Melacak Evolusi Produksi Besi Dapur Tinggi
Evolusi Pembuatan Besi Dapur Tinggi
Asal mula peleburan besi pertama tersembunyi dalam sejarah yang tidak tertulis peradaban manusia. Bukti pertama alat besi yang digunakan pada zaman kuno sebenarnya berasal dari Mesir di mana sebuah alat besi ditemukan pada semak di antara dua batu dalam piramida. Asal banyak alat besi prasejarah mungkin berasal dari besi meteor. Besi meteor mengandung 5 % hingga 26 % nikel (Ni) sedangkan besi peleburan hanya mengandung jejak Ni dan sehingga artefak besi dari meteor dapat dibedakan dari objek besi peleburan.
Lebih dari 4.000 tahun yang lalu, orang menemukan besi meteor. Namun perlu waktu 2.000 tahun lagi sebelum produksi besi dari bijih besi yang ditambang dimulai. Temuan terbaik besi peleburan di India berasal dari 1800 BCE (Sebelum Era Umum). Peleburan besi dikatakan telah terjadi di antara Calybes Armenia, subjek Kekaisaran Hittite, sekitar 1500 BCE. Ketika kekaisaran mereka runtuh sekitar 1200 BCE, berbagai suku membawa pengetahuan pembuatan besi bersama mereka, menyebarkannya di Eropa dan Asia. Pengetahuan pengelolaan besi di seluruh Eropa dan Asia Barat pada akhirnya ditelusuri ke sumber ini. Zaman Besi dimulai dengan penemuan peleburan besi.
Awal Peleburan Besi
Seperti dalam reduksi bijih sulfida tembaga, reduksi oksida besi pertama mungkin tidak sengaja. Itu adalah kekuatan pengamatan yang memandu metalurg kuno ini (yang adalah penambang, kimiawan, dan teknolog pada zamannya) untuk menyadari bahwa besi dapat dihasilkan dalam dapur sederhana dengan reduksi karbon (C) langsung dari bijih oksida. Gambar pertama dari proses peleburan ditemukan pada dinding kuburan Mesir yang berasal dari sekitar 1500 BCE. (Fig. 1) Proses ini adalah parit sederhana dengan bijih dan bahan bakar tidak diketahui yang api diperkuat melalui penggunaan bellows yang dioperasikan kaki. Untuk 3000 tahun berikutnya, teknik produksi besi tidak berubah secara signifikan dengan besi spons yang dihasilkan oleh C reduksi oksida dan produk besi dibuat dengan memukul spons.
Fig 1 Proses peleburan besi digambarkan dalam kuburan Mesir
Bijih oksida besi ada di banyak area bumi. Dengan demikian, sekitar waktu yang sama ketika reduksi bijih besi sedang berlangsung di Mesir, juga dilakukan di area lain. India, China, Afrika, dan Malaya berfungsi sebagai situs untuk perkembangan awal praktik pembuatan besi. Mungkin signifikan bahwa dapur yang dikembangkan di negara-negara ini semuanya cukup mirip. Ada perbedaan dalam bentuk dan ukuran, tetapi dapur fungsional identik. Reduksi kimia ke besi terjadi tanpa peleburan, dan logam yang dihasilkan relatif murni dan lembut dan disebut besi taul. Ia dapat dipukul menjadi bentuk yang berguna. Tombak, ujung panah, keris, dan alat serta senjata lain dapat dibuat dari besi taul ini.
Selama sekitar 2000 tahun, hingga sekitar akhir milenium pertama CE (Era Umum), besi dihasilkan di dapur lokal kecil dengan proses 'bloomery'. Ukuran struktur ini tidak tersedia dalam investigasi arkeologis tetapi rekonstruksi modern dari dapur bloomery memiliki dimensi internal 300 mm dia. x 1000 mm tinggi. Dalam proses bloomery sebuah dapur dibangun dan di dalamnya ditempatkan beberapa lapisan arang kayu dan bijih besi sampai sebuah tumpukan dihasilkan. Sekitar tumpukan ini dibangun casing dari tanah liat dan batu bata yang meninggalkan lubang di atas untuk gas buang dan lubang di bawah untuk angin yang dihasilkan oleh operasi bellows. Arang kayu kemudian dinyalakan dan bellows dioperasikan hingga arang kayu habis. Casing kemudian dibuka, dan jika proses berjalan dengan baik maka ada tumpukan besi spons dan segelak escoria. Besi spons panas kemudian dipukul dengan palu untuk menghasilkan billet besi atau produk besi. Reaksi yang terjadi selama peleburan dalam proses bloomery dijelaskan di sini. Api arang kayu menghasilkan karbon monoksida (CO) dan panas mengusir air dari bijih rawa untuk menghasilkan hematit. CO mengurangi hematit menjadi oksida ferrous, wüstite. CO kemudian mengurangi wüstite menjadi besi elemen. Reaksi tidak berjalan hingga habis; ia berlangsung hingga posisi kesetimbang dan sehingga gas yang dihasilkan adalah campuran CO dan karbon dioksida (CO2). Namun, wüstite juga dapat bereaksi dengan pasir untuk menghasilkan olivin besi, (fayalite), yang merupakan komponen utama escoria yang dihasilkan. Fayalite ini adalah jalan buntu sejauh proses peleburan karena tidak dapat dikurangi menjadi besi elemen di bawah kondisi dapur. Besi yang dihasilkan memiliki titik leleh sekitar 1.540 °C, sedangkan titik leleh escoria sekitar 1.100 °C. Suhu yang tercapai cukup tinggi untuk melelehkan escoria, tetapi tidak cukup tinggi untuk melelehkan besi. Proses bekerja cukup baik, meskipun sisa escoria masih mengandung banyak besi, sering hingga dan melebihi 60 % FeO (oksida ferrous). Escoria adalah dua jenis, sebagian dari natur pori terbuka dross bijih rawa, dan sebagian kompak, keras, dan sangat tidak dapat dilelehkan, seperti yang diperoleh dari bijih besi merah.
Perkembangan dalam Proses Pembuatan Besi
Peningkatan dalam proses pembuatan besi pertama ini dilakukan dengan melapisi lubang peleburan dengan batu serta lumpur dan menggunakan bellows yang terbuat dari kayu dan kulit (Fig 2). Di China, penggunaan besi muncul sekitar 600 BCE, menyebar luas selama periode 403 BCE hingga 222 BCE. Tiongkok mengembangkan teknologi pembuatan besi yang lebih baik dan besi cair dihasilkan sejak 200 BCE berdasarkan penemuan peralatan besi cor. Tulisan kuno baik di China maupun India merujuk pada peleburan besi. Artefak lain termasuk pedang, kapak, sabit dan cangkul. Pada CE 310 cukup banyak besi dapat dihasilkan untuk memungkinkan penegakan pilar besi terkenal Delhi dan Dhar di India. Pilar besi taul di Delhi tinggi 18 m, diameter 410 mm dan berat 17 ton. Di Jepang, proses pembuatan besi dan baja tradisional yang dikenal sebagai 'Tatara' tidak sepenuhnya dikembangkan hingga abad ke-17 CE. Di Amerika Utara, Amerika Selatan dan Australia, peleburan besi tidak dikenal oleh penduduk kuno. Teknologi pembuatan besi dibawa ke negara-negara ini oleh Eropa.
Proses pembuatan besi yang dikembangkan di sekitar Laut Mediterania telah menyebar ke utara melalui Eropa. Phoenicia, Celt dan Roma membantu dalam penyebaran teknologi pembuatan besi. Salah satu teknik pembuatan besi yang dibawa oleh Roma sejauh Utara hingga Britania adalah dapur wadah atau dapur poros awal. Dapur ini terdiri dari wadah berbentuk mangkuk atau poros silinder tinggi 2 m yang dibangun ke sisi bukit. Angin yang digunakan untuk membius api di dalam dapur disediakan oleh lubang yang dibangun di dekat dasar mangkuk yang menghadap angin prevalen. Dapur diisi melalui lubang atas dengan lapisan arang kayu dan bijih besi yang dinyalakan melalui lubang bawah.
Ada dua teori tentang bagaimana peleburan besi dijalankan, satu bahwa angin ditiup melalui lubang bawah menyediakan angin yang memanaskan proses dan yang lainnya bahwa angin bertiup di atas lubang terbuka, menciptakan area tekanan rendah di sepanjang dinding depan dalam yang menarik angin masuk melalui lubang bawah (Fig 2). Dalam kedua kasus, proses tergantung pada angin dan tidak dapat diandalkan sepanjang tahun. Produknya adalah kembali massa besi spons, yang diambil melalui lubang bawah dan kemudian dipukul menjadi bentuk akhirnya.
Jenis lain dari pelebur besi awal adalah dapur sarang lebah (Fig 2). Dapur ini dibangun di tanah datar dengan menumpuk lapisan bergantian arang kayu dan bijih besi. Tumpukan ditutupi dengan lapisan tanah liat tebal dan pipa tiup yang terhubung ke bellows dimasukkan melalui dinding sisi bawah. Lapisan bawah arang kayu dinyalakan dan angin pressurized disediakan oleh bellows. Pada akhir peleburan jenis batch ini, dom tanah liat runtuh. Besi spons yang dihasilkan diupeti dari dapur sarang lebah yang dihancurkan untuk dipukul. Produksi di dapur-dapur ini adalah lumpul besi kecil dan dapur peleburan harus dihancurkan dan dibangun kembali setelah setiap siklus produksi.
