Tērauda konvertors — kas tas ir un kā darbojas (Besemera, pamatskābekļa)

Konvertors ir rūpnieciska ierīce (ķīmisks reaktors), kurā jēldzelzs pārvēršas par tēraudu, samazinot tajā esošo oglekļa daudzumu un izvadot citas piemaisījumu vielas.

Kas ir jēldzelzs un kāpēc tas jāpārveido

Jēldzelzs, ko sauc par čugunu un kas ir domnas produkts, satur līdz apmēram 4 % oglekļa. Šāda dzelzs sakausējuma īpašības – liela cietība un trauslums – padara to neatbilstošu tiešai lietošanai daudzos izstrādājumos. Lai iegūtu lietojamu tēraudu, ogleklis no kuplās masas ir jāsadedzina (noņem), procesu dēvē par dekarburizāciju, bet iekārtu – par konvertoru.

Vēsturiskā attīstība

Pirmo praktiski izmantojamo konvertoru 1856. gadā izstrādāja sers Henrijs Bessemeris (Bessemera konvertors). Viņš izmantoja lielu bumbiera formas trauku ar gaisa sprauslām apakšā. Konvertorā ielej karstu kausētu čugunu no domnas, pēc tam no apakšas ar lielu spiedienu iepludina kompresētu gaisu. Oglekļa oksidēšanās no čuguna notiek ļoti strauji, bieži radot skaļu troksni un augstas liesmas no konvertora mutes; Bessemera procesā pilna pārvēršana varēja notikt dažu līdz nepilnu desmit minūšu laikā. Šis izgudrojums atklāja plašu un lētu tērauda ražošanas ēru.

No gaisa uz tīru skābekli — mūsdienu risinājums

Vēlāk atklājās, ka gaisā esošais slāpeklis var pasliktināt dažu tērauda veidu kvalitāti. Lai to novērstu, gaisa injekcijas vietā mūsdienās izmanto tīru skābekli. Šo principu mūsdienu versijā, ko sauc par pamata skābekļa krāsni (angliski Basic Oxygen Furnace, BOF), izstrādāja 1949. gadā Austrijā.

Mūsdienu pamata skābekļa konvertora uzbūve

Mūsdienu konvertors ir liels ķirbja formas tērauda trauks, kas iekšēji izklāts ar ugunsizturīgiem materiāliem — parasti dzīslotu kalcija oksīda (CaO) un magnija oksīda (MgO) tipu līniju (dolomīta vai magnezīta uzbērumu). Šī līnija (refraktors) aizsargā korpusu no ļoti augstām temperatūrām un ķīmiskiem uzbrukumiem. Konvertori mēdz būt dažādu tilpumu — no dažiem desmitiem līdz vairākiem simtiem tonnu, tipiski rūpnīcās 100–400 t vienā reizē.

Ražošanas cikls un darba princips

Parasti darbības secība ir šāda:

• Konvertorā ielej karstu izkausētu čugunu un pievieno metāllūžņus (lūžņu daļa var būt ap 10–30 %, atkarībā no receptes un nepieciešamā tērauda sastāva). Lūžņi parasti ir oksidēti (rūsas slānis), un daļa no to oksidācijas reaģē ar čugunu, radot siltumu, kas palīdz izkausēt lūžņus.
• Kad masa ir gatava, caur konvertora augšdaļā ievada speciālu cauruli — skābekļa lāpstiņu — un ļoti ātri iepuš skābekli. Skābeklis reaģē ar oglekli un citām piemaisījumu vielām (Si, Mn, P) un oksidē tās, galvenokārt izdalot CO un CO2 gāzes. Šīs oksidācijas reakcijas ir eksotermiskas — tās atbrīvo siltumu un var pacelt temperatūru līdz apmēram 1600–1700 °C, pietiekami, lai uzturētu šķidru metālu.
• Procesa laikā veidojas arī želejveida vai šķidrslāņa skābes vai bāziskā krāšņa (slaģa), kurā nonāk oksidētie piemaisījumi. Slaģis tiek noņemts vēlāk tappings laikā.
• Pēc nepieciešamā oglekļa procenta sasniegšanas (dekarburizācijas beigā) parasti tiek pievienoti deoksidētāji un leģējošas vielas (piemēram, silīcijs, mangāns, niķelis, hroms), lai iegūtu vēlamo tērauda ķīmisko sastāvu un īpašības.
• Pēc galvenā konvertora procesa šķidro tēraudu iepilda leju (speicalu metāla trauku) un nogādā uz turpmāku apstrādi (secondary metallurgy) — rūpīgāku iztvaikošanu, karstuma regulēšanu, gāzu izvadīšanu, filtrēšanu un gala sastāva precizēšanu pirms ievešanas formās vai sloksnēs ražošanai.

