De evolutie van basische zuurstofstalenproductie: Van oorsprong tot moderne praktijken

Geschiedenis van basische zuurstofstalenproductie (BOS)

Basische zuurstofstalenproductie (BOS) is het proces van staalmaken door zuivere zuurstof (O₂) in een vloeibaar metaalbad te blazen, dat in een vat zit bekend als basische zuurstofoven (BZO), LD-converter of simpelweg converter.

De geschiedenis van staalmaken begon in de 19e eeuw, toen Réaumur van Frankrijk in 1772, Kelly in de VS in 1850 en Bessemer in Groot-Brittannië in 1856 ontdekten hoe gietijzer te verbeteren door de koolstofinhoud van ijzerlegeringen te controleren, wat tot echte stalen leidde. Terwijl Réaumur, een scheikundige, gedreven werd door wetenschappelijke nieuwsgierigheid, reageerden Kelly en Bessemer als ingenieurs op de behoefte aan grotere hoeveelheden en betere kwaliteiten staal die de industriële revolutie, met weefmachines, stoommachines, machines en spoorbannen, had gecreëerd. Dit startte een dialectische relatie tussen wetenschap en technologie en de basisconcepten van het raffineren van gietijzer door koolstof (C) in een vloeibaar bad te oxideren, werden toen uitgevonden.

Dit was een radicale verandering ten opzichte van de gas-vaste-stof reactie in schachtovens, de voorgangers van hoogovens die ijzererts reduceren met houtskool, of van het puddelen van ijzer, een smeed- en raffinatietechniek in vaste toestand die geen equivalent heeft in de huidige tijd. De innovatie-intensiteit in de tweede helft van de 19e eeuw was indrukwekkend en bracht een paradigma-shift. Staalmaken via de Bessemer-converter kwam in 1856 tot stand, de open haardoven, die schroot kan smelten naast het raffineren van gietijzer, werd ontdekt negen jaar later in 1865, en de basische Thomas-converter twaalf jaar later in 1877. De Thomas-converter gebruikte lucht voor het raffineren van het vloeibare metaal.

Luchtgeblazen converter en open haardproces

De door Bessemer in 1856 uitgevonden luchtgeblazen converter wordt beschouwd als het eerste moderne staalmakerijproces. In 1877 werd het Thomas-proces, een gewijzigd Bessemer-proces, ontwikkeld om vloeibaar ijzer met hoge fosfaathouding te behandelen. Bij het Thomas-proces werd fosfor (P) geoxideerd in een zogenaamde "na-blaas" na verwijdering van de meeste koolstof uit het bad. Het open haardproces, ook wel het Siemens-Martin (SM) proces genoemd, werd bijna gelijktijdig met het Thomas-proces ontwikkeld. Het open haardproces gebruikte regeneratieve warmteoverdracht om de lucht voor een brander te verwermen, en kon voldoende warmte genereren om vast staalschroot en gietijzer in een reverberatoire oven te smelten en te raffineren. Rond de jaren '50, toen basische zuurstofstalenproductie opduikte, was staalmaken voornamelijk gebaseerd op open haardproces-technologie. Gietijzer en schroot werden in grote horizontale ovens geladen waar branders energie leverden voor schrotsmelting. Zuurstof (O₂) lansen werden gebruikt om de brander-efficiëntie te verbeteren en koolstof (C) en silicium (Si) uit het gietijzer te verwijderen. Het open haardproces was een allothermisch proces en dus moest externe energie aan de oven worden geleverd. Typische tap-naar-tap tijden waren acht uur voor hitte-grootte van 200 tot 250 ton vloeibaar staal.