Fig 2 Proses awal pembuatan besi
Jenis proses pembuatan besi ini digunakan selama beberapa ratus tahun ke dalam era modern tanpa banyak perbaikan. Kemudian sekitar kedelapan abad, sebuah forge kecil yang beroperasi di pegunungan Catalonia di Spanyol timur laut mewakili salah satu kemajuan metalurgi awal yang signifikan dalam pembuatan besi. Forge Catalan awal (Fig 2) memiliki cangkir yang dibangun batu yang disebut hearth, sekitar 910 mm tinggi dan 760 mm diameter. Sebentar di depan dasar ada lubang kecil yang memungkinkan nozel yang disebut tuyere dipasang. Nozel tuyere terhubung ke bellows untuk pasokan udara. Hearth diisi hingga tingkat tuyere dengan lumpul arang kayu. Kemudian bijih besi ditempatkan di atas tuyere dan lebih banyak arang kayu dilapisi di atas bijih. Arang kayu dinyalakan dan udara dari bellows memaksa panas CO melewati bijih yang mengurangi bijih besi menjadi massa lumpul panas besi. Massa besi yang dikenal sebagai bloom bisa berat hingga 160 kg dan dapat diambil dari hearth forge dengan tongkat tanpa menghancurkan struktur batu. Kuantitas besi ini dapat dihasilkan dalam 5 jam sementara teknologi sebelumnya hanya dapat menghasilkan sekitar 23 kg dalam 5 jam. Forge Catalan ditingkatkan ukurannya selama 200 tahun berikutnya dan penggunaannya menyebar ke Prancis, Belgia, Inggris dan Jerman. Ukuran hearth meningkat hingga 1 m persegi dan dibangun dari blok batu persegi panjang. Kuantitas udara yang disampaikan melalui tuyere juga ditingkatkan melalui penggunaan aspirator udara yang dikenal sebagai 'trompe'. Saat air jatuh melalui kolom trompe, udara ditarik ke dalam tabung dan kemudian diusir di bawah kotak. Ketika perangkat ini diintegrasikan ke dalam Forge Catalan tekanan angin melalui tuyere adalah 0,10 hingga 0,14 kg/cm² yang jauh lebih besar daripada bellows tangan atau kaki dapat dihasilkan. Tekanan angin tambahan ini mempercepat proses peleburan dan meningkatkan produksi.
Dari abad ke-10 hingga abad ke-14, Forge Catalan mengalami evolusi lebih lanjut. Bellows tangan atau kaki diganti dengan bellows yang dioperasikan roda air dan ini meningkatkan volume dan tekanan angin kebal. Selanjutnya, ada upaya untuk menangkap panas buang dari tumpukan forge dengan meningkatkan tinggi tumpukan dan mengisi bijih besi dan arang kayu dari atas tumpukan sehingga bijih dapat dipanaskan sebelumnya. Dapur-dapur ini memiliki tumpukan yang terbuat dari batu mampal yang tinggi 1,8 m hingga 4,8 m. Tinggi tumpukan dan karena itu tinggi muatan bahan baku dapat meningkat karena tekanan angin kebal yang lebih tinggi yang dapat dipaksa ke atas tumpukan ini dari bellows yang dioperasikan roda air.
Dapur Stuckofen (Fig 3) yang tertinggi tidak hanya memiliki tumpukan tinggi 4,8 m tetapi juga perubahan geometri tumpukan. Dapur ini berbentuk dua kerucut terpotong yang terhubung di diameter terlebar. Dua tuyere menjadi standar karena roda air mendorong dua bellows dengan salah satu terus-menerus dikompresi untuk menyampaikan angin kebal. Ada lubang di dasar dapur untuk mengeluarkan escoria tetapi batu mampal harus dihapus untuk mengekstrak produk akhir yang masih bloom besi yang berat sekitar 318 kg. Dapur Stuckofen dapat menghasilkan 100 hingga 150 ton dalam setahun yang melebihi kapasitas produksi Forge Catalan. Salah satu produk samping dari dapur ini adalah besi cair. Karena bijih besi memiliki waktu tinggal yang lebih lama di dapur untuk mengalami reaksi kimia dan terbuka pada suhu yang lebih tinggi, besi dapat menyerap lebih banyak C yang menurunkan titik lelehnya. Ketika bloom diambil dari dapur, besi cair ini juga diambil. Pada awalnya dianggap sebagai kerugian karena terlalu rapuh untuk diproses dengan palu. Dalam beberapa kasus, ia diisi ulang ke dalam dapur atau bahkan dibuang sebagai limbah. Dapur Stuckofen dianggap sebagai pelopor dapur tinggi (BF) modern. Ia lebih lanjut dimodifikasi menjadi 'Blauofen' (oven angin) yang mampu menghasilkan besi cair atau besi spons tingkat taul sesuai keputusan pembuat besi. Perubahan dalam produk yang diinginkan dicapai dengan mengubah jumlah bahan bakar yang diisi sebesar 10 % hingga 15 % dan dengan menurunkan posisi tuyere sebesar 500 mm dan mendorongnya lebih dalam ke dalam dapur. Pada abad ke-16 dapur-dapur ini tinggi 6,7 m dan dapat menghasilkan sekitar 1,8 ton besi per hari dengan laju bahan bakar sekitar 250 kg arang kayu per 100 kg besi yang dihasilkan. Dapur-dapur ini memiliki umur pakai sekitar 45 hari.
Langkah berikutnya dalam desain dapur untuk menghasilkan besi cair sepanjang waktu adalah 'Flussofen' (oven alir). Pengembangan Flussofen atau BF pertama pada abad ke-14 di Lembah Sungai Rhine dan area sekitar Prancis, Belgia dan Jerman. Namun, dengan perubahan dalam teknologi perang serta pembuatan besi, pencetakan meriam dari besi cair menjadi industri dominan daripada pengerjaan pedang dari besi spons. Sejak 1300 CE, pembuat besi secara aktif mencari untuk menghasilkan besi cair untuk pencetakan meriam. Dokumentasi terpercaya pertama dari BF yang diketahui adalah pada 1340 CE ketika dapur di Marche Les Dames, Belgia dibangun. Penyebaran Flussofen atau BF relatif lambat. Negara benua Eropa berhak atas kredit atas pengembangan lengkap BF dari metode primitif produksi bloom besi di Forge Catalan. BF modern adalah dapur poros yang secara bertahap berkembang dari Stuckofen dan Flussofen.
Fig 3 Dapur Stuckofen dan dapur arang kayu
Evolusi Dapur Tinggi Arang Kayu
Dapur tinggi arang kayu (Fig 3) yang dikembangkan di Eropa Benua segera menyebar ke Britania Raya di mana evolusi berikutnya dalam teknologi pembuatan besi telah terjadi. BF yang dibangun di Monmouthshire, Inggris pada 1565 CE adalah dapur pertama yang dibangun di hutan Dean yang menjadi pusat pembuatan besi besar. BF ini tinggi 4,6 m dan 1,8 m di bosh, titik terlebar di dalam dapur di mana dua kerucut terpotong bertemu. Pada 1615 CE ada 300 BF dengan rata-rata sekitar 2 ton per hari per dapur. Tingkat pertumbuhan begitu cepat sehingga menyebabkan deforestasi total lahan untuk produksi arang kayu. Selama 1600-an, pembatasan perundang-undangan diterapkan untuk melindungi hutan yang tersisa dan banyak BF ditutup.
BF pertama yang dibangun di Amerika Utara berada di Falling Creek, Virginia pada 1622. Dapur ini tidak pernah dioperasikan karena semua pekerja pabrik dibunuh dan pabrik besi dihancurkan oleh Native Americans. BF arang kayu pertama yang berhasil di Amerika Utara ada di Saugus, Massachusetts, dimulai pada 1645. BF ini memiliki tumpukan yang tinggi 6,4 m dengan dinding luar mencuram ke dalam saat naik dan 7,9 m persegi di dasar. Dapur terbuat dari granit dan batu lokal lainnya yang diikat dengan mortir tanah liat. Ia berdiri di tanah datar yang telah dibuat sistem drainase bawah tanah untuk melindungi dari kelembaban yang air yang mendorong roda bellows besarnya membuatnya sangat rentan. BF memiliki tumpukan dengan interior berbentuk telur dan dengan diameter maksimum yang dikenal sebagai bagian atas bosh adalah 1,8 m. Bosh, yang mencuram ke bawah, mendukung muatan bijih, fluks dan arang kayu. Crucifer persegi yang disebut hearth berada di bawah dasar bosh dan dilapisi batu pasir (Fig 3). Ada dinding dalam dengan pasir, tanah liat dan reruntuhan di antara pelapis dalam dan mampal luar yang bertindak sebagai bantal untuk ekspansi dan kontraksi selama siklus pemanasan dan pendinginan. Ada lengkungan besar dan dalam di dua dinding luar. Melalui lengkungan kecil melewati hidung dari dua bellows tinggi 5,5 m dan dua tuyere, yang menyampaikan angin kebal ke dalam BF. Di bawah lengkungan besar adalah area kerja hearth dan lantai cor. Crucible atau hearth bertindak sebagai resapan untuk besi cair. Hearth berukuran 460 mm persegi di dasar tetapi meluas menjadi 530 mm saat mencapai tinggi penuhnya 1,1 m. Proyeksi bagian bawahnya, disebut fore-hearth, terdiri dari dua dinding dan forestone atau bendungan. Di atas, dan tertunduk dari bendungan, ada dinding tirai batu yang disebut 'tymp', di mana tepi bawahnya turun lebih rendah dari puncak bendungan. Melalui pembukaan antara tymp dan bendungan, operator mengambil besi untuk cetakan cetakan dan dengan batang besi yang disebut ringer, meredam escoria yang menempel di dinding atau menumpuk di sekitar hidung tuyere. Untuk perlindungan terhadap aus dari operasi seperti itu, baik tymp maupun bendungan dilapisi dengan pelat besi. Pengeluaran escoria dilakukan dengan menggosok bahan cair di atas batu bendungan di lokasi yang disebut cinder notch. Untuk mengambil besi, diperlukan pengeluaran palang tanah liat yang dimasukkan dalam ruang sempit yang disebut lubang penebas, di antara salah satu dinding sisi fore-hearth dan satu ujung bendungan.
