikkeling weergegeven, maar een tijdsaanduiding ontbreekt in de bron.

{|class="wikitable" style="text-align: center"
|+Ontwikkeling hoogovens van 1860 tot 1980<ref name=TPM/>
!width="80pt"|Binnendiameter<br>(in meter)
!width="80pt"|Hoogte<br>(in meter)
!width="80pt"|Inhoud<br>(in m³)
!width="80pt"|Capaciteit per dag<br>(in ton)
!width="80pt"|Jaarcapaciteit<br>(in ton)
|-
|0,9	||15,3	||64   ||25	||9100
|-
|4,5	||20,3	||425  ||450	||165.000
|-
|6,5	||24,0	||900  ||1200	||440.000
|-
|9,0	||26,1	||1425 ||2500   ||910.000
|-
|9,8	||29,4	||1763 ||4000	||1.460.000
|-
|11,2	||31,5	||2255 ||6000	||2.200.000
|-
|14,0	||36,0	||4100 ||10.000 ||3.650.000
|}
In Nederland staan er hoogovens in [[IJmuiden]] die onderdeel zijn van [[Tata Steel Europe|Tata Steel]]. In België zijn er te [[Gent]] van de groep [[ArcelorMittal]], verder twee in [[Seraing]] en een in [[Charleroi]].

==Galerij==
<gallery widths="154" heights="200" class="center">
Bestand:Bethlehem Steel Blast Furnace A drawing.png|Tekening van een hoogoven, met rechts de baan waarover de skips gevuld met grondstoffen rijden
Bestand:Hoogovenskip Bois du Cazier - Marcinelle 7-10-2018.jpg|Een hoogovenskip die cokes en ijzererts naar de mond van de hoogoven vervoert
Bestand:HF6 Seraing - Plancher relevable et route de coulée.jpg|Aan de basis het tapgat
Bestand:Blast furnaces flows.svg|alt=|[[Smelten (metaal)|Smelten]] van [[ijzererts]] en [[koolstof]] tot [[IJzer (element)|ijzer]] [[Smelt (materiaalkunde)|smelt]] in een hoogoven
</gallery>

== Zie ook ==
* [[Houtskoolhoogoven]]
* [[Puddeloven]]
* [[Bessemerprocedé]]
* [[IJzeroer]]

==Voetnoten==
{{References}}

{{Commonscat|Blast furnaces|Hoogovens}}{{Woordenboek}}{{Navigatie ijzer en staal}}
[[Categorie:Bouwwerk naar functie]]
[[Categorie:Chemische industrie]]
[[Categorie:Staalproductie]]