Elektrische boogoven (EAF)

De volgende grote innovatie in staalmaken, die nauw volgde op de uitvinding van elektriciteit, was het elektrisch boogoven (EAF) proces. EAF werd door Héroult in La Praz rond 1900 geïntroduceerd in de Alpenvallei dicht bij de bron van de nieuwe energie, aangezien op dat moment het nog niet haalbaar was om elektriciteit over lange afstanden te transporteren. De EAF-technologie was gebaseerd op het aanspreken van een energie die een vervanging is voor steenkool en ook in het smelten van schroot in nog grotere hoeveelheden dan de open haard. Het EAF-proces van staalmaken wordt toegeschreven het starten van een herwinningseconomie.

Concept van BOS en doorbraak

Het concept van BOS gaat terug tot 1856 toen Henry Bessemer een staalmakerijproces patentte dat O₂-blazen voor decarburisering van vloeibaar ijzer betrof (UK-patent nr. 2207). Toen was er geen methode beschikbaar om de hoeveelheid O₂ te leveren die voor het proces nodig was. Commerciële hoeveelheden O₂ waren niet beschikbaar of te duur, en dus bleef de uitvinding van Bessemer alleen op papier en ongebruikt. Het staalmaken door te blazen met zuivere zuurstof werd haalbaar in 1928, toen het bedrijf Linde erin slaagde een methode (het Linde-Fränkl-proces) te ontwikkelen voor het leveren van zuivere O₂ in grote hoeveelheden. Door het succes van het Linde-Fränkl-proces werd O₂ ook veel goedkoper, zodat beide voorwaarden (beschikbaarheid van grote hoeveelheden en goedkope zuurstof) voor de introductie van het BOS-proces vervuld waren.

Zowel in Europa als de VS werden experimenten met O₂ herhaaldelijk uitgevoerd. Onder degenen die met hoge zuiverheid O₂ werkten was Otto Lellep, maar zijn concept van "O₂ verticaal op een bad van vloeibaar ijzer blazen" bleek onsuccesvol. Volgens Hubert Hauttmann, die deelde in Lellep's experimenten tussen 1936 en 1939 bij de Gutehoffnungshütte, was de bedoeling om vloeibaar ijzer om te zetten door zuivere O₂ door een dijk in de bodem van de converter in te blazen. Het zo geproduceerde staal was van ellendige kwaliteit.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog stelden ingenieurs zoals C.V. Schwartz van Duitsland, John Miles van België, Robert Durrer van Zwitserland en Heinrich Hellbrügge van Duitsland hun versies van O₂-geblazen staalmaken voor, maar alleen Durrer en Hellbrügge brachten het tot een niveau van massaproductie.

Carl Valerian Schwarz diende in 1939 een patentaanvraag in voor het blazen van zuurstof in het bad met oversnelheid. Maar deze methode was ook "nog niet in staat bruikbaar staal te produceren". Hoewel het latere Linz-Donawitz (LD) proces gelijkenissen had met Schwarz' patent, waren de typische kenmerken anders (bijv. "centraal, verticaal blazen"). Het is zeker door de uitbraak van de Tweede Wereldoorlog dat de technologie in Schwarz' patent niet initieel leidde tot praktische toepassingen. Het was ook aan het einde van de jaren '30 dat Robert Durrer van Zwitserland zijn eigen experimenten begon.

Na de oorlog begonnen Heinrich Hellbrügge en Robert Durrer (technisch directeur van de Roll'schen Eisenwerke) verder experimenten bij Roll'schen Eisenwerke in de Zwitserse stad Gerlafingen. De foto van de eerste bovengebazen zuurstofconverter te Gerlafingen is weergegeven in figuur 1.