Selain pekerjaan mampal yang rumit ini, pembangunan BF melibatkan pekerjaan kayu dan kulit. Di antara atas BF dan tebing di sampingnya berjalan struktur kayu berat yang disebut jembatan pengisian. Bahan baku diambil dengan gergaji tangan dari tumpukan mereka di tebing, melintasi jembatan pengisian ke atas BF. Di tiga sisi atas BF ada layang angin kayu, yang disiapkan untuk memberikan beberapa perlindungan yang aman bagi operator yang mengisi bahan baku ke lubang pengisian yang mengeluarkan asap, percikan dan kadang-kadang nyala api. Tumpukan BF di tingkat tanah dibungkus di dua sisi oleh struktur kayu miring yang disebut rumah cor. Struktur ini memberikan penutup untuk parit dan area cetakan cetakan serta bellows. Kedua bellows dioperasikan secara bolak-balik oleh poros cam yang terhubung ke roda air overshoot. Bellows dihembuskan oleh cam pada poros utama dan diinflasi oleh bobot seimbang yang terdiri dari kotak kayu yang diisi batu dan dipasang pada balok bergerak yang meluas di luar atap rumah cor melalui lubang yang dipotong untuk menampungnya. BF mengkonsumsi 3 ton bijih besi, 2 ton batu fluks dan 2,6 ton arang kayu per ton besi yang dihasilkan. Lubang penebas dibuka dua kali sehari dan sekitar 450 kg besi cair diambil selama setiap cor. Besi cair ditarik ke dalam satu parit atau dicetak dalam cetakan pasir untuk menghasilkan produk domestik seperti panci, wajan, plat petirka, dll.
Pembuatan besi arang kayu yang dijelaskan di atas hanya berubah sedikit selama 100 tahun berikutnya ke dalam 1700-an. Tumpukan BF bertambah besar dan perbaikan dilakukan pada peralatan penghembusan. BF arang kayu tipikal pada 1700-an memiliki ukuran yang ditingkatkan 9,1 m tinggi dan diameter bosh 2,4 m. Peningkatan ukuran BF hanya mungkin melalui perbaikan pada peralatan pengiriman angin yang menghasilkan tekanan angin kebal yang lebih tinggi. Peningkatan pertama dalam sistem angin adalah penemuan tabung angin kayu yang bisa berbentuk persegi atau bulat dan mirip dengan tabung kayu yang dipegang dengan lingkungan baja eksternal. Crank eksentrik pada roda air memiliki batang piston balik dan tabung angin di setiap sisi. Piston di dalam tabung dilapisi dengan kulit untuk membentuk seal. Saat satu piston naik untuk mengompresi udara di satu tabung, piston lainnya turun di tabung lainnya. Di atas setiap tabung ada pipa keluar yang terhubung ke kotak campuran umum yang selalu di tekan. Kotak campuran menyediakan udara terkompresi ke saluran udara atau pipa utama angin yang menuju tuyere dapur. Tabung angin tipikal berdiameter 1,8 m dan tinggi 1,8 m, menghasilkan 0,14 kg/cm² tekanan angin kebal. Konsep tabung angin kayu dibawa satu langkah lebih jauh pada tahun 1760 oleh John Smeaton dari Inggris. Dia mengubah tabung kayu menjadi tabung cor baja yang dipenggerakkan pertama oleh roda air dan kemudian pada tahun 1769 oleh mesin uap. BF pertama yang menggunakan mesin penghembus uap dibangun di Skotlandia pada tahun 1769. Penemuan mesin penghembus uap menghasilkan tekanan angin kebal yang lebih tinggi yang memungkinkan penggunaan lebih lanjut bahan bakar mineral (kokos dan batu bara). Peningkatan pada tahun 1700-an ini mengarah produksi BF meningkat menjadi 3 hingga 5 ton/hari pada akhir 1700-an dari satu ton/hari dari BF tahun 1600-an. Ini bersama dengan penggunaan bahan bakar mineral menyebabkan penurunan yang cepat dalam jumlah dapur arang kayu di Eropa, meskipun kapasitas besi arang kayu meningkat di Amerika Utara saat penduduk pindah ke barat di mana ketersediaan kayu yang luas.
Pada tahun 1800-an, produksi besi arang kayu mencapai puncak dan kemudian menurun. Di pertengahan tahun 1800-an, bijih besi berkualitas tinggi ditemukan di Pennsylvania dan Pulau Atas Michigan yang memiliki hutan asli yang padat. Dapur tinggi arang kayu yang dibangun di area ini adalah yang terbesar dan paling lengkap. Dapur tinggi ini memiliki tinggi tumpukan 13,7 m dan diameter bosh 2,9 m. Jumlah tuyere meningkat dari dua menjadi tiga, satu di setiap tiga sisi dapur sementara lubang penebas ada di sisi keempat. Peralatan penghembusan biasanya silinder penghembusan horizontal dengan diameter tipis hingga 1270 mm dan stroke 1,5 m. Pengangkat platform jenis elevator mengganti jembatan pengisian dan semua bijih besi dan fluks ditimbang sebagai bagian dari muatan standar. Arang kayu masih diisi berdasarkan volume gergaji tangan besar. Pelat cangkang besi perlahan mengganti tumpukan batu mampal dan pelapis batu alami ditingkatkan menjadi bata alumina.
Salah satu perbaikan teknologi utama yang dipasang pada dapur arang kayu ini adalah peralatan pengisian. Awalnya, bahan baku dibuang ke dalam tumpukan lubang besar melalui kepala terowongan. Operator dapur tinggi menyadari bahwa dapur terbuka atas memiliki dua kekurangan, pertama gas terbakar yang keluar dari tumpukan tidak dapat ditangkap untuk memanaskan boiler dan kedua, distribusi bahan baku menyebabkan ketidakefisian operasi dapur. Upaya pertama pada tahun 1832 di Jerman untuk menangkap gas menghasilkan pemasangan tutup selang di atas lubang pengisian yang hanya dibuka saat bahan baku dibuang dari gergaji tangan (Fig 4). Lubang juga ditempatkan di sisi dapur yang terletak di atas tumpukan. Lubang ini dilengkapi dengan pipa yang dikenal sebagai down comer yang membawa gas BF ke tingkat tanah untuk dibakar dalam peralatan tambahan.
Masalah ketidakefisian dapur tinggi karena pengisian bahan baku membutuhkan solusi yang lebih rumit yang berkembang dalam beberapa langkah. Akibat ketidakefisian ini, yang digambarkan oleh laju bahan bakar yang tinggi, adalah karena material halus yang dibuang melalui lubang pengisian di tengah dapur tinggi tetap di tengah tumpukan sementara partikel kasar bergulir ke dinding dapur. Ini menghasilkan permeabilitas yang lebih tinggi di periferi dapur tinggi dan sebagian besar gas dan panas bergerak ke atas dinding. Ini merugikan operasi dapur tinggi karena material di tengah dapur tinggi mencapai area bosh tidak siap untuk dilelehkan dan pada saat yang sama aliran gas berlebih di dinding meningkatkan aus pelapis. Upaya pertama untuk menyelesaikan masalah distribusi beban ini adalah pengenalan perangkat pengisian 'cup and cone' (Fig 4). Ini terdiri dari segi makan cor baja terbalik yang dipasang di atas dapur yang menyediakan lubang pengisian. Segi makan ini sekitar 50 % diameter tengkorak. Di dalam segi makan terdapat cangkir cor baja, yang digantung pada balok titik dukung berseberangan dengan bobot seimbang. Cangkir diangkat secara manual dengan menggunakan mesin kemudi yang terhubung ke bobot seimbang. Perangkat ini berhasil menangkap gas tetapi masih banyak materi kasar yang bergulir ke dinding. Modifikasi berikutnya pada peralatan cup and cone adalah menggantungkan kerucut terpotong cor baja di dalam dapur (Fig 4). Ini menghasilkan pergeseran puncak bahan baku lebih dekat ke dinding sehingga partikel kasar sekarang juga dapat bergulir ke tengah dapur menghasilkan permeabilitas tengah yang lebih baik dan aliran gas.
Langkah evolutif berikutnya dalam pengisian yang menghapus cup and cone sepenuhnya adalah dengan menggantungkan segi makan terbalik yang terbuka ke bawah ke dalam dapur (Fig 4). Ini adalah atap jenis bell pertama dari dapur tinggi. Bell ini berhasil mendorong puncak dinding yang mengurangi aliran gas di sekitar periferi dan meningkatkan aliran gas di tengah, tetapi gas BF melarikan diri dari tumpukan setiap kali bell diturunkan. Solusinya adalah memiliki bell dan tutup untuk lubang pengisian. Saat materi dibuang dari gergaji tangan, tutup naik tetapi bell tertutup menjaga gas di dalam dapur tinggi. Kemudian tutup ditutup dan bell dibuang yang juga menjaga gas di dalam dapur tinggi dan pada saat yang sama menghasilkan distribusi beban yang tepat. Hasil dari perbaikan ini adalah efisiensi reaksi fisik dan kimia yang lebih baik di dalam dapur tinggi yang mengurangi kebutuhan bahan bakar, meningkatkan produktivitas dan mengurangi aus pelapis tahan api.
