LD-prosessi

LD-prosessi (Linz-Donawitz -prosessi) tai emäshappimellotus (Basic Oxygen Steelmaking, BOS) on itävaltalaisen Vöest Alpine AG:n Linz-Donawitzin terästehtaan Bessemer-prosessista edelleen kehittämä mellotusprosessi, jossa masuunista tuleva takkirauta mellotetaan teräkseksi puhaltamalla siihen vesijäähdytteisellä happipeitsellä ääntä nopeampi happisuihku, joka polttaa ylijäämähiilen hiilimonoksidiksi, joka edelleen hapettuu hiilidioksidiksi. Samanaikaisesti emäksellä (tyypillisesti kalkkikivi) neutraloidaan happamat epäpuhtaudet kuonaksi. BOS-konvertteri on 200–500 tonnin vetoinen, sitruunan muotoinen säiliö, joka on vuorattu tulenkestävillä, korkeaa lämpötilaa kestävillä tiilillä. Prosessi on siis panosprosessi ja konvertteri on panosreaktori.
LD-prosessin kulku on seuraava:
Masuunista lasketaan sulaa takkirautaa suureen lämpötiilivuorattuun astiaan (senkkaan).
Senkassa oleva metalli joko kaadetaan suoraan konvertteriin tai esikäsitellään. Esikäsittelyssä masuunista tulevasta takkiraudasta vähennetään rikki-, pii- ja fosforipitoisuutta. Rikinpoistossa senkkaan puhalletaan painepeitsen kautta noin 100–500 kg jauhemaista magnesiumia. Rikkiepäpuhtaudet pelkistyvät voimakkaassa, eksotermisessa reaktioissa magnesiumsulfidiksi. Sulfidi kuoritaan pois. Samalla menetelmällä voidaan poistaa myös pii- ja fosforioksidit käyttäen rautaoksidia ja kalkkikiveä reagensseina. Esikäsittelyn tarve riippuu takkiraudan laadusta ja lopputuotteen halutusta laadusta.
LD-konvertteri täytetään raaka-aineilla. Prosessi on autogeeninen eli reaktiossa syntyvä lämpöenergia riittää sen loppuunsaattamiseen. Lämpökuorman tasoittamiseen konvertteriin täytetään 10–30 % (yleensä 1/5) lopputuotteen painosta teräsromua. Senkasta kaadetaan edelleen sulaa metallia tasapainottamaan panoksen tasapaino. Tyypillisessä panoksessa on 4 % C, 0,2–0,8 % Si, 0,08–0,18 % P ja 0,01–0,04 % S.
LD-konvertteri käännetään pystyyn ja vesijäähdytteinen happipeitsi lasketaan sisään. Peitsi puhaltaa ääntä nopeamman happisuihkun (vaadittava puhtaus 99%) seokseen, jolloin ylijäämähiili palaa ja lämpötila nousee 1 700 °C tietämille. Tällöin romu sulaa seokseen, hiilipitoisuus laskee haluttuun ja epäpuhtaudet palavat oksideiksi, jotka voidaan kuoria panoksen pinnalta. Hapen käyttö parantaa teräksen laatua huomattavasti verrattuna Bessemer-prosessiin, sillä puhtaassa hapessa ei ole, toisin kuin ilmassa, mukana typpeä, joka vaikuttaisi haitallisesti panoksen laatuun.
Emäksisiä flukseja (sammuttamatonta kalkkia tai dolomiittia) syötetään konvertteriin, jolloin epäpuhtaudet reagoivat emäksen kanssa ja muuttuvat kuonaksi. Puhallussyklin (n. 20 min) lopussa lämpötila mitataan, ja siitä otetaan näyte. Näytteelle tehdään kemialliset kokeet ja tietokoneanalyysi saadaan noin kuudessa minuutissa. Tyypillisesti puhallettu panos sisältää 0,03–0,09 % C, 0,05–0,2 % Mn, 0,01–0,03 % Si, 0,01–0,03 % S ja saman verran P.
