Konwerter stalowy — reaktor przetwarzający surówkę w stal
Konwerter stalowy: jak działa reaktor przetwarzający surówkę w stal — historia Bessemera, nowoczesny piec tlenowy i proces konwersji dla efektywnej produkcji stali.
Konwerter to reaktor metalurgiczny służący do przetwarzania surówki (surowego żelaza) w stal. Jego zadaniem jest doprowadzenie do kontrolowanego odgazowania i dostosowania składu chemicznego ciekłego metalu tak, aby otrzymać materiał o właściwościach użytkowych — plastyczności, wytrzymałości i ciągliwości — typowych dla stali.
Surówka — surowiec wyjściowy
Surówka, zwana surówką, to produkt procesu wytopu w wielkim piecu. Zawiera zwykle do około 4% węgla oraz różne zanieczyszczenia (krzem, mangan, siarka, fosfor). Przy tak wysokiej zawartości węgla żeliwo jest twarde i kruche — nadaje się do odlewów, ale nie do większości wyrobów hutniczych. Aby otrzymać stal, nadmiar węgla i inne zanieczyszczenia trzeba usunąć lub przekształcić.
Historia — od Bessemera do pieca tlenowego
Pierwszy praktyczny konwerter został wynaleziony przez sir Henryka Bessemera w 1856 roku. Jego konwerter miał kształt gruszki i był wyposażony w dysze (tuyeres) umożliwiające wtłaczanie powietrza od dołu. Do naczynia wlewano gorącą roztopioną surówkę z wielkiego pieca, a następnie przez dno pompowano powietrze pod dużym ciśnieniem. Tlen z powietrza reagował z węglem, spalając go i wydzielając duże ilości ciepła — proces był bardzo gwałtowny, często towarzyszyły mu głośne odgłosy i płomienie sięgające nawet kilkunastu metrów od ujścia konwertera. W efekcie, w ciągu kilkunastu minut surówka mogła być przekształcona w stal. Konwerter Bessemera zapoczątkował przemysłową erę taniej stali.
Wady pierwotnego procesu (między innymi niezdolność do skutecznego usuwania fosforu przy kwaśnej wyściółce) doprowadziły do modyfikacji (np. proces Thomasa z wyściółką zasadową). W XX wieku opracowano nową, wydajniejszą technologię: podstawowy piec tlenowy (Basic Oxygen Furnace, BOF), znany też jako proces LD (Linz-Donawitz). Była ona opracowywana w Austrii pod koniec lat 40. XX wieku (ważną rolę odegrał m.in. Robert Dürrer) i od początku lat 50. znalazła szerokie zastosowanie przemysłowe.
Jak działa współczesny konwerter — piec tlenowy zasadowy
Nowoczesny konwerter tlenu zasadowego to duży, obrotowy zbiornik w kształcie „dyni”, wykonany ze stali i wyłożony ogniotrwałymi materiałami (np. tlenek wapnia i tlenek magnezu), które chronią obudowę przed działaniem stopionego metalu i żużla oraz umożliwiają reakcje chemiczne ze żużlem.
Podstawowe etapy procesu można przedstawić w skrócie:
- Załadunek: do konwertera wlewa się gorącą surówkę i dodaje złom stalowy (złom). Złom, nawet z warstwą rdzy, zawiera tlen, który częściowo reaguje z surówką i dostarcza ciepła, ułatwiając topienie.
- Wdmuchiwanie tlenu: przez specjalną "lancę tlenową" ostro i precyzyjnie wdmuchuje się czysty tlen w stronę ciekłej surówki. Reakcje tlenem są gwałtowne i bardzo egzotermiczne — spalany jest węgiel (tworząc CO i CO2), a także utleniają się Si, Mn i inne pierwiastki.
- Tworzenie żużla: produkty utleniania i dodane topniki (głównie tlenek wapnia) tworzą żużel, który absorbuje siarkę, fosfor i inne zanieczyszczenia. Żużel można później oddzielić i poddać odzyskowi lub utylizacji.
- Korekcje składu: po odgazowaniu i zmniejszeniu zawartości węgla do niszszego poziomu, dodaje się kontrolowane ilości węgla oraz dodatków stopowych (np. Mn, Si, Ni, Cr, Mo) i środki odtleniające (np. silikon, mangan) w celu uzyskania pożądanego składu stali.
- Spuszczanie: po osiągnięciu właściwego składu płynną stal odlewa się do kęskowników lub konwertuje na wlewki/półprodukty i przekazuje do dalszych procesów (odlewanie ciągłe, walcowanie, obróbka cieplna).