Fig 4 Evolusi peralatan atas dapur tinggi
Seiring peningkatan produksi dapur tinggi karena banyak perbaikan desain, pengeluaran produk cair (besi dan escoria) menjadi masalah. Produksi dapur tinggi arang kayu telah meningkat dari satu ton menjadi 25 ton per hari. Tonase yang lebih tinggi ini tidak dapat ditangani dengan dua cor per hari melalui satu parit di depan lubang penebas. Ukuran bangunan rumah cor meningkat menjadi sekitar 12 m lebar dan 21 m panjang. Rumah cor berisi area terpisah untuk pencetakan besi dan pengeluaran escoria. Sisi untuk pengeluaran besi terdiri dari parit besar yang disebut parit yang mencuram dari depan dapur ke lantai rumah cor yang diisi pasir. Kemudian ia terbagi menjadi dua sistem runur. Runur utama di setiap sistem berjalan sejajar dengan panjang rumah cor. Seiring runur ini mencuram ke bawah, serangkaian bendungan dibuat dengan interval teratur. Di sudut siku sebelum setiap bendungan runur yang lebih kecil disebut 'sow' terbentuk di pasir. Dari sow ini terbentuk berbagai rongga disebut 'pigs'. Nama-nama ini diterapkan karena sistem ini terlihat seperti barisan anak babi menyusui ibunya (Fig 5). Ada beberapa baris paralel sow dan pigs yang dihasilkan dengan mendorong bentuk kayu D ke dalam pasir lembap di lantai rumah cor. Selama cor, saat setiap sow dan pigs-nya terisi dengan besi cair, bendungan pasir di runur utama dihaburkan dengan batang dan logam cair mengalir ke bawah ke sow dan tempat tidur pig berikutnya. Ada dua sistem lengkap yang memungkinkan dapur tinggi dicor lebih sering. Ketika satu sisi terisi dengan besi cair, sisi lainnya pigs-nya dihilangkan dan tempat tidur dibentuk ulang.
Fig 5 Tempat tidur pig di rumah cor
Sisi lain rumah cor digunakan untuk pengeluaran escoria. Escoria terus mengalir di atas bendungan melalui runur escoria dan ke dalam parit escoria. Bendungan escoria di depan dapur tinggi dibagi menjadi dua bagian dengan setiap bagian menyediakan runur escoria dan parit escoria terpisah. Parit escoria adalah celah besar di pasir dengan dinding di dasar. Dinding-dinding ini bertindak sebagai titik pecah saat waktunya untuk mengeluarkan escoria yang menyeku. Di beberapa rumah cor, crane kayu jenis jib digunakan untuk mengangkat potongan escoria yang besar. Jika operator rumah cor menyadari lapisan escoria terlalu tebal, biasanya mereka menempatkan batang di tengah escoria cair. Kemudian saat escoria membeku di sekitar batang, tali atau rantai dapat dibungkus di sekitarnya dan potongan escoria besar diangkat oleh crane. Untuk pengeluaran escoria, ada juga dua sistem escoria lengkap sehingga saat satu digunakan, yang lain dapat dibersihkan dan disiapkan.
Asal kata 'pencetakan' dipahami berasal dari persepsi bahwa besi cair 'dicetak keluar' dari dapur. Operasi pencetakan terdiri dari dua bagian. Dalam bagian pertama, saat escoria cair terbentuk di dapur tinggi, ia akan terapung di atas besi cair sampai mencapai tingkat yang cukup tinggi untuk mengalir antara tymp dan bendungan ke runur escoria dan ke parit. Bagian kedua dari pencetakan adalah pengeluaran besi cair dari hearth dapur. Ini dimulai dengan mematikan angin kebal dan kemudian memukul batang runcing ke lubang penebas dengan palu besar. Besi cair mengalir melalui parit ke setiap sow berturut-turut dan pigs-nya. Ketika besi cair berhenti mengalir, lubang penebas ditutup secara manual dengan campuran lembap pasir dan api tanah liat atau pasir dan batu bara. Angin kebal kemudian dikembalikan ke dapur.
Setelah pencetakan, operator rumah cor mengeluarkan besi yang menyeku dari tempat tidur pig. Ketika pigs cukup dingin untuk ditangani, mereka dikirim untuk pengiriman. Siklus ini diulang enam kali per hari, dengan 4-6 ton yang dihasilkan dalam setiap pencetakan. Besi pig yang dihasilkan diklasifikasikan ke dalam berbagai grade. Besi arang kayu memiliki nilai sulfur rendah yang menghasilkan besi cor kelabu yang tangguh yang digunakan untuk menghasilkan rel dan roda kereta api yang diperlukan untuk mendukung kereta api yang berkembang pada tahun 1800-an.
Dapur tinggi arang kayu dihentikan pada akhir tahun 1800-an, karena biaya produksinya tidak lagi dapat menandingi persaingan dari praktik pembuatan besi berbasis mineral.
Pembuatan Besi Berbasis Bahan Bakar Mineral
Karena kehabisan hutan asli yang diperlukan untuk mempertahankan pembuatan besi arang kayu, menjadi perlu mencari sumber bahan bakar alternatif. Bahan bakar alternatif ini datang dalam bentuk batu bara bituminous, batu bara anthracite, kokos dan bahkan gambut. Pengembangan kokos dan pembuatan besi anthracite berjalan sejajar dan coexist dengan produksi arang kayu selama 1700-an dan 1800-an. Penggunaan batu bara bituminous dan gambut terbatas dan tidak pernah menjadi bahan bakar pembuatan besi utama. Penggunaan bahan bakar mineral untuk pembuatan besi dimulai dari Britania Raya, karena deforestasi karena produksi arang kayu pertama kali terjadi di sana.
Pada tahun 1708, Abraham Darby menyewa dapur tinggi arang kayu kecil di Shropshire dan pada 1709 dia memproduksi kokos. Dari 1709 hingga 1718, kokos dicampur dengan arang kayu dalam proporsi yang meningkat di dapur ini dan pada 1718 dapur tinggi menggunakan 100 % kokos. Sampai 1750, tiga dapur tinggi yang menggunakan kokos secara teratur milik keluarga Darby. Penggunaan kokos menyebar selama periode 1750 hingga 1771, dengan total 27 dapur tinggi yang menggunakan kokos untuk produksi besi. Penggunaan kokos meningkatkan produksi besi karena ia lebih kuat dari arang kayu. Ia dapat menopang beban lebih banyak bahan baku dan demikian ukuran dapur tinggi dapat ditingkatkan. Kokos juga meningkatkan permeabilitas di dapur tinggi, memungkinkan volume angin yang lebih besar untuk melewati dapur. Volume udara terkompresi yang lebih besar ini disediakan oleh mesin uap dan silinder penghembusan.
Penggunaan kokos di Eropa benua menyebar lambat. Kokos digunakan di Le Creussot, Prancis pada 1785, Gewitz, Silesia pada 1796, Seraing, Belgia pada 1826, Mulheim, Jerman pada 1849, Donete, Rusia pada 1871 dan Bilbao, Spanyol pada 1880. Di Amerika Utara, penggunaan pertama 100 % kokos sebagai bahan bakar pada 1835 di Huntington, Pennsylvania. Namun, sejak 1797, kokos dicampur dengan bahan bakar lain di dapur tinggi AS.
Penggunaan yang efisien dari kokos dan anthracite dalam produksi besi dipercepat tidak hanya oleh penggunaan peralatan penghembusan yang digerakkan uap tetapi juga oleh penemuan pemanasan sebelumnya udara yang ditiup ke dalam dapur tinggi. Di awal abad ke-19, dipercaya bahwa penggunaan angin dingin meningkat baik kuantitas maupun kualitas besi pig karena diamati bahwa produksi dapur tinggi lebih banyak di bulan-bulan dingin dan secara kesalahan disimpulkan bahwa suhu angin kebal yang lebih rendah adalah alasan. Namun, kinerja dapur tinggi meningkat selama bulan-bulan dingin karena fakta bahwa udara memiliki kelembaban yang lebih rendah sehingga lebih banyak pembakaran bahan bakar didukung oleh volume udara tertentu yang ditiup ke dalam dapur.
Pada tahun 1828, James Neilson mematenkan penemuannya menyediakan angin kebal yang dipanaskan sebelumnya ke tuyere. Peralatan pemanasan adalah kotak besi taul sederhana yang memiliki dimensi 1,2 m x 0,9 m x 0,6 m. Kotak besi taul ini dipanaskan secara eksternal. Suhu angin kebal maksimum yang dapat dicapai dengan kotak ini adalah 93 °C dan satu kotak diperlukan untuk setiap tuyere. Pada tahun 1832, Neilson memperbaiki penemuannya dengan membangun oven yang lebih besar dengan flange yang tergabung, membentuk panjang kontinu 30 m dan menyediakan permukaan pemanasan 22,3 m². Oven ini, yang dipanaskan dengan bahan bakar padat, menghasilkan suhu angin kebal 140 °C. Sejak penemuan ini, modifikasi dan perbaikan berkelanjutan pada oven angin kebal dilakukan dan pada tahun 1831, Dixon mengembangkan oven yang lebih tinggi dengan pipa berbentuk U yang menyediakan angin kebal pada 315 °C. Pada tahun 1840, sekitar 55 % besi pig di Britania Raya dihasilkan dengan angin kebal.