Het was Durrer die de basis theoretische principes neerlegde en VÖEST adviseerde om de O₂ van boven in een apart vat te blazen, nadat een contact was gelegd tussen Gerlafingen en VÖEST voor industriële technische samenwerking. Een reeks experimenten met een 2-ton experimentele converter startte op 3 juni 1949 op het VÖEST-terrein. Na diverse beginproblemen werd de doorbraak bereikt op 25 juni 1949, toen de O₂-druk werd verlaagd en de punt van de blaaslans verder van het bad werd geplaatst, zodat de O₂-straal niet zo diep kon penetreren. Met deze doorbraak werd staal geproduceerd dat zonder problemen in platen kon worden gewalst. De experimentele afdeling van VÖEST onderzocht dit staal en was zeer positief. Dit was het moment waarop het LD-converter staalmakerijproces geboren was. De experimenten gingen door tot verschillende honderden hits van 2 ton waren geproduceerd, waarna men overschakelde op een speciaal gebouwde 15-ton experimentele converter in het open. De eerste hit werd geproduceerd op 2 oktober 1949. De nieuwe staalsoort werd continu metallurgisch en anders getest.

De sleutelfactor voor deze innovatie was de beweging van het vloeibare bad. Tot dan toe was het onmogelijk geacht om voldoende badbeweging te verkrijgen zonder de O₂ op grote diepte in te blazen. Maar deze beweging werd op een zeer bevredigende manier bereikt door de vorming van CO (koolmonoxide). Het principe van "zacht blazen" bevorderde ook FeO-vorming, wat geoxideerde onzuiverheden absorbeerde om slak te vormen. Dit hielp bij de productie van een uitstekende nieuwe staalsoort.

Naast Roll'schen Eisenwerke in Gerlafingen en VÖEST toonden Mannesmann AG in Duisburg-Huckingen en ÖAMG (Donawitz) in mei 1949 interesse in het O₂-blasproces of ten minste O₂-metallurgie in het algemeen. Tijdens de experimenten in Linz en na een demonstratie van het proces werd op 17 juni 1949 een nauwkeurige taakverdeling overeengekomen. VÖEST zou doorgaan met ruwstaal uit Linz in een groter raffinatievat, Mannesmann zou experimenteren met O₂-blaas van Thomas-staal, Roll'schen Eisenwerke zou het gebruik van O₂ in de EAF onderzoeken en ÖAMG zou tests doen met O₂ in een lage-schacht gietijzeroven. De overeenkomst verplichtte iedereen betrokken bij deze O₂-metallurgie "geen verklaring af te leggen of informatie door te geven buiten hun eigen bedrijven over details van O₂-raffinaderij die ter kennis waren gekomen of conclusies die ze tijdens de discussies in Linz op 17 juni 1949 hadden getrokken."

Op basis van de overeenkomst werd uit experimenten in Donawitz snel duidelijk dat het gebruik van zuurstof in schachtovens waardeloos was, waarna het bedrijf andere benaderingen ging verkennen. Het in Donawitz ontwikkelde proces voor de herwinning van slak met hoge mangaaninhoud door blazen met O₂ leidde tot het inzicht dat alleen een blaasproces met zuivere O₂ overwogen moest worden voor de staalproductie-uitbreiding en rationaliseringsplannen in Donawitz. Na uitgebreid onderzoek en succesvolle ontwikkelwerk op een 5- of 10-ton experimentele opstelling, met zuurstof geleverd uit in serie geschakelde cylinders, besloot het management een nieuwe staalfabriek te bouwen, die in twee jaar operationeel zou zijn. De Donawitz ingenieurs noemden hun proces initieel "SK", van de Duitse initialen voor "Zuurstofconverter". Deze term hielp de activiteiten van VÖEST en ÖAMG een beetje te onderscheiden.

Op 9 december 1949 nam de toenmalige directeur van VOEST, Heinrich Richter-Brohm, het risicovolle besluit om de eerste LD-staalfabriek te bouwen. Niet lang daarna, na verduidelijking van vragen over productiemethoden voor harder staalsoorten, werd besloten ook een LD-installatie in Donawitz te bouwen. De eerste patenten voor het proces werden in 1950 aangevraagd.

