Bessemer-prosessi

Bessemer-prosessi oli ensimmäinen teräksen laajamittaisessa teollisessa valmistuksessa käytetty teollinen prosessi.

Prosessi

Bessemer-prosessissa masuunista saatava sula takkirauta, joka sisältää 3-4 prosenttia hiiltä, mellotetaan (poltetaan ylijäämähiili pois) päärynän muotoisessa Bessemer-konvertterissa puhaltamalla siihen ilmaa. Ilman happi polttaa rautaan liuenneen hiilen ja rautakarbidien hiilen hiilidioksidiksi, ja tuloksena on terästä tai, mikäli prosessi viedään loppuun saakka, kankirautaa. Mellotus tapahtuu nestefaasissa ja noin 1 400 °C:n lämpötilassa. Samalla myös epäpuhtaudet, kuten pii, palavat pois.
Kemiallisena reaktorina Bessemer-konvertteri on siis panosreaktori, jossa panoksen koko on yleensä 8-30 tonnia. Bessemer-prosessi on hyvin nopea - panoksen mellotus kestää vain noin 20 minuuttia, ja sillä kyetään tuottamaan suuria määriä terästä nopeasti.
Bessemer-teräksentuotantoprosessin alussa konvertteri kaadetaan vaaka-asentoon suuaukko ylöspäin, ja masuunista lasketaan sulaa takkirautaa konvertteriin. Konvertteri nostetaan pystyyn, ja samanaikaisesti konvertterin alapäästä puhalletaan suuttimien läpi suurella paineella ilmaa. Ilman happi polttaa pois epäpuhtaudet, ja samanaikaisesti syntyy valtava noin 20 metriä pitkä lieska konvertterin suuaukosta. Kun prosessi on edennyt riittävän pitkälle, konvertteri käännetään ala-asentoon (suuaukko alaspäin) ja sula teräs kaadetaan edelleen prosessoitavaksi ja valssattavaksi.
Itse konvertteri on rakennettu teräsvaipan ympäröimästä keraamisesta materiaalista, joka on vuorattu joko savella (Britannian vähäfosforisille rautamalmilaaduille käytetty hapan Bessemer-prosessi) tai dolomiittikalkkikivellä (Keski-Euroopan runsasfosforisille rautamalmilaaduille käytetty emäksinen Thomas-Gilchrist-prosessi). Thomas-Gilchrist-prosessin sivutuotteena saadaan tuomaskuonaa, joka on arvokas fosforilannoite.

Historia, merkitys ja ongelmat

Prosessi on saanut nimensä keksijänsä Sir Henry Bessemerin mukaan, ja se patentoitiin 1855. Bessemer lisensoi keksintönsä ainakin Carnegie Steel Companylle (perustajat Andrew Carnegie ja Henry Phipps), joka kaupallisti sen menestyksekkäästi. Bessemer-prosessi merkitsi suurta edistysaskelta, sillä putlaus oli hidas menetelmä, eikä ennen Bessemer-prosessia ollut käytännössä mitään mahdollisuutta tuottaa teollisesti terästä takkiraudasta.
Bessemer-prosessin pullonkaula oli sen valtava tehokkuus: koko panoksen konversio kestää vain 20 minuuttia. Aika on aivan liian lyhyt näytteenottoa ja kemiallista analyysiä varten, ja Bessemer-teräksen laatu saattoi vaihdella erästä toiseen. Samoin puhallusilma sisältää teräksen laatuun vaikuttavaa typpeä. Ongelma oli jo Henry Bessemerin tiedossa, ja hän ehdotti puhalluksessa ilman sijasta hapen käyttöä, mutta 1800-luvun teollisuus ei kyennyt tuottamaan riittävän puhdasta happea. Ongelma ratkaistiin vasta 1950-luvulla, kun Voest Alpine AG (Linz-Donawitz, Itävalta) kehitti emäshappimellotusprosessin (BOS, Basic-Oxygen Steelmaking). Emäshappimellotus oli Bessemer-prosessin uudistettu versio, ja se onkin nykyään syrjäyttänyt sekä alkuperäisen Bessemer-prosessin että Siemens-Martin-prosessin lähes täysin teräksen primäärivalmistusmenetelmänä "neitseellisestä" takkiraudasta.
Varhaisempaan putlaamalla saatavaan keittoteräkseen verrattuna Bessemer-teräksen hinta on noin kymmenesosan, joskaan se ei ole yhtä korkealuokkaista. Nykyisin yleisin teräksen mellotusvalmistusmenetelmä emäshappimellotus, on Bessemer-prosessin parannettu versio.