0.15 Metallurgiska reaktionerna i konvertern

Ett viktigt karakteristika för LD-processen är att syrgasen blåses med mycket hög hastighet, högre än Mach 2 (1600 meter i sekunden), så att syrgasjeten bildar en krater i metallbadet. I denna krater i den så kallade brännfläcken sker oxidationsreaktionen. Syret reagerar direkt med badet enligt:

Formlerna skall tolkas så att kol löst i badet reagerar med syre och bildar CO-gas, att kisel, mangan och fosfor reagerar med syre och bildar oxider och att järn oxideras av syre till järnoxid. De bildade oxiderna förenas i en slaggfas.

Mängdmässigt kommer av kinetiska skäl huvudsakligen Fe att oxideras. (Fe är det mest förekommande elementet i badet). Syrgasjetens impuls kommer att orsaka att droppar av metall och metalloxid (slagg) stänker upp i den bildade slaggen. Därför kommer det även att ske viktiga reaktioner i slaggfasen. Kol och metall oxideras av den FeO som hamnat i slaggen enligt:

Utöver brännfläcken och slaggfasen sker reaktioner även i badet. Mekanismen är i huvudsak att FeO droppar blandas ner i badet. FeO producerar tillsammans med kolet i badet CO-gas. Eftersom det är svårt att kärnbilda en gasbubbla direkt i badet genom så kallad homogen kärnbildning, sker gasproduktionen i första hand utmed väggarna där så kallad heterogen kärnbildning är möjlig. Denna koloxidation bildrar på ett positivt sätt till omröringen av smältan då bubblorna stiger upp genom badet. I takt med att kolfärskningen avtar i slutet av blåsningen avtar också omröringen. Detta innebär att reduktionen av FeO kommer att avta mot slutet och man erhåller en kraftig ökning av FeO-halten i slaggen. Detta är ett av de viktigaste kännetecknen för LD-processen.

Ett annat kännetecken för LD-processen är den skummande slaggen. I LD-processförloppet är gasutvecklingen så stor att tillsammans med kraften från syrgasjeten bildas det en så kallad skummande slagg. Skumningen är positiv då den skapar stora reaktionsytor. Är man inte försiktig kan dock slaggen flöda över konvertermynningen och man får ett så kallat utkok, vilket naturligtvis bör undvikas då det medför en rad komplikationer.

Ca 15% av den bildade CO-gasen omvandlas till CO₂. Denna reaktion är exoterm och mängden CO₂ påverkar därför skrotsmältningskapaciteten. Den ligger normalt i storleksordningen 25%.

Slaggen spelar en viktig och aktiv roll i syrgasprocessernas metallurgi. Det är därför viktigt att hålla en god kontroll att den bildas snabbt och blir tillräckligt reaktiv. Totalt tillsätts mellan 40-50 kg CaO ofta kompletterad med dolomit (CaO/MgO) per ton stål. Tillsammans med bildade oxider ger detta en total slaggmängd på cirka 80-100 kg per ton stål. Lite förenklat brukar man tala om tre skeden i LD-processens förlopp och detta gäller inte minst slaggförloppet.

Period 1 Inledningsskedet (första 4-5 minuterna)

Kolfärskningen kommer inledningsvis inte i gång så starkt. Däremot oxideras stora mängder Fe, Si och Mn. Dessa oxider kommer att utgöra en första mycket lättflytande och lågsmältande slagg. FeO och MnO verkar som flussmedel på den tillsatta kalken. Kalken löses upp snabbt vilket också påskyndas av den omrörningen och temperaturhöjningen. Slaggens konsistens kan ytterligare påverkas genom tillsättning av flusspat, CaF₂, eller annan komponent med låg smältpunkt. Under denna period löser cirka 30-40% av kalktillsatsen upp sig och bildar slagg, varför den ofta kallas slaggbildningsperioden.

Period 2 Kolfärskningsskedet (varar 10-11 minuter)

Kolfärskningen tilltar vilket beror på att större delen av kislet har förslaggats och en temperaturstegring har ägt rum, vilket gynnar kolfärskningsreaktionen. Genom att bildad FeO reduceras av kol och den totala aktiva slaggmängden ökar kommer FeO-halten att minska i slaggen. När slaggens FeO-halt minskar reduceras slaggens flytbarhet kraftigt genom att svårsmälta dikalciumsilikater kommer att bildas. Därigenom försämras kalkupplösningen under denna period.

Period 3 (sista 2-3 minuterna)

Kolhalten i badet har nu sjunkit till några tiondels % , vilket gör att kolets intensitet minskar och omrörningen avtar. Kolfärskningshastigheten avtar på grund av kinetiska skäl och i stället ökar återigen järnoxidationen och FeO-halten i slaggen. Detta leder i sin tur till snabbare kalkupplösning, varför den sista periodens slagg ökar i CaO och FeO-halt.

Figur 13 visar hur slagg och bad förändras i sin sammansättning under blåsningen.

1. Kolfärskningen går långsamt de första 4-5 minuterna på grund av låg temperatur och konkurrens av kisel. När kisel minskar och temperaturen ökar går kolfärskningen upp på en hög och jämn nivå till slutperioden då kolfärskningstakten avtar på grund av låg kolhalt och dålig omröring.
2. Si färskas bort vilket tar cirka 4-5 minuter. Si har hög affinitet till syre och drivkraften gynnas av låg temperatur.
3. Svavelraffineringen går snabbast i början och slutet av blåsningen. Att S-reningen är dålig i mittperioden beror på att kalkupplösningen är för långsam där. Generellt är svavelreningen dålig i konvertern eftersom syrepotentialen är hög.
4. Fosforreningen går också bäst i slutet och början av blåsningen. I början gynnar den låga temperaturen och höga FeO-halten fosforns oxidation. I mittperioden kan till och med fosforn stiga på grund av lägre FeO och höjd temperatur. Detta kallas för fosforpuckeln. I slutperioden ökar både FeO-halt och CaO-halt, dvs såväl syreaktivitet och basicitet ökar i slaggen vilket gynnar fosforreningen så att halten sjunker rejält.
5. Mangan oxideras nästa lika snabbt som kisel. Även mangan kan återreduceras i mittperioden på grund av stigande temperatur.

De generella förhållanden som beskrivits ovan kan naturligtvis modifieras i olika riktningar, till exempel genom olika körningssätt. Ett exempel på detta är inställningar av lanshöjden. Stort avstånd lans-bad ger en ”mjuk blåsning”, det vill säga en högre FeO-halt i slaggen. Detta kan utnyttjas för en extra god fosforrening. Denna metod kan emellertid inte utnyttjas vid låga kolhalter.