Dengan peningkatan suhu angin kebal, ada penurunan dalam kuantitas bahan bakar yang dibutuhkan dan peningkatan produksi dapur tinggi. Namun peralatan angin kebal membutuhkan banyak pemeliharaan. Pipa cor baja yang didukung dalam oven batu bata memiliki karakteristik ekspansi yang berbeda, yang mengakibatkan beberapa pipa retak. Masalah lain adalah bahwa peralatan pengiriman yang digunakan untuk angin dingin, yang terdiri dari tuyere padat dan sambungan kulit fleksibel di antara pipa, tidak dapat menahan suhu tinggi. Masalah lain dengan sistem angin kebal asli adalah biaya bahan bakar padat yang meningkat untuk memanaskan oven. Masalah-masalah ini membantu perbaikan lebih lanjut pada peralatan angin kebal. Pertama, bahan bakar padat yang digunakan untuk pemanasan diganti dengan gas BF. Awalnya peralatan angin kebal jenis exchanger panas primitif dibangun di atas dapur tinggi dan hanya menggunakan panas buang untuk memanaskan sebelumnya angin dingin yang berjalan melalui pipa cor baja. Kemudian gas BF dari atas dapur diangkut ke oven angin kebal tempat dibakar untuk menghasilkan panas. Jenis oven angin kebal ini menjadi cukup kompleks dengan banyak baris pipa vertikal. Masalah retakan pada pipa cor baja diatasi dengan menghapus pipa dan menggunakan tahan api. Untuk menggunakan metode ini, 2 hingga 4 stove dipasang untuk setiap dapur tinggi. Saat satu stove dipanaskan dengan membakar gas BF, stove lain dihabiskan panasnya dengan pemanasan angin dingin. Pada tahun 1854, Cambria Iron Works adalah pabrik pertama di AS yang menggunakan stove regeneratif. Stove-stove ini dibangun dari cangkang besi, dilapisi secara internal dengan tahan api dan berisi tahan api dengan berbagai saluran untuk angin. Stove tipikal dengan desain ini memiliki permukaan pemanasan 186 hingga 232 m². Stove-stove ini mewakili yang diproduksi oleh Cowper dan Whitwell pada tahun 1857. Stove Whitwell yang diririkan pada tahun 1875 berdiameter 6,7 m, tinggi 9,1 m dan memiliki total permukaan panas 8546 m². Ini adalah stove pertama yang menggunakan pemeriksa tahan api berbentuk hexagon, dukungan pemeriksa cor baja, dan ruang pembakaran semi elips untuk meningkatkan distribusi gas melalui pemeriksa. Stove-stove ini dapat menyediakan angin kebal ke dapur tinggi dengan suhu 454 °C hingga 566 °C. Desain stove ini tetap pada dasarnya sama hingga saat ini dengan modifikasi kecil pada jenis tahan api, bentuk pemeriksa dan ukuran stove.
Peningkatan lain pada peralatan yang diperlukan oleh penggunaan angin kebal adalah desain tuyere dan stok tuyere. Tuyere cor baja padat atau cor tembaga yang digunakan pada dapur angin dingin diganti dengan tuyere ditinjak air yang berongga, berbentuk cor cono yang memiliki air beredar di dalamnya. Pipa dari mesin penghembusan ke tuyere, yang pada dapur angin dingin dihubungkan dengan kulit, dirancang ulang dengan tempat duduk logam-ke-logam. Seiring peningkatan suhu angin kebal, bagian dalam pipa utama angin kebal dan stok tuyere dilapisi dengan tahan api, yang memerlukan peningkatan ukuran secara keseluruhan.
Penggunaan angin kebal diterapkan pada dapur kokos dan anthracite. Seiring peningkatan tekanan angin dengan mesin penghembusan baru, ditemukan bahwa anthracite dapat diisi dengan arang kayu untuk meningkatkan produktivitas dapur tinggi. Selama 1986 upaya pertama dilakukan untuk menggunakan anthracite dalam dapur angin dingin di Prancis timur. Upaya ini gagal karena anthracite yang telah menyala hancur menjadi potongan kecil dan memblokir angin untuk masuk ke dapur tinggi. Evolusi pembuatan besi kokos dan pembuatan besi anthracite berjalan sejajar di AS selama tahun 1800-an. Pada tahun 1826, dapur tinggi kecil dibangun di Pennsylvania untuk beroperasi secara eksklusif pada batu bara anthracite. Praktik ini tidak berhasil baik di sana maupun di tempat lain di AS. Selama 1833, Dr. Frederick Geissenhainer berhasil menggunakan angin kebal dalam percobaan untuk melebur besi dengan batu bara anthracite. Pada tahun 1836 dapur Valley di Pennsylvania menggunakan 100 % anthracite dan pada tahun 1837, George Crane menghasilkan 36 ton besi anthracite per minggu dari salah satu dapur tingginya di South Wales. David Thomas adalah pembuat besi yang paling sukses dalam menggunakan anthracite di dapur tinggi. Pada tahun 1838 ia datang ke AS dan membangun Dapur Tinggi Catasauqua pada tahun 1840 (Fig 6). Dapur berukuran 10,7 m persegi di dasar dengan 3,6 m bosh dan tinggi 13,7 m. Stove angin kebal, yang dipanaskan dengan batu bara, mampu memanaskan angin kebal hingga 315 °C. Karena dapur tinggi ini berhasil menghasilkan 50 ton besi cor berkualitas baik per minggu, dapur digunakan sebagai model untuk pembangunan dapur tinggi untuk menggunakan anthracite sebagai bahan bakar. Pada tahun 1856 ada 121 dapur anthracite yang beroperasi di AS.
Bahan bakar lain juga dicoba untuk pembuatan besi di dapur tinggi. Ini adalah gambut dan batu bara bituminous. Dapur tinggi gambut mirip dengan dapur arang kayu dan biasanya tidak lebih tinggi dari 6,7 m. Karena gambut secara fisik lemah, penggunaan dapur-dapur ini terletak dekat endapan gambut dan mereka tidak pernah memainkan peran utama dalam evolusi pembuatan besi. Batu bara bituminous telah digunakan untuk menambah arang kayu sebelum pengenalan angin kebal. Pada tahun 1830-an, batu bara splint digunakan di dapur tinggi angin kebal Skotlandia. Pada tahun 1856, ada 6 dapur tinggi di Pennsylvania dan 13 dapur tinggi di Ohio yang menggunakan batu bara bituminous. Era batu bara bituminous dalam pembuatan besi pada dasarnya selesai pada tahun 1895. Metode pembuatan besi ini tidak pernah menjadi kekuatan utama karena batu bara hancur menjadi potongan kecil saat dapur tinggi dibuat lebih besar dan menggunakan tekanan angin kebal yang lebih tinggi. Dengan kokos sebagai bahan bakar yang paling kuat dan paling tersedia, evolusi dapur 100 % kokos berlanjut. Namun ada hambatan awal mungkin karena kokos yang lemah. Pada tahun 1840-an kualitas kokos telah meningkat melalui penggunaan oven sarang lebah. Pada tahun 1867, dapur tinggi 'Monster' dibangun di Norton, Inggris. Dapur kokos ini tinggi 25,9 m, 7,6 m di seluruh bosh dan memiliki volume kerja 735 cum. Contoh dapur kokos besar di AS pada tahun 1884 adalah dapur Etna yang terletak di dekat Pittsburgh. Dapur ini tinggi 21,3 m, 6,1 m diameter di bosh, 3,4 m diameter di hearth dan memiliki tujuh tuyere inci (178 mm), tiga stove Whitwell dan tiga silinder penghembusan yang berdiameter 2,1 m. Dapur tinggi ini menghasilkan 115 ton/hari pada tahun 1881, 161 ton/hari pada tahun 1882 dan 182 ton/hari pada tahun 1883. Desain dapur kokos pada saat ini sangat mirip dengan dapur anthracite pada era yang sama (Fig 6).
Evolusi Lebih Lanjut Dapur Tinggi Kokos
Evolusi dapur tinggi menggunakan 100 % kokos berlanjut dengan perbaikan besar yang dilakukan antara tahun 1872 dan 1913. Beberapa perbaikan teknologi dilakukan yang berpusat pada praktik dapur tinggi hard-driving dengan menggunakan mesin penghembusan yang lebih kuat, suhu angin kebal yang lebih tinggi, dapur lebih besar, peralatan pengisian yang lebih baik, persiapan bahan baku yang ditingkatkan dan produksi gas BF bersih.
Desain dan kapasitas peralatan penghembusan adalah langkah besar menuju produksi lebih tinggi di dapur tinggi hard-driving. Silinder penghembusan diganti dengan mesin penghembusan uap bolak-balik besar yang mampu menyediakan volume angin kebal yang lebih besar pada tekanan angin kebal yang jauh lebih tinggi. Mesin penghembusan ini adalah tipe walking beam, uap menguap. Batang piston silinder uap terhubung ke balok gantung dan kemudian oleh crank ke roda gigi berat, diameter besar. Batang piston silinder penghembusan terhubung ke ujung lain balok gantung dan setiap stroke silinder uap memberikan stroke yang sesuai dari silinder penghembusan. Pipa angin dingin dipasang di setiap ujung silinder penghembusan yang ditempatkan vertikal sehingga udara dikompresi pada kedua arah stroke. Roda gigi memberikan momentum untuk stroke kembali silinder uap. Udara yang dikompresi dengan cara ini keluar dari pipa angin dingin dan memasuki pipa utama angin dingin yang terhubung ke stove angin panas. Sebelum tipe mesin penghembusan ini volume angin normal adalah 210 cum/menit pada tekanan angin kebal 0,28 kg/cm². Mesin penghembusan ini dapat menghasilkan 456 cum/menit pada tekanan angin kebal 0,64 kg/cm². Kemudian pada tahun 1910, langkah besar terakhir dalam perbaikan mesin penghembusan diimplementasikan dalam bentuk turbo-penghembus. Turbo-penghembus pertama dipasang untuk dapur tinggi Empire Steel Co. di New Jersey dan mampu menyampaikan 636 cum/menit angin kebal. Turbo-penghembus ini adalah leluhur langsung dari turbo-penghembus modern yang dapat menyampaikan hingga 7500 cum/menit volume angin kebal pada 4,00 kg/cm² tekanan angin kebal.
Peningkatan besar lain di dapur tinggi produktivitas tinggi adalah meningkatkan kapasitas pengisian. Pada tahun 1870-an dapur tinggi dilengkapi dengan elevator yang digerakkan air. Pada tahun 1883, skip hoist pertama dipasang. Skip telah menjadi lebih besar dan lebih cepat ke dalam abad ke-20 dan ada sebagai ember dan mobil yang dipasang pada roda. Pada awal tahun 1960-an beberapa sistem pengisian skip diganti dengan sabuk pengikat besar.