In het jaarlijks onderzoek- en kwaliteitsrapport van 1951 stond dat "gedurende het verslagjaar uitgebreid onderzoek gewijd was aan de LD-staalsoorten, en een publicatie was uitgegeven. Dit type staal wordt verwacht groot potentieel te bezitten op kwaliteitsgebied, en in het bijzonder zal het staal met een hoogwaardig oppervlak gecombineerd met goede koude vervormbaarheid toestaan te produceren. Dit is met name belangrijk voor dunne plaatproductie, waar tot nu toe goede koude vervormbaarheid alleen mogelijk was als bepaalde oppervlaktefouten geaccepteerd werden (gedoodde staalsoorten). Maar staal met hogere strekkingsgrens kan ook extreem voordelig geproduceerd worden door het zuurstofraffinageproces."

In 1951 werd het in Linz mogelijk om gietijzer met zuivere O₂ in staalmaken te raffineren tot een innovatief, operationeel betrouwbaar proces voor de productie van bulk kwaliteitsstaal. De aankondiging van het nieuwe proces gebeurde voor het eerst in december 1951, op de conferentie "Staalraffinaderij met Zuivere Zuurstof" van de Oostenrijkse Vereniging voor Metallurgie in Leoben. Op de conferentie stelde Robert Durrer dat de twee metallurgische installaties (Linz en Donawitz) het concept van het blazen van hoge zuiverheid O₂ op eigen gietijzer in een levensvatbaar industrieel proces hadden ontwikkeld, en feliciteerde hen met dit grote succes. Met deze aankondiging werd Oostenrijk het eerste land dat op industriële schaal staal produceerde uit gietijzer door zuivere O₂ te blazen. De doorsnede LD-converter voor en tijdens O₂-blazen in het vloeibare metaalbad is weergegeven in figuur 2.

Op 27 november 1952 werd de eerste converter in bedrijf genomen bij LD Staalfabriek 1 (figuur 3) in Linz, een mijlpaal in de staalproductie door het O₂-blaasprincipe. Op 5 januari 1953 werd deze LD Staalfabriek, de eerste ter wereld, officieel geopend. Op 17 juni 1953 had LD Staalfabriek 1 in Linz al 100.000 ton LD-staal geproduceerd, en begin december 1953 was 250.000 ton staal geproduceerd. De tweede LD Staalfabriek ging op 22 mei 1953 in bedrijf bij de Österreichisch-Alpine Montangesellschaft (ÖAMG) in Donawitz. Het proces, nu uitgegroeid tot volledige operationele volwassenheid, overtrof alle verwachtingen in zowel kwaliteit van het geproduceerde staal als economische haalbaarheid.

De uitzonderlijk gunstige metallurgische omstandigheden in dit proces leverden ruwstaal vrij van O₂, zodat geen deoxidatie vereist was. Het staal was een laag-gas, laag-stikstof (N₂) staal, vrij van fosfor (P), zwavel (S) en ongewenste bijkomende elementen. In technische eigenschappen, met name koude vervormbaarheid, was het in de LD-converter geproduceerde staal duidelijk superieur aan het staal geproduceerd door het open haardproces. Het LD-proces was ook in staat structurele staalsoorten van uitzonderlijke kwaliteit te leveren. Het in de LD-converter geproduceerde staal gaf uitstekende resultaten in gelaste konstrukties onder zeer zware belasting. Wijde bandrollen van het in de LD-converter geproduceerde staal werden in grote hoeveelheden geleverd aan koude walzers zowel in Duitsland als in het buitenland.

De afkorting LD voor Linz-Donawitz, die vandaag de dag gebruikelijk is, werd officieel in 1958 aangenomen. De naam LD werd gekozen omdat VÖEST in Linz en ÖAMG in Donawitz het tot industriële rijpgraad hadden ontwikkeld.

Wereldwijde verspreiding

In augustus 1954 werd Dominion Foundries & Steel, Ltd. van Canada de eerste maatschappij buiten Duitsland die een LD-staalfabriek exploiteerde. Het had twee 60-ton converters. Het werd in hetzelfde jaar gevolgd door McLouth Steel Corp. in