Konvertteri (metallurgia) – teräksen valmistus Bessemeristä perushappiin
Konvertteri on kemiallinen reaktori, joka muuttaa raakaraudan teräkseksi. Konvertteriprosessi on keskeinen osa nykyistä teräksenvalmistusta ja siihen liittyvät keksinnöt ovat määrittäneet teollisen teräksen saatavuuden ja hinnan historian.
Tausta ja historia
Raakarauta, jota kutsutaan raakaraudaksi ja joka on masuunin tuote, sisältää jopa 4 % hiiltä. Se on liian kovaa ja haurasta järkevään käyttöön. Hiili on ensin poltettava pois raudasta teräksen valmistamiseksi. Tätä prosessia kutsutaan konversioksi ja reaktoria konvertteriksi.
Sir Henry Bessemer keksi ensimmäisen menestyneen muuntimen vuonna 1856. Hän rakensi päärynänmuotoisen suuren astian, jonka pohjassa oli suuttimia (tuyereja) ilmaa varten. Konvertteriin kaadettiin masuunista tulevaa kuumaa sulaa raakarautaa, ja sitten ilmaa pumpattiin sisään pohjasta korkealla paineella. Tuloksena oli kova ääni ja jopa 20 metrin päässä konvertterin suulla oleva liekki. Kymmenen minuutin kuluttua kaikki raakarauta oli muuttunut teräkseksi. Bessemer-konvertteri oli ensimmäinen onnistunut reaktori, jossa raakarauta muutettiin teräkseksi, ja teräksen aikakausi alkoi. Terästä oli nyt runsaasti ja halpaa.
Myöhemmin havaittiin, että teräksestä tulee parempaa, jos siihen puhalletaan vain happea. Ilma sisältää typpeä, joka voi olla haitallista joillekin teräslaaduille. Nykyaikaisessa muuntimessa, jota kutsutaan perushappi-uuniksi tai englanniksi usein basic oxygen furnace (BOF), käytetään ilman sijasta puhdasta happea. Tämän perushapenmuuntamoprosessin kehitys tapahtui 1940-luvun lopulla ja sitä kaupallistettiin 1950-luvun alussa Itävallassa (Linz–Donawitz, LD-prosessi). Sen seurauksena perushappimenetelmä syrjäytti nopeasti monet vanhemmat menetelmät, ja se on nykyään yksi tärkeimmistä teollisista teräksenvalmistusmenetelmistä.
Prosessin periaate ja kemia
Nykyaikainen perushapenmuuntamo on suuri kurpitsan muotoinen astia, joka on valmistettu teräksestä ja vuorattu tulenkestävillä aineilla, kuten kalsiumoksidilla (kalkki) ja magnesiumoksidilla, jotta astia kestää sulan metallin korkean lämpötilan. Vuoraus on perus-luonteinen (basic), toisin kuin alkuperäisessä Bessemerissä käytetty happamuutta lisäävä vuoraus, minkä ansiosta perushappiprosessissa voidaan poistaa tehokkaasti epäpuhtauksia kuten pii, mangaani ja erityisesti fosfori.
Perusperiaatteena on hapettaminen: hapen avulla poltetaan pois hiili ja muut halutut epäpuhtaudet. Tärkeimpiä kemiallisia reaktioita ovat mm.:
- Hiilen oksidaatio: C + O2 → CO2 (tai osittain CO)
- Piistä ja mangaanista muodostuvat oksidit: Si + O2 → SiO2, Mn + 1/2 O2 → MnO
- Fosforin oksidatio, joka siirtyy yleensä emäksiseen kuonaan: 2P + 5/2 O2 → P2O5
Kuona (slag) muodostuu näistä oksideista ja vuorausmateriaaleista. Kuona sitoo epäpuhtaudet ja estää niiden palaamisen teräkseen. Lisäksi kuonan lämpö vapautuu hapettumisreaktioissa syntyneenä lämmönä, mikä auttaa pitämään metallin sulana ilman ylimääräistä polttoenergiaa.
Konvertterin rakenne ja vuoraus
Perushappi-uunin sisäpinta on vuorattu tulenkestävillä perusmateriaaleilla, kuten kalsiumoksidilla ja magnesiumoksidilla, jotka kestävät sekä korkeita lämpötiloja että emäksistä kuonaa. Vuoraus suojaa teräsastia ja auttaa kuonan muodostumisessa ja hallinnassa. Vuorauksen laatu ja koostumus vaikuttavat merkittävästi uunin käyttöikään ja prosessin tehokkuuteen.
Prosessi askel askeleelta
- Lataus: Sulaa raakarautaa ja romua (kierrätysterästä) ladataan konvertteriin. Romun käyttö säätelee kustannuksia ja auttaa energianhallinnassa.
- Kuumennus ja sulatus: Romu voi olla ruosteista ja sisältää hapettuneita aineita; osa ruosteesta reagoi raakarautaan, jolloin hiili palaa pois ja syntyy lämpöä, joka auttaa sulattamaan romun.
- Hapen puhallus: Erityinen putki, jota kutsutaan "happilangaksi" (oxygen lance), lasketaan raakarautaan ja happi puhalletaan erittäin nopeasti ja terävästi sisään. Joissakin moderneissa uuneissa käytetään myös pohjapuhallusta tai yhdistelmäjärjestelmiä (top- ja bottom-blowing) parempaan sekoitukseen ja tehokkuuteen.