Peningkatan dalam kapasitas pengisian dapur juga mencakup sistem pengisian kokos otomatis, mobil timbangan di gudang stok, atap dua bell dan distributor berputar (Fig 6). Pengukuran garis stok otomatis ditemukan pada tahun 1901 oleh David Baker. Pada tahun 1903, JE Johnson juga mulai mengukur suhu gas atas dan analisisnya.
Pada tahun 1850 seiring dengan peningkatan ukuran dapur, atas dapur dapat ditutup. Suatu pengaturan campuran dan bell tunggal dapat digunakan untuk mengisi dapur yang menjaga atas dapur tertutup dan teredam. Sistem bell tunggal dan campuran memungkinkan sejumlah besar gas melarikan diri setiap kali bell dibuka. Segera sejumlah bell dan campuran kedua ditambahkan di atas yang pertama sehingga ruang gas-tight dapat disediakan di antara dua bell untuk mencegah gas dapur tinggi melarikan diri saat bell kecil dibuka. Bell dan campuran atas tidak harus sebesar yang bawah karena beberapa muatan dapat dijatuhkan melalui ke atas bell pada bell bawah dan bell atas dapat ditutup sebelum bell bawah dibuka untuk membuang muatan ke dalam dapur
Upaya untuk meningkatkan distribusi beban terjadi pada awal tahun 1990-an dengan McKee rotating top. Setelah setiap skip muatan diisi ke atas bell kecil, hopper bell kecil diputar 60 deg, 180 deg, 240 deg, 300 deg, atau 0 deg. Ini mencegah puncak bahan baku secara langsung di bawah jembatan skip yang menghasilkan distribusi gas yang tidak merata dan aus pelapis yang tidak merata. Upaya berikutnya untuk meningkatkan distribusi beban dilakukan di Jerman pada akhir tahun 1960-an. Ini dicapai dengan memasang panel yang dapat digerakkan di tengkorak dapur tinggi yang dapat diatur pada sudut yang berbeda untuk bijih atau kokos. Armor yang dapat digerakkan ini telah dipasang pada sejumlah besar dapur tinggi.
Sistem dua bell terus menjadi satu-satunya sistem pengisian untuk dapur tinggi di seluruh dunia sampai S.A. Paul Wurth di Luxembourg mengembangkan sistem pengisian atap tanpa bell (BLT) dan aplikasi industri sukses pertama dari sistem pengisian BLT pada tahun 1972. Peralatan ini menggunakan hopper bahan gas-tight yang menyediakan saluran pengiriman bahan baku berputar yang dapat diatur pada banyak sudut selama pembuangan hopper ke dalam dapur. Hasilnya adalah penempatan hampir tidak terbatas dari setiap bahan di mana saja pada permukaan beban yang memungkinkan operator untuk mencapai efisiensi bahan bakar maksimum.
Sistem pengisian BLT menggantikan sistem pengisian dua bell karena memberikan sejumlah keuntungan bagi operator dapur tinggi. Selama 2003, Siemens VAI memperkenalkan konsep Gimbal pengisian.
Upaya lain dalam arah perbaikan berkelanjutan dapur tinggi untuk meningkatkan produksi adalah menuju perbaikan dalam pembersihan gas BF. Seiring dengan peningkatan volume dan tekanan angin pada tuyere, kecepatan dan volume gas yang keluar dari atas dapur tinggi juga meningkat. Lebih banyak debu asap kemudian dibawa oleh gas buang ini dan jika tidak dihilangkan, ia mulai menyumbat pemeriksa stove yang kemudian membatasi volume angin ke dapur. Langkah pertama dalam pembersihan gas adalah pemasangan penangkap debu pada tahun 1880-an. Dengan pengenalan bijih besi lunak pada tahun 1892, penangkap debu jenis kering tidak cukup. Pada tahun 1909, Ambrose N. Diehl memperkenalkan sistem pembersihan gas basah. Ini terdiri dari deretan sembilan menara spray tekanan tinggi dan serangkaian empat rotary washer. Dari tahun 1914 hingga 1924, beberapa jenis tower washer yang dilengkapi dengan banyak bank spray dan baffle dicoba di berbagai dapur. Gas disintegrator yang berisi drum berputar kecepatan tinggi juga diuji pada tahun 1907. Pada tahun 1929 electrostatic precipitator digunakan dengan sukses di South Works of U.S. Steel. Saat ini, kombinasi tower-type gas washer, Venturi scrubber dan mist eliminator adalah jenis peralatan pembersihan gas yang paling umum.
Peralatan pembersihan gas basah terbaru adalah annular gap scrubber yang membersihkan gas serta mengontrol tekanan atas. Hasil akhir dari semua perbaikan pembersihan gas ini adalah penurunan diameter lubang bata pemeriksa stove dengan peningkatan ukuran stove karena penyumbatan dengan kotoran telah hampir dihapus. Peningkatan permukaan pemanasan stove yang dihasilkan akhirnya memungkinkan stove modern untuk menyampaikan suhu angin kebal hingga 1270 °C. Kontrol tekanan atas yang terkait yang diizinkan oleh peralatan pembersihan gas modern telah menghasilkan tekanan atas dapur hingga 2,3 kg/cm². Tekanan atas yang lebih tinggi ini pada gilirannya meningkatkan densitas gas, menurunkan kecepatan gas dan meningkatkan waktu tinggal gas di dapur, menghasilkan reaksi gas-padatan yang lebih baik, penggunaan gas redutor yang ditingkatkan dan laju bahan bakar yang lebih rendah.
Akhir-akhir ini, pada dapur tinggi baru dan rekonstruksi, terutama di China, pembersihan kering gas BF dengan filter kantong telah mendapat aplikasi yang luas. Pembersihan kering gas memiliki beberapa keuntungan dibandingkan pembersihan gas basah menggunakan scrubber dan tabung Venturi.
Pencarian untuk laju produksi yang lebih tinggi pada akhir tahun 1870-an dan seterusnya memaksa perubahan pada ukuran dapur dan konfigurasi dapur. Pada tahun 1870-an, dapur-tinggi tinggi 22,9 m. Pada tahun 1880, ukuran dapur tinggi meningkat menjadi 24,7 m tinggi, 6,1 m diameter bosh dan 3,4 m diameter hearth. Dapur ini menghasilkan 120 ton/hari dengan laju kokos 1574 kg/ton. Hanya sepuluh tahun kemudian, pada tahun 1890, dapur tinggi dibangun dengan tumpukan 28,0 m tinggi dan dengan 6,7 m bosh. Dapur ini menghasilkan 325 ton/hari. Kemudian dalam 10 tahun lagi, pada tahun 1901, dapur tinggi dimulai dengan dimensi tumpukan dan bosh yang sama seperti dapur sebelumnya tetapi diameter hearth ditingkatkan menjadi 4,4 m. Dapur ini menghasilkan 463 ton/hari pada laju kokos 1113 kg/ton. Perubahan halus lainnya dengan peningkatan ukuran ini adalah penurunan garis bengkok bosh/tumpukan dan kemiringan sudut bosh. Perubahan ini merugikan karena dapur mengalami penurunan beban yang buruk dan geseran dengan sudut bosh ini. Untuk menghilangkan masalah ini, diameter hearth dapur dengan ukuran ini ditingkatkan hingga 6,7 m pada tahun 1927. Dapur hearth yang lebih besar ini menghasilkan 880 ton/hari pada laju kokos 922 kg/ton. Dapur pertama 1000 ton/hari dirintis pada tahun 1929. Dapur ini dilengkapi dengan diameter hearth 7,6 m. Pada tahun 1955, dapur A Great Lakes adalah yang terbesar di dunia dengan hearth 9,2 m dan 24 tuyere. Lonjakan berikutnya dalam peningkatan ukuran dapur tinggi terjadi selama tahun 1960-an saat Jepang membangun kembali pabrik baja yang usang. Saat ini, dapur dengan diameter hearth 15 m, 40 tuyere dan empat hingga lima lubang penebas, umum di Eropa dan Asia.
Seiring dengan dapur yang lebih besar, suhu angin kebal yang lebih tinggi dan laju pengemasan yang meningkat, datang kebutuhan untuk pelapis tahan api dan sistem pendingin dapur tinggi yang lebih baik. Pada tahun 1880-an bata tahan api fireclay dengan sekitar 40 % alumina dan 46 % silica adalah tipikal. Namun, tahan api C digunakan di dapur tinggi Jerman sejak 1886.
Sementara teknologi tahan api relatif tidak dikenal pada saat ini, metode untuk mendinginkan pelapis tampaknya menjadi jawaban untuk masalah aus. Mulai sekitar tahun 1880, ada perkembangan simultan dalam upaya untuk memelihara pelapis dapur melalui pipa koil di sekitar bosh atau plate pendingin yang tertanam dalam bata. Salah satu penggunaan pertama plate bosh bronze dipercaya adalah instalasi yang dibuat oleh Julian Kennedy pada salah satu sekitar tahun 1890. Referensi awal tentang penggunaan jaket hearth ditinjak air adalah pada dapur pada tahun 1882. Pada saat ini, pendinginan dinding sisi hearth dan bosh adalah perhatian dan pendinginan tumpukan tidak dirasa diperlukan.
Fritz W Lurman, seorang ahli dapur tinggi terkenal pada waktu itu berpendapat pada tahun 1892 bahwa 'terlepas dari penggunaan bahan tahan api yang disebut-sebut, cara terbaik untuk memelihara dinding dapur tinggi adalah dengan air pendingin'. Pendingin dengan air yang beredar di dalamnya dipasang di antara cangkang dapur tinggi dan pelapis tahan api di bagian atas dapur untuk melindungi komponen ini dari radiasi panas. Selain memiliki pendinginnya sendiri, bagian cangkang yang berdekatan dengan hearth dan dasar dapur juga ditinjak secara eksternal oleh air semprot pada beberapa dapur.