Proces trwa zazwyczaj kilka do kilkunastu minut od momentu rozpoczęcia tlenowania do spuszczenia stali — jest więc bardzo szybki i efektywny energetycznie.
Kontrola jakości i dalsze operacje
Po wstępnej obróbce w konwerterze płynna stal zwykle trafia do naczynia (kociołku), gdzie prowadzi się tzw. metalurgię wtórną — korekcję temperatury, dokładniejsze dozowanie dodatków stopowych, usuwanie gazów rozpuszczonych oraz dopracowanie składu chemicznego i czystości. Dzięki temu uzyskuje się stal o ściśle określonych właściwościach mechanicznych i chemicznych, dostosowanych do konkretnych zastosowań.
Zalety i ograniczenia
- Zalety: wysoka wydajność, krótki czas obróbki, możliwość stosowania dużej zawartości złomu (poprawa gospodarowania surowcami), uzyskiwanie stali o niskiej zawartości zanieczyszczeń i kontroli składu.
- Ograniczenia: proces jest wysoce egzotermiczny i wymaga odpowiedniej infrastruktury (lanc, systemów oczyszczania gazów, odpornych wyściółek), a także kontroli emisji gazów i pyłów.
Aspekty środowiskowe i bezpieczeństwo
Reakcje w konwerterze wytwarzają gazy (głównie CO i CO2) oraz pyły i lotne związki metali. Nowoczesne instalacje wyposażone są w systemy odgazowania i oczyszczania spalin (odpylanie, odsiarczanie, oczyszczanie gazów processowych), odzysk ciepła i recykling żużla. Bezpieczeństwo pracy wymaga ochrony przed wysoką temperaturą, iskrami i wyrzutami płomieni (zwłaszcza w starszych typach pieców), jak również monitorowania stanu wyściółki ogniotrwałej, systemów podnoszenia i układów hydraulicznych.
Zastosowania stali z konwertera
Stal produkowana w konwerterach trafia do hut i zakładów walcowniczych, gdzie powstają blachy, rury, profile, pręty i inne wyroby konstrukcyjne. Dzięki możliwości precyzyjnego sterowania składem chemicznym można wytwarzać stale konstrukcyjne, narzędziowe, stopowe i nierdzewne dostosowane do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych, motoryzacyjnych i budowlanych.
Konwerter — od Bessemera po nowoczesny piec tlenowy — pozostaje jednym z kluczowych ogniw w łańcuchu produkcji stali, łącząc szybkość, efektywność i możliwość masowej produkcji z wymogami jakościowymi współczesnego przemysłu.
Staromodne konwertery Bessemera
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest konwertor?
A: Konwertor to reaktor chemiczny, który zamienia surowe żelazo w stal.
P: Jak nazywa się surowe żelazo?
A: Surowe żelazo nazywa się surówką, która jest produktem wielkiego pieca i zawiera do 4% węgla.
P: Kto wynalazł pierwszy udany konwertor?
A: Pierwszy udany konwertor został wynaleziony przez Sir Henry'ego Bessemera w 1856 roku.
Q: Jak działa nowoczesny piec tlenowy?
O: Nowoczesny piec tlenowy wykorzystuje czysty tlen zamiast powietrza i składa się z dużego zbiornika w kształcie dyni, wykonanego ze stali i wyłożonego materiałami ogniotrwałymi, takimi jak tlenek wapnia i tlenek magnezu, dzięki czemu zbiornik może wytrzymać wysokie temperatury. Stopiona surówka i złom są ładowane do konwertora, następnie specjalna rura zwana "lancą tlenową" jest opuszczana do surówki i bardzo szybko i ostro wdmuchiwany jest tlen, aby wypalić cały węgiel. Gdy cały węgiel zostanie wypalony, można dodać trochę dodatkowego węgla, aby podnieść zawartość do pożądanego poziomu, co daje płynną stal, którą można wykorzystać do produkcji w walcowni.
P: Co się stanie, gdy do procesu dostanie się powietrze zawierające azot?
O: Powietrze zawierające azot może być szkodliwe dla niektórych gatunków stali, dlatego nie powinno się go wprowadzać do tego procesu.
P: Co wynalazek Bessemera zrobił dla produkcji stali? O: Wynalazek Bessemera umożliwił obfitą i tanią produkcję stali, rozpoczynając tym samym erę zwiększonej dostępności tego materiału.
Przeszukaj encyklopedię