Pretvornik v metalurgiji: Bessemer in osnovna kisikova peč

Zgodovina in delovanje pretvornika: od Bessemerjevega izuma do sodobne osnovne kisikove peči — kako surovo železo postane jeklo.

Pretvornik je kemični reaktor, ki surovo železo spremeni v jeklo. Surovo železo (imenovano tudi lite železo ali pig iron) je proizvod plavža, vsebuje pa običajno do okoli 4 % ogljika. Zaradi visoke vsebnosti ogljika je surovo železo trdo in krhko, zato ga je treba za večino uporab obdelati: ogljik sežgati oziroma odstraniti. Ta postopek imenujemo pretvorba (dekarburizacija), reaktor pa pretvornik ali konverter.

Bessemerjev pretvornik

Prvi praktični pretvornik je leta 1856 izumil Sir Henry Bessemer. Njegov konverter je bila velika posoda hruškaste oblike z zračnimi šobami (tuyeres) v dnu. V vroči konverter se je polilo staljeno surovo železo iz plavža, nato pa je bil skozi dno močno pihan zrak. Reakcije med kisikom iz zraka in ogljikom so bile zelo hitre in burne: nastajal je glasen hrup, odpremljali so se plameni in iskre (včasih do nekaj deset metrov od ustja peči). Po približno desetih minutah je bila večina ogljika izgorela in surovo železo je postalo jeklo.

Bessemerjev postopek je bil prelomnica, ker je omogočil hitro in poceni proizvodnjo velikih količin jekla. Vendar je imel tudi omejitve: zrak vsebuje veliko dušika, ki je za nekatere vrste jekla nezaželen, in prvotni konverter z kislim oblogami ni mogel odstraniti fosforja iz surovega železa. Rešitev je prišla kasneje z razvojem osnovnega ("basic") Bessemerjevega procesa, znanega kot Thomasov postopek, ki sta ga uvedla Percy Gilchrist in Sidney Gilchrist Thomas (konec 19. stoletja). Z uporabo osnovne obloge (apnenec, magnezija) se fosfor veže v žlindro in se odstrani iz jekla.

Osnovna kisikova peč (osnovni pretvornik kisika)

Sodobni pretvornik, imenovan osnovna kisikova peč (ang. Basic Oxygen Furnace, BOF), namesto zraka uporablja skoraj čisti kisik. Ta tehnologija je bila razvita v sredini 20. stoletja (približno 1949, v Avstriji) in je danes najpogostejša metoda pretvorbe surovega železa v jeklo v večini železarij.

Peč je velika posoda iz jekla, obložena z ognjevzdržnimi osnovnimi materiali (na primer kalcijev oksid in magnezijev oksid), da vzdrži visoke temperature in da omogoča odstranjevanje nečistoč v žlindri. Tipične lastnosti in potek procesa:

• V pretvornik se naložita vroče staljeno surovo železo in določena količina odpadnega železa. Scrap (odpadno železo) se pogosto uporablja zato, da se zmanjša temperatura in poraba energije ter da se uravnava sestava končnega jekla.
• Ker so odpadki pogosto zarjaveli in vsebujejo kisik, del oksidacije že poteka ob taljenju; to pomaga pri izgorevanju ogljika in ohranja temperaturo.
• Ko so surovine pripravljene, se v staljeno kopico spusti posebna cev, imenovana kisikovo kopje (oxygen lance), in se skozi njo vbrizga zelo čist kisik z visokim pretokom. Kisik reagira z ogljikom in drugimi nečistočami, pri čemer nastajata CO in CO2, reakcije pa so zelo intenzivne in deloma eksotermne (sproščajo toploto), kar dodatno vzdržuje talino.
• Med pihanjem nastane žlindra (slag), ki jo tvorijo apnenec (kalcijev oksid) in oksidi nečistoč (silicijev oksid, fosforjev oksid). Osnovna sestava žlindre omogoča, da se v njej učinkovito veže fosfor, zato BOF učinkovito odstranjuje tudi fosfor iz surovega železa.
• Blow time (čas pihanja) je kratek — običajno 15–30 minut, odvisno od velikosti pretvornika in začetne sestave. Velikosti modernih pretvornikov se gibljejo od nekaj deset do nekaj sto ton tlaka na klic (npr. 30–350 t kapacitete).
• Po koncu pihanja se preveri vsebnost ogljika; če je potrebno, se doda majhna količina ogljika ali zlitin, da se doseže želeno kemično sestavo. Tekoče jeklo se nato odčrpa in prelije v ponve (ladle) za nadaljnjo obdelavo (sekundarna metalurgija), kjer poteka natančnejše dozlaganje zlitin, odstranjevanje žlindre, vakuumska obdelava ipd.

Kemične reakcije, oprema in kontrola

Glavna kemijska reakcija je oksidacija ogljika: C + O2 → CO2 (delno tudi CO). Poleg ogljika se oksidirajo tudi silicij, mangan in železovi nečistoči; ti oksidi preidejo v žlindro. Zaradi osnovne obloge se v žlindro učinkovito veže fosfor (P → P2O5 → v žlindri kot fosfati). Moderni postopek uporablja kisik visoke čistosti (čez 90–99 %), dovod pa poteka skozi vodno hlajeno kopje, da se prepreči pregrevanje orodja.

Prednosti in okoljski vidiki

Prednosti osnovne kisikove peči v primerjavi s starejšimi postopki:

• Hitrost in učinkovitost: krajši cikli, hitrejša proizvodnja.
• Boljša kontrola kemijske sestave in manj dušika v jeklu (ker se uporablja čist kisik namesto zraka).
• Učinkovitejše odstranjevanje fosforja z osnovno žlindro.
• Možnost velike uporabe odpadnega jekla, kar zmanjšuje porabo železove rude in energije.

Okoljski izzivi vključujejo emisije CO in CO2, prašne delce in pline, ki nastajajo med pihanjem. Sodobne naprave imajo sisteme za čiščenje plinov, kot so elektrostatični filtri, vodne izpiralne naprave, sistemi za recikliranje toplote in uporaba plinov za pogon kot sekundarno gorivo. Tudi recikliranje žlindre in zajemanje železne prašine sta običajni praksi.

Vsakdanje nadaljevanje procesa

Po delu v pretvorniku običajno sledi sekundarna obdelava v ponvi (ladle metallurgy), kjer se jeklu nastavi natančna kemijska sestava, izvede čiščenje plinov in včasih vakuumsko odplinjanje ter nato stalno litje (continuous casting) ali vlivanje v ingote. Rezultat so različne vrste jekel za konstrukcijo, avtomobilsko industrijo, orodjarstvo in druge panoge.

Na kratko: pretvorniki so ključni reaktorji za preoblikovanje surovega železa v uporabno jeklo. Od Bessemerjevega preprostega pihanja zraka do sodobnih osnovnih kisikovih peči se je tehnologija razvila v smeri večje hitrosti, kakovosti in dovoljene uporabe recikliranih materialov, hkrati pa se zmanjšuje okoljski vpliv z napredno obdelavo plinov in energijsko učinkovitostjo.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je pretvornik?

V: Kako se imenuje surovo železo?

V: Kdo je izumil prvi uspešni konverter?

V: Kako deluje sodobna osnovna kisikova peč?

V: Kaj se zgodi, ko v postopek vstopi zrak, ki vsebuje dušik?

Išči po črki