Fungsi sistem pendinginan dapur tinggi adalah mendinginkan cangkang dapur dan mencegah dari panas berlebih dan pembakar melalui. Sistem pendinginan menghilangkan panas berlebih yang dihasilkan di dapur tinggi yang jika tidak akan dibebankan pada cangkang. Sistem pendinginan mencegah peningkatan suhu cangkang dan pelapis. Berbagai metode ada untuk pendinginan cangkang untuk dapur tinggi. Pada zaman dulu, box pendingin dengan ukuran, jumlah dan desain yang berbeda digunakan untuk mentransfer panas dapur ke medium pendingin bersama dengan pendinginan eksternal (pendinginan semprot, cangkang ganda). Dapur tinggi dengan stave pendingin cor baja beroperasi sejak pertengahan tahun 1900-an. Stave pendingin cor baja pada awalnya adalah penemuan Soviet dari mana awalnya menyebar ke India dan Jepang. Pada tahun 1970-an, stave pendingin cor baja telah diterima di seluruh dunia. Sejak pengenalan stave pendingin cor baja ini, pekerjaan pengembangan pendinginan dapur tinggi dipercepat dan saat ini berbagai macam pendingin tersedia untuk pendinginan internal cangkang dapur untuk cocok dengan kondisi stres yang ekstrim di dapur tinggi modern besar dan berkinerja tinggi.
Laju pengisian yang lebih tinggi juga mengaus tengkorak dapur lebih cepat. Pada tahun 1872, armor besi atau baja dibangun dalam batu bata tengkorak dapur di sebuah dapur. Sejak saat itu, berbagai jenis armor telah digunakan di area garis stok.
Fig 6 Dapur tinggi awal
Perkembangan penting pertama dalam teknologi pembuatan bata tidak terjadi hingga tahun 1900-an. Pada tahun 1917, bata buatan mesin pertama diperkenalkan dengan meningkatnya densitas dan kekuatannya. Pada tahun 1935, bata tekan vakum lebih meningkatkan kualitas bata. Pada tahun 1939, bata alumina super-tahan yang mengandung hingga 60 % alumina pertama kali tersedia. Pada tahun 1930-an, blok karbon digunakan di hearth dapur Jerman. Saat ini banyak varietas alumina, karbon, dan tahan api silikon karbida tersedia untuk pelapis dapur tinggi. Peningkatan dalam pendinginan dan pelapis dapur telah meningkatkan panjang kampanye tipikal dari dua tahun pada tahun 1880-an menjadi lebih dari sepuluh tahun pada tahun 1990-an. Saat ini umur kampanye dapur tinggi telah meningkat lebih lanjut hingga 20 tahun.
Area lain dari dapur tinggi yang dipaksa untuk berubah dengan peningkatan produksi adalah operasi pencetakan. Atap depan tumpukan dan bendungan gaya lama dari dapur tidak lagi memadai. Pada tahun 1867, atap depan Lurman dipatenkan untuk menghapus tumpukan dan bendungan. Ini terdiri dari panel cor baja yang ditinjak air dan memiliki pembukaan terpisah untuk pengeluaran besi (masih dikenal sebagai lubang penebas) dan untuk pengeluaran escoria (dikenal sebagai escoria atau lubang cinder). Desain ini berubah pada tahun 1880-an dengan memutar lubang escoria 90 deg dari lubang penebas. Baik panel lubang penebas dan panel lubang escoria ditinjak air. Dengan memisahkan dua titik pengambilan cair ini, lebih banyak ruang tersedia untuk menyiapkan dapur untuk jumlah pencetakan yang meningkat yang diperlukan pada laju produksi yang lebih tinggi. Area di depan lubang penebas sepenuhnya tersedia untuk tempat tidur pig sementara parit escoria dipindahkan ke sisi dapur (Fig 5). Selama operasi normal, lubang escoria dibuka dengan batang saat tingkat escoria cair mendekati tuyere. Escoria dibuang ke dalam parit atau mobil escoria khusus. Saat lubang escoria mencuri angin keluar dari pembukaan, ditutup dengan penutup manual. Dengan mengambil escoria di antara pengambilan besi, volume hearth yang lebih besar tersedia untuk besi cair yang menghasilkan tonase cor yang lebih besar. Proses pencetakan besi pada tahun 1880-an tidak berubah banyak dari operasi sebelumnya tetapi tempat tidur pig lebih besar dan pada tahun 1909 sebuah skimmer escoria dipasang untuk menyisir escoria yang terapung dari besi saat mengalir di bawah parit.
Pada tahun 1896, pemasangan mesin cor pig yang ditemukan oleh EA Uehling akhirnya membawa eliminasi lengkap tempat tidur pig di rumah cor. Selanjutnya tongkang batu bata terbuka diperkenalkan. Tongkang ini mengangkut sekitar 10 ton hingga 100 ton logam panas dan memerlukan dapur dan rumah cor diangkat di atas tanah agar tongkang dapat diletakkan di bawah lantai rumah cor. Meskipun tempat tidur pig telah dihilangkan tetapi parit dan runur tetap ada dan tutupan menuju tongkang ditambahkan ke rumah cor. Pada tahun 1915, penggunaan tongkang jenis torpedo pertama kali dilakukan. Tongkang yang dipasang di kereta api ini mengangkut 90 ton tetapi ditingkatkan menjadi 150 ton pada tahun 1925. Saat ini, desain tongkang besi mirip tetapi kapasitas hingga 400 ton tersedia. Tongkang tipe terbuka yang dipasang pada mobil rel masih digunakan hingga saat ini.
Sebelum tahun 1890, lubang penebas dibuka dengan batang dan palu besar. Kemudian pada tahun 1890 bor batu pneumatik pertama digunakan. Lubang penebas ditutup secara manual dengan angin mati dari dapur hingga tahun 1914 ketika HA Berg mengembangkan mud gun yang dikendalikan dari jarak jauh yang mendorong palang tanah liat ke dalam dapur dengan angin menyala. Pada tahun 1906, oxygen lancing pertama digunakan untuk melelehkan skull di lubang penebas. Dapur tinggi modern telah berkembang untuk mencakup bor lubang penebas yang dikendalikan dari jarak jauh, mud gun hidrolik, unit granulasi escoria rumah cor dan tutupan miring besi untuk memberi makan sejumlah tak terbatas tongkang besi. Dapur tinggi mungkin memiliki dari satu hingga empat lubang penebas dan dua hingga enam parit escoria tergantung pada ukurannya. Menghilangkan kendala di rumah cor memungkinkan operasi pertama 1000 ton/hari pada tahun 1929 dan mengarah ke tingkat produksi tahun 1990-an sebesar 12.000 ton/hari.
Sebuah garis perbaikan paralel yang berkembang pesat mulai akhir tahun 1800-an adalah persiapan bijih besi. Bijih besi yang digunakan dalam pembuatan besi terdiri dari banyak bentuk geologis seperti hematit merah, hematit specular, magnetit, limonit, bijih fosil, bijih rawa dan karbonat. Konten besi logam dari bijih ini berkisar dari sekitar 30 % di bijih rawa hingga 72 % di beberapa hematit. Semua bijih besi dicampur dengan senyawa lain di bumi yang tidak diinginkan dalam proses peleburan. Mulai tahun 1700-an, bijih besi dipanggang dengan arang kayu dalam parit terbuka atau kilung tertutup. Tujuan dari pemanggangan atau kalcinasi adalah untuk membebaskan semua konstituen volatil, seperti air, asam karbon atau senyawa bituminous, dan untuk melembutkan dan retak bijih, membuatnya lebih permeabel untuk gas redutor. Pada tahun 1800-an, penyaringan bijih besi diperkenalkan untuk menyesuaikan ukuran bijih lebih erat untuk permeabilitas gas yang ditingkatkan di dalam dapur. Pada awalnya, peralatan penyaringan tangan digunakan tetapi, pada tahun 1870-an, mesin cuci bijih yang digerakkan uap terdiri dari satu atau dua drum yang dilubangi dengan lubang atau slot untuk materi halus keluar dengan air cuci sementara bijih yang berukuran akhir dan dicuci keluar dari dalam drum ke dalam gergaji tangan atau tumpukan stok.
Seiring peningkatan produksi besi, bijih besi terpurih habis di banyak area sehingga bijih grade lebih rendah harus ditambang. Bijih ini memiliki kotoran yang tidak diinginkan dan metode untuk mengkonsentrasi bijih ini ke persentase besi yang lebih tinggi diperlukan. Pada tahun 1880, Thomas A. Edison mendapatkan paten untuk pemisah elektromagnetik. Sebuah pabrik demonstrasi dibangun di Michigan dan menghasilkan 893 ton konsentrat magnetik pada tahun 1889.
Pabrik pilot untuk pelletizing konsentrat taconite dibangun pada tahun 1948. Pada tahun 1956, dua operasi penambangan dan pemrosesan taconite skala komersial sedang menghasilkan pellet. Mesin pellet straight grate pertama dibuat pada tahun 1956 dan mesin pellet grate-kiln pertama dioperasikan pada tahun 1960. Teknologi pelletizing menyebar ke seluruh dunia dari AS. Pengembangan terbaru dalam pelletizing adalah pengenalan batu kapur mentah, dolomit atau olivine ke dalam pellet untuk meningkatkan properti metalurginya yang pada gilirannya meningkatkan produktivitas dapur tinggi dan laju bahan bakar.
Aglomerasi bijih besi juga mengambil jalur terpisah dari pelletizing lebih awal pada tahun 1900-an. Proses sintering berasal dari industri non-ferrous sebagai proses batch pada akhir abad ke-19. Sampai tahun 1950-an, sebagian besar sinter memiliki rasio basicitas kurang dari 1.0. Namun, selama lima belas tahun berikutnya, disadari bahwa sinter dasar dengan rasio basicitas lebih dari 1.0 membawa sumber fluks yang telah dikalsinasi ke dalam dapur tinggi yang menghasilkan penghematan laju bahan bakar.
