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Werkstofftechnik 2 - Konverterverfahren

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Werkstofftechnik 2

Konverterverfahren

Die Herstellung von Stahl wird vorwiegend durch zwei Verfahren bestimmt: 

  1.  Konverterverfahren, bei denen Sauerstoff eingeblasen wird,
  2.  Elektrostahlverfahren, bei denen der Stahl elektronisch geschmolzen wird. 

Das erste Verfahren ist Gegenstand dieses Kurstextes und das Elektrostahlverfahren wird im anschließenden Kurstext behandelt. 

Konverterverfahren haben zum Ziel, dass Störelemente, die die Qualität [mechanische Eigenschaften] des Stahls negativ beeinflussen, aus dem Roheisen gänzlich entfernt oder wenn dies nicht möglich ist, zumindest auf ein vertretbares Niveau gesenkt werden. 

Die Hauptstörstoffe sind:

  • Kohlenstoff, 
  • Schwefel,
  • Phosphor,
  • Mangan, 
  • Silicium.

Bis auf den Schwefel, können alle genannten Stoffe durch selektive Oxidation mit reinem Sauerstoff verringert werden. Die dabei entstehenden Temperaturen durch die Silicium- und Phosphorverbrennung sind jedoch so enorm, dass Schrott, Eisenerz oder Eisenschwamm als Kühlmittel hinzugefügt werden muss. 

Während des Prozesses bilden sich saure Oxide, weshalb darauf geachtet werden muss, dass das Konverterverfahren immer mit einer basischen Schlacke erfolgt. Hierzu wird Kalk zugeführt, welches die Oxide neutralisiert und gleichzeitig zur Entschweflung beiträgt. 

Reaktionsgleichung (endotherm): FeS (Schmelze) + CaO $ \rightarrow $ FeO + CaS (Schlacke)

Merke

Bei der Entwicklung eines Konverters gilt zu beachten, dass die Schlacke basisch ist und daher auch die Auskleidung des Konverters basisch sein sollte, damit es nicht zu Auflösungen kommt.

Da das Frischen mit reinem Sauerstoff besonders hohe Temperaturen erzeugt, kann die Sauerstoffzufuhr nur von oben mit einer wassergekühlten Lanze erfolgen. Der Sauerstoffstrahl führt dabei zur Bildung einer Emulsion aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Schlacke und Roheisen im oberen Bereich des Konverters. Diese Verfahrensart wurde nach Linz und Donawitz benannt und trägt daher den Namen LD-Prozess. Die sich im Prozess gebildete, reaktionsfreudige Schlacke ist jedoch nicht in der Lage den Phosphor nachhaltig zu entfernen, weshalb nur phosphorarme Ausgangsstoffe für diesen Prozess geeignet sind.

Um dennoch Ausgangsstoffe mit höherem Phosphorgehalt verarbeiten zu können, wird mit Hilfe des LDAC-Prozesses Kalkstaub dem Sauerstoff beigemischt, wodurch das Phosphor von der Schlacke aufgenommen wird. Dieser Prozess wird begleitend zur Entkohlung und Verbrennung der Begleitelemente durchgeführt und ermöglicht dann ein Abziehen der phosphorreichen Schlacke nach ca. 15 min Blaszeit. Da nach Abziehen der Schlacke immer noch Sauerstoff eingeblasen wird, bildet sich direkt eine neue Schlacke, weshalb man in diesem Zusammenhang auch von einer Zweischlackentechnik spricht. Während des Prozesses können die Metallschmelzen alle 30 Minuten abgestochen werden. 

Besonderheit OBM-Konverter

Der OBM [Oxygen Bottom Blow Maxhütte]-Konverter erlaubt gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren, ein Frischen mit Sauerstoff über den Konverterboden. Zur Realisierung bedarf es einem Kühlgas wie Methan oder Propan. Der Kühleffekt ergibt sich einerseits durch die endotherme Zersetzung  der Verbindung in Wasserstoff und Kohlenstoff und der ausreichenden Entfernung der Oxidationsreaktion zwischen Sauerstoff und Schmelz zur Düse. 

Merke

Gegenüber Konvertern die nach dem LD-Prozess verfahren hat der OBM-Konverter den Vorteil, dass er für eine intensivere Durchmischung sorgt, die letztlich eine verbesserte Homogenität, schnellere Schlackenbildung und eine annäherndes Phasengleichgewicht erzeugt. 
Vergleich LD-Konverter (links) und OBM-Konverter (rechts)
Vergleich LD-Konverter (links) und OBM-Konverter (rechts)