Konvertteri käännetään vaaka-asentoon ja terässula kaadetaan uuteen senkkaan. Tätä prosessia kutsutaan teräksen laskemiseksi. Teräs jalostetaan edelleen senkassa, seostamalla siihen lopputuotteen vaatimia aineita. Joskus senkkaan puhalletaan argonia tai typpeä niin, että aineet seostuvat tasaisesti. Teräksessä on nyt 0,1–1 % hiiltä. Mitä korkeampi teräksen hiilipitoisuus on, sitä kovempaa se on, mutta samalla myös hauraampaa ja vähemmän taipuisaa.
Teräksen laskun jälkeen epäpuhtauksia sisältävä kuona lasketaan pois konvertterista ja jäähdytetään.
Hapen käyttö raakaraudan mellottamisessa teräkseksi oli jo Henry Bessemerin mielessä 1800-luvulla, mutta 1800-luvun puolessavälissä ei ollut teollista keinoa puhtaan hapen valmistamiseksi. Happirikastuskokeita tehtiin 1930- ja 1940-luvulla muun muassa Saksassa ja Sveitsissä. Vuonna 1948 Robert Dürrer teki yhdessä Hellbrüggen kanssa hapen kokeita päältäpuhalluksesta von Rollin terästehtaalla Gerlafingenissä ja seuraavana vuonna Vöestin tehtaalla Linzissä. Ensimmäinen teollinen konvertteri otettiin käyttöön Linzissä Itävallassa vuonna 1952 ja seuraavana vuonna toinen konvertteri Donawitzissä. Menetelmää kutsuttiin nimellä LD (Linz-Donawitz/Dürrer). USA:ssa menetelmää on kutsuttu lisensseistä johtuen nimellä BOP (Basic Oxygen Process), BOC (Basic Oxygen Converter) tai BOF (Basic Oxygen Furnace). Euroopassa prosessi syrjäytti nopeasti sekä Bessemer-prosessin että Siemens-Martin -prosessin, mutta USA:ssa sen yleistyminen kesti vuosia - viimeinen amerikkalainen tuotantokäytössä ollut Bessemer-konvertteri ajettiin alas 1968, ja Bethlehem Steel Company teki terästä yhä Siemens-Martin -prosessilla 1995 Bethlehemin tehtaan sulkemiseen asti.
Erilaisten kaasujen puhaltamista konvertterin pohjasta Bessemer-prosessin tapaan tutkittiin myös Kanadassa 1940-luvulla. Inerttien kaasujen puhallus huokoisten tiilien läpi antoi hyvän sekoitusefektin. Sitä vastoin happi kulutti pohjan nopeasti puhki. Guy Savar ja Robert Lee alkoivat kehittää injektiotekniikkaa 1950-luvulla ja ensimmäisiä mellotuskokeita tehtiin vuonna 1965. Terästeollisuutta oli kuitenkin vaikea saada innostumaan keksinnöstä, sillä LD-prosessi oli juuri tekemässä läpimurtoaan. Karl Brotzmann Maxhüttellä Saksassa kiinnostui menetelmästä, sillä siellä oli käytössä vielä perinteinen Thomas -konvertteri. Lisenssisopimus kirjoitettiin ja tuotantomittakaavainen toiminta alkoi vuonna 1967. Menetelmä sai nimen OBM (Oxygen-Bodenblasen-Maxhütte), jota Yhdysvalloissa kutsutaan nimellä Q-BOP. Prosessin perusidea on hiilivedyn (maakaasu, propaani, öljy) käyttö happivirran suojana.
Emäshappimellotus on syrjäyttänyt nykyisin Bessemer-prosessin ja Siemens-Martin -prosessin lähes täysin. Masuuniin perustuva raakarautaa lähtömateriaalina käyttävä teräksen valmistus on kehittynyt Bessemer-Thomas-konverttereista hapen päältäpuhalluskonvertterin (LD/BOP) ja Bessemer-tyyppisen pohjapuhalluskonvertterin (OBM/Q-BOP) kautta nykyaikaisiin yhdistelmäpuhalluskonverttereihin.