- Reaktiot ja sekoitus: Happi polttaa kaiken hiilen pois ja sekoittaa nestemäisen teräksen perusteellisesti. Samalla epäpuhtaudet hapettuvat ja siirtyvät kuonaan.
- Hiilipitoisuuden säätö: Kun kaikki liiallinen hiili on poltettu pois, lisätään tarvittaessa hieman ylimääräistä hiiltä tai muita lisäaineita (esim. mangan, silikoni, kromi) halutun teräslaadun saavuttamiseksi.
- Klaput ja kaato: Tuloksena on nestemäistä terästä, joka sitten napautetaan (tapping) pois uunista ja siirretään jatkokäsittelyyn, kuten valimoon tai valssaukseen. Usein tehdään myös kypsennys ja jälkikäsittelyä kauhallossa (ladle metallurgy).
Lisäprosessit ja laadunvalvonta
Konverttitapahtuman jälkeen terästä käsitellään usein edelleen kauhalla, jossa tehdään hienosäätöjä: lämpötilan tarkistus, lisämetallien lisäys, kaasukuplausta tai vaahdotusta, lämpötilan hallinta ja sulfidien/oksidien poisto. Nämä toimenpiteet ovat tärkeitä halutun mekaanisen lujuuden, kemiallisen koostumuksen ja puhtauden saavuttamiseksi.
Ympäristö, turvallisuus ja talous
Konvertteriprosessi tuottaa kaasuja (mm. CO ja CO2), pölyä ja kuonaa. Modernit tehtaat käyttävät kaasujen talteenottoa, pesureita ja pölynkeräysjärjestelmiä päästöjen vähentämiseksi sekä hyödyntävät syntyvää lämpöä ja kaasua energiantuotannossa. Kuona voidaan käyttää sementin raaka-aineena tai muissa teollisissa sovelluksissa.
Turvallisuus on tärkeää: suora kosketus sulaan metalliin ja korkeat lämpötilat aiheuttavat riskin. Lisäksi happilanseihin ja paineisiin liittyvät toiminnot edellyttävät tarkkaa valvontaa. Automaation ja kauko-ohjauksen lisääntyminen on parantanut työturvallisuutta huomattavasti.
Nykyajan merkitys ja kehitys
Perushappi-uuniprosessi on edelleen globaalisti merkittävä tapa valmistaa terästä — suuri osa maailman teräksestä tuotetaan tällä menetelmällä. Tekniikkaa on kehitetty jatkuvasti: parempia vuorausmateriaaleja, yhdistettyä puhallusta, automaatiota, energiatehokkuutta ja päästöjen vähentämistä. Lisäksi kierrätysteräksen osuuden kasvattaminen ja hiilineutraaleihin teknologioihin tähtäävät ratkaisut (esim. vetyteknologiat, hiilen talteenotto) ovat nykypäivän kehityksen keskiössä.
Yhteenvetona: konvertteri (erityisesti perushappi-uunin muoto) on tehokas tapa poistaa hiili ja muut epäpuhtaudet sulasta raudasta ja tuottaa teollista terästä. Prosessi yhdistää kemialliset hapetusreaktiot, kuonan muodostumisen ja tarkat metallurgiset säädöt, ja se on avainasemassa modernin terästuotannon tehokkuudessa ja laadussa.
Vanhanaikaiset Bessemer-muuntimet
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on muunnin?
A: Konvertteri on kemiallinen reaktori, joka muuttaa raakaraudan teräkseksi.
K: Mikä on raakaraudan nimi?
V: Raakarautaa kutsutaan raakaraudaksi, joka on masuunin tuote ja sisältää jopa 4 % hiiltä.
K: Kuka keksi ensimmäisen onnistuneen konvertterin?
V: Ensimmäisen onnistuneen konvertterin keksi Sir Henry Bessemer vuonna 1856.
K: Miten nykyaikainen perushappiuuni toimii?
V: Nykyaikaisessa perushappiuunissa käytetään ilman sijasta puhdasta happea, ja se koostuu suuresta teräksestä valmistetusta kurpitsanmuotoisesta astiasta, joka on vuorattu tulenkestävillä aineilla, kuten kalsiumoksidilla ja magnesiumoksidilinjalla, jotta astia kestäisi korkeita lämpötiloja. Sulaa harkkorautaa ja romua ladataan konvertteriin, minkä jälkeen erityinen putki, jota kutsutaan "happilangaksi", lasketaan harkkorautaan, ja erittäin nopea ja terävä happipuhallus puhaltaa sisään polttaakseen kaiken hiilen pois. Kun kaikki hiili on poltettu pois, voidaan lisätä hieman ylimääräistä hiiltä pitoisuuden nostamiseksi halutulle tasolle, jolloin saadaan nestemäistä terästä, jota voidaan käyttää valssaamon tuotantoon.
K: Mitä tapahtuu, kun prosessiin tulee typpeä sisältävää ilmaa?
V: Typpeä sisältävä ilma voi olla haitallista joillekin teräslaaduille, joten sitä ei pitäisi päästää tähän prosessiin.
K: Mitä Bessemerin keksintö teki teräksen tuotannolle? V: Bessemerin keksintö mahdollisti teräksen runsaan ja halvan tuotannon ja aloitti siten tämän materiaalin lisääntyneen saatavuuden aikakauden.
