Konverter (metallurgia) — terase tootmiseks kasutatav reaktor (hapnikukonverter)

Konverter on spetsiaalne metallurgiline reaktor, mille põhifunktsioon on muuta sulametallist (toorraud ehk malm) teras. Konverteris põletatakse rauast välja liigne süsinik ja teised soovimatud elemendid, nii et tulemusena tekib kontrollitud keemilise koostise ja mehaaniliste omadustega vedel teras, mida saab edasi töödelda.

Toorraud, mida nimetatakse malmiks ja mis on kõrgahjuprodukt, sisaldab sageli kuni umbes 4% süsinikku ning lisaks muid lisandeid nagu räni, mangaan, fosfor ja väävel. Selline kõrge süsinikusisaldus teeb raua kõvaks ja rabedaks, mistõttu seda ei saa otstarbekalt terasena kasutada. Terase tootmisel tuleb süsinik ja osaliselt ka teised lisandid rauast oksüdeerida ja eemaldada ning juhtida üle sulgiks ehk slaggiks; seda protsessi nimetatakse konversiooniks ja reaktorit konverteriks.

Konverterite ajalooline eelkäija oli 1856. aastal Sir Henry Bessemeri leiutatud Bessemeri konverter. See oli pirnikujuline suur anum, mille põhja paigutati õhu jaoks düüsid (tuuere). Kuum sulametall valati anumasse ja põhjast pumbati kõrge rõhu all õhku; õhu hapnik oksüdeeris süsiniku ja muid elemente. Tulemuseks oli tugev müra ning leek ja kuumus konverteri suudmest, ja protsess võis võtta kõigest mõnest kuni paarkümne minutini. Bessemeri meetod võimaldas terast toota palju kiiremini ja odavamalt kui varem. Bessemeri algne protsess kasutas õhku ning selle happeline vooder ei võimaldanud fosfori eemaldamist; selle probleemi lahendasid hiljem põhimõtted Thomas–Gilchristi ehk baasilise töötlemisega protsessis.

Tänapäeval on laialt levinud versioon konverterist see, mis kasutab õhu asemel puhast hapnikku. Teras muutub sageli kvaliteetsemaks, kui segus ei ole lämmastikku ega teisi õhus leiduvaid gaase. Kaasaegset konverterit nimetatakse tavaliselt põhihapnikuahjuks (inglise keeles BOF – Basic Oxygen Furnace või LD – Linz–Donawitz), arendustööd selle suunas toimusid 1940. aastatel ja protsess pandi tööstuslikult käiku 1949. aastal Austrias. Hapnikuga tööprotsess võimaldab kiiret ja kontrollitud dekarburiseerimist ning paremat koostisjuhtimist.

Kaasaegne hapniku põhikonverter on suur kõrvitsakujuline või silindriliselt kallutatud anum, valmistatud terasest ja vooderdatud tulekindlate (refraktaarsete) materjalidega, mis on sageli aluseline (näiteks magneesiumoksiid ja kaltsiumoksiid). Selline vooder peab vastu vedela metalli ja kõrge temperatuuriga oksüdatsioonireaktsioonidele (tüüpilised temperatuurid protsessi lõpus on umbes 1600–1700 °C).

Konverterisse laaditakse tavaliselt kuum sulametall (malm) koos osalise või kogu lisatud vanaraudaga. Vanametall toimib jahutus- ja kuluainena ning sisaldab roostet (rauaoksiide), mis osaliselt oksüdeeruvad ja aitavad süsinikku põletada. Kui vanametall on sulanud, lastakse spetsiaalne toru ehk hapnikulangaks konverterisse ja puhutakse väga suure voolukiiruse ja rõhuga hapnikku otse vedela metalli sisse. Hapnik oksüdeerib esmalt süsiniku (moodustab peamiselt CO ja osaliselt CO2), aga ka räni, mangaani ja fosforit; oksüdatsioonireaktsioonide eralduv soojus sulatab kogu laadet ja säilitab protsessi kõrge temperatuuri. Oksüdeeritud lisandid liiguvad koos lisatud kaltsiumoksiidi vms täitematerjaliga slaggiks, mida saab eraldada.

Protsess on kiire: üks "heat" (kütus) kestab tüüpiliselt mõnest kümnest minutist kuni umbes tunnini, sõltuvalt konverteri suurusest ja protseduurist. Kui süsiniku tase on viidud sihttasemeni, lisatakse terase koostise lõplikuks reguleerimiseks vajalikud legeerained ja vajadusel pisike kogus süsinikku (nimi on lisahiil), seejärel lastakse vedel teras välja (tapping) keldralaadse alusnõu ehk ladle'i, kus toimub sekundaarne metallurgiline töötlemine (nt deoksüdeerimine, sulfidiseerimine, täpsem legeerimine). Edasi suunatakse vedel teras kas voodikastitesse või ämbritesse ning seejärel sageli rangelt kontrollitud valtsimis- või valamisprotsessidesse (nt pidev valamine, millest tekivad plaadid, hulknurgad, poolid jm), mille järel toimub valtsimine ja lõppviimistlus.

Konverteriprotsessis on olulised keemilised ja tehnilised detailid:

• põhimõtteliseks reaktsiooniks on rauas oleva süsiniku oksüdeerimine, mille käigus tekib süsinikmonooksiid ja süsinikdioksiid;
• slagg moodustub, kui aluseline vooder ja lisatud flüksid (nt lubjakivi) reageerivad oksüdeerunud lisanditega, aidates eemaldada fosfori ja muid saasteaineid;
• puhastatud konverteriga teras on võimalikult vähema lämmastiku ja muude gaasikontaminantidega, mis on oluline kõrge kvaliteedi klasside jaoks;
• tööohutus ja varustuse jahutussüsteemid on olulised: kuum gaas, leegid ja kõrge temperatuur nõuavad tööstuslikke gaaside juhtimist ja tolmu/peenosakeste kogumist.

Keskkonnakaitse ja ressursitõhusus on kaasaegsetes terasetööstustes tähtsad. Konverteritest eralduv gaas (peamiselt CO) puhastatakse ja kasutatakse sageli energiana terasetootmise teistes etappides; konverteril tekkiv tolm ja peenosakesed kogutakse, eraldatakse vase, kroomi jms osakesteks ja taaskasutatakse või ohutult ladustatakse. Slaggi kasutatakse sageli ehitustööstuses (näiteks tsement, teed) või töötletakse edasi.

Kaasaegsed konverterid on suuremad ja automatiseeritumad kui varasemad seadmed: nimimahtud võivad ulatuda mõnekümnest tonnist kuni üle 300 tonnini, protsessid on täpselt doseeritud ja kontrollitud andurite ning programmeeritavate juhtsüsteemide abil. Refraktaarvoodri kulumine ja regulaarne hooldus on oluline osa tehnilisest haldusest. Põhikonverter on endiselt peamine meetod suuremahulises terasetootmises, eriti integreeritud terasehakkajates, kus sulametall tuleb otse kõrgest ahjust konverterisse üle kanda.

Küsimused ja vastused

K: Mis on konverter?

K: Kuidas nimetatakse toorrauda?

K: Kes leiutas esimese eduka konverteri?

K: Kuidas töötab kaasaegne põhiline hapnikuahi?

K: Mis juhtub, kui protsessi siseneb lämmastikku sisaldav õhk?

Otsing