Laiks, apjomi un tehniskie parametri

Bessemera procesā pilna pārvēršana varēja notikt desmit minūtēs, bet mūsdienu pamata skābekļa krāsnīs cikls parasti ilgst apmēram 20–40 minūtes, atkarībā no krāsns tilpuma un sākotnējā izejmateriāla sastāva. Tipiskie ražošanas raksturojošie parametri:

• Temperatūra procesā: ~1600–1700 °C;
• Konvertora ietilpība: no dažām desmitu tonnām līdz vairākiem simtiem tonnu;
• Skābekļa plūsma: ļoti augsta — tūkstošiem kubikmetru stundā (caur lāpstiņu ar lielu spiedienu);
• Laiks: parasts cikls 20–40 minūtēs.

Kvalitāte, slaģis un sekundārā apstrāde

Slaģis — oksidēto piemaisījumu (piem., silīcija oksīdu, fosfora oksīdu) sajaukums ar apdedzinātām kaļķu vielām — ir svarīga daļa procesa, jo tas absorbē nevēlamās vielas. Pamata (alkaliska) režīma krāsnīs, pateicoties CaO bagātīgajai apmales līnijai, labs fosfora nozīdums ir iespējams. Pēc konvertora procesa šķidro tēraudu parasti pārstrādā leju apstrādē: notiek precīza sastāva regulēšana, gāzu un iekļautumu noņemšana, temperatūras korekcija un sagatavošana lietošanai velmēšanas vai liešanas iekārtās.

Drošība un vides jautājumi

Konvertoru darbība ir saistīta ar lieliem enerģijas un drošības riskiem: augstas temperatūras, liesmas, karstas spridzināšanas gāzes un oksidācijas procesi. Tāpēc rūpnīcās izmanto stingrus drošības pasākumus, automatizāciju un aizsargierīces. Vides aspekti:

• Procesā veidojas CO un CO2 — būtiska siltumnīcas gāzu emisija; mūsdienās vairāk rūpju pievērš CO pārstrādei un siltuma rekuperācijai;
• Putekļi un cietas daļiņas — tiek lietoti gāzu attīrīšanas filtri un elektrostatiskie precipitatori;
• Slaģa apsaimniekošana — izmanto kā izejmateriālu cementa un ceļu būves nozarēs vai apglabā kontrolētos apstākļos;
• Skābekļa un citu gāzu droša apgāde un uzglabāšana.

Kāpēc konvertori ir būtiski

Konvertori ir tērauda ražošanas mugurkauls: tie ļauj ātri un ekonomiski pārvērst jēldzelzi kvalitatīvā tēraudā, nodrošinot iespēju kontrolēt ķīmisko sastāvu un fiziskās īpašības. Gan vēsturiskā Bessemera izgudrojuma, gan mūsdienu pamata skābekļa krāsņu ieguldījums ir izšķirošs rūpnieciskās revolūcijas, infrastruktūras un mūsdienu rūpniecības attīstībā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir pārveidotājs?

J: Kā sauc jēldzelzi?

J: Kas izgudroja pirmo veiksmīgo konvertoru?

J: Kā darbojas mūsdienu pamata skābekļa krāsns?

J: Kas notiek, ja procesā ieplūst gaiss, kas satur slāpekli?

Meklēt pēc burta