Salah satu perbaikan teknologi terakhir dalam pembuatan besi selama 100 tahun terakhir telah sido injeksi pada tingkat tuyere. Penggunaan pertama yang tercatat dari injeksi adalah pada tahun 1871 ketika ada hearth dingin pada dapur arang kayu Morgan. Karena angin tidak dapat memasuki tuyere karena materi dingin, lubang dibuat melalui dinding dapur di atas salamander dan tuyere besar dipasang. Minyak batu kemudian dipaksa dengan tekanan ke dalam tuyere dari pipa yang berjalan dari atas dapur. Enam hari dan tujuh bak minyak kemudian salamander telah dilelehkan dan dapur berjalan lancar. Dalam dekade pertama tahun 1900-an percobaan awal dengan injeksi oksigen dilakukan di dapur tinggi kecil di Belgia. Angin kebal yang diperkaya oksigen skala besar pertama digunakan pada tahun 1951. Manfaat injeksi oksigen murni adalah peningkatan produksi dapur tinggi karena kapasitas pembakaran bahan bakar yang ditingkatkan dan kemampuan untuk menggunakan lebih banyak injeksi tuyere hidrokarbon. Evolusi injeksi hidrokarbon terjadi pada tahun 1940-an dan 1950-an. Pada tahun 1944, William L. Pogue mengajukan paten untuk penggunaan injeksi batu bara. Kemudian pada tahun 1953, injeksi gas alami diimplementasikan. Pada awal tahun 1960-an, injeksi minyak dan tar melalui lances dikembangkan di banyak perusahaan baja setelah penghematan kokos yang besar terbukti melalui pengujian di dapur tinggi eksperimental pada tahun 1959. Pada tahun 1967, sejumlah besar dapur tinggi menggunakan beberapa bentuk bahan bakar (biasanya bubuk batu bara) injeksi. Saat ini, banyak dapur tinggi menggunakan injeksi bahan bakar 40 % hingga 45 % dari laju bahan bakar. Injeksi tuyere terakhir, yang berkembang bersamaan dengan injeksi bahan bakar, adalah injeksi kelembaban. Secara historis, suhu angin kebal terbatas karena zona pembakaran yang terlalu panas menghasilkan penurunan beban yang buruk. Injeksi kelembaban mengkonsumsi kokos lebih cepat daripada udara saja dan menghasilkan gas yang lebih kaya dalam karbon monoksida dan hidrogen dan lebih padat. Faktor-faktor ini meningkatkan tingkat transfer panas antara gas dan padat dan tingkat reduksi beban di tumpukan dapur, yang menghasilkan dapur yang berjalan lancar.
Kombinasi injeksi kelembaban, injeksi bahan bakar dan injeksi oksigen memungkinkan peningkatan suhu angin kebal dan penggunaan semua variabel tingkat tuyere ini lebih meningkatkan produktivitas dan mengurangi laju bahan bakar di dapur tinggi modern.
Evolusi Pembuatan Besi Dapur Tinggi sebagai Ilmu
Secara historis, pembuatan besi lebih merupakan seni daripada ilmu. Produsen besi awal mempelajari pekerjaan mereka melalui tahun-tahun pelatihan dari generasi sebelumnya. Banyak perbaikan dalam praktik pembuatan besi didasarkan pada insting atau keberuntungan murni. Namun, pada pertengahan abad ke-19, ilmu mulai menyelinap ke dalam perkembangan peleburan besi.
Charles Schinz dari Jerman, salah satu peneliti awal fenomena kimia dan fisik yang terjadi di dalam dapur tinggi, mencoba membuat neraca massa dan energi kuantitatif dari operasi dapur tinggi tetapi ia sangat terbatas oleh ketiadaan data termodinamika yang akurat. Ia melakukan percobaan laboratorium untuk menentukan kapasitas panas dan panas pembentukan dan ternyata yang pertama menentukan kemeredabilitas bijih besi. Ia mendefinisikan zona berbeda dari dapur tinggi dan reaksi kimia utama yang terjadi di setiap zona. Hasil karyanya diterbitkan pada tahun 1868.
Beberapa prinsip yang diakui saat ini dipostulasikan oleh Sir Lothian Bell, pada akhir tahun 1800-an. Ia menerbitkan sebuah buku pada tahun 1872 yang diakui sebagai buku teks pertama tentang pembuatan besi dapur tinggi. Pada tahun 1884, ia ternyata yang pertama mendokumentasikan fungsi berbagai komponen escoria dan pengaruhnya pada suhu pelehahan. Ia juga mengamati bahwa escoria dapur tinggi adalah struktur kompleks dan ada rentang komposisi escoria yang menghasilkan properti fluida yang baik dan kemampuan desulfurisasi. Kontribusi terpentingnya adalah pemahamannya tentang reaksi kimia. Ia mengenali pentingnya CO dan CO2, dan yang pertama mulai mendefinisikan kesetimbang dalam sistem Fe-O-C. Lebih lanjut, Bell membahas pemanasan sebelumnya dan prereduksi bijih besi dan pentingnya tumpukan dapur tempat reaksi ini terjadi. Ia juga membuat neraca karbon, oksigen dan nitrogen dari operasi dapur tinggi dan menunjukkan bahwa beberapa karbon yang diisi dikonsumsi di tumpukan oleh CO2 dalam reaksi 'solution loss'.
Sekawan Bell adalah ML Gruner, profesor metalurgi di Prancis, lebih mengembangkan metode Bell untuk menentukan neraca panas dapur tinggi dengan membandingkan banyak operasi dapur yang berbeda. Ia juga percaya bahwa laju bahan bakar minimum untuk dapur tinggi akan tercapai ketika solution loss dihilangkan.
JE Johnson, Jr. adalah ilmuwan Amerika pertama yang menjelajahi proses dapur tinggi dan menerbitkan dua buku tentang desain dan operasi dapur tinggi pada awal tahun 1900-an. Ia menerapkan hukum pertama dan kedua termodinamika pada pembuatan besi dan menjelaskan bagaimana laju bahan bakar dipengaruhi oleh suhu angin kebal. Ia berpendapat bahwa ada suhu dapur kritis di atasnya diperlukan sejumlah minimum panas. Jumlah minimum panas ini ia sebut 'hearth heat'. Dalam bukunya, yang diterbitkan pada tahun 1913, Johnson menghasilkan diagram yang menunjukkan reaksi kimia dan isotherm di dapur tinggi. Penerapan konsep suhu kritis dan hearth heat lebih meyakinkan operator dapur bahwa proses dapur tinggi adalah rasional dan dapat diprediksi.
Selama periode dari tahun 1920 hingga 1930, aliran padat dan gas di dapur tinggi dipelajari secara ekstensif oleh sekelompok pekerja bernama PH Royster, SP Kinney, CC Furnas, dan TL Joseph. Grup ini tertarik pada fenomena fisik dan kimia yang terjadi di dapur tinggi dan untuk memahami fenomena ini mereka merasa perlu mengambil sampel dan menyelidiki dapur yang beroperasi. Kerja mereka dimulai dengan dapur tinggi eksperimen kecil dan menyebar ke dapur komersial. Hasil studi mereka menunjukkan bahwa aliran gas dan padat tidak merata di seluruh bidang horizontal mana pun di dapur tinggi dan bahwa meningkatkan kontak gas-padat di tumpukan dapur dapat meningkatkan secara signifikan efisiensi proses pembuatan besi. Furnas dan Joseph melanjutkan pekerjaan ini dan menentukan bahwa ukuran bahan baku dan kemeredabilitasnya sangat penting dalam reaksi gas-padat. Pekerjaan penting ini mengarah pada pemahaman distribusi beban dan pengoptimalan ukuran bijih besi karena dampaknya pada kemeredabilitas dan permeabilitas.
Pada tahun 1962, R. Stephenson menjelaskan peran solution loss. Sebelumnya, dipercaya bahwa produksi CO melalui reaksi dengan CO2 dan karbon adalah pemborosan bahan bakar. Stephenson menyarankan bahwa reduksi oksida besi adalah kombinasi dari reduksi tidak langsung dan reduksi langsung dan bahwa reduksi tidak langsung diikuti oleh solution loss adalah reduksi langsung. Dengan menggunakan pertimbangan ini untuk menentukan laju karbon untuk semua kombinasi dari dua rute reduksi ini sebagai fungsi dari solution loss, hasil dapat dicetak pada 'carbon-direct reduction diagram'. Pada tahun 1960-an dan awal tahun 1970-an, aplikasi terbaik dari teori dapur tinggi ini diterapkan di Jepang. Saat ini, perbaikan Jepang telah menyebar dalam bentuk dapur tinggi besar, sangat terotomatisasi ke tempat lain.
Teori dan praktik teknologi peleburan besi telah lama berjalan dalam 4000 tahun terakhir. Transisi dari besi spons yang dihasilkan di forge ke besi cair yang dihasilkan di dapur tinggi pada tahun 1300-an adalah langkah besar pertama dalam memajukan teknologi pembuatan besi. Kemudian datang perubahan dari dapur arang kayu angin dingin ke dapur kokos angin panas pada pertengahan tahun 1800-an yang membawa pembuatan besi ke era modern. Pemahaman yang lebih baik tentang reaksi pembuatan besi dan peralatan yang ditingkatkan berkembang menjadi operasi dapur hard-driving yang berkonsentrasi pada tahun 1880 hingga 1900-an. Akhirnya, revolusi dalam aplikasi ilmiah pada peleburan besi, pemasangan peralatan yang lebih canggih, dan kemunculan sistem yang dikendalikan secara elektronik telah mempercepat pembuatan besi dapur tinggi ke kondisi saat ini seperti yang ditunjukkan oleh operasi dapur tinggi sekitar 12.000 ton/hari dengan laju bahan bakar kurang dari 460 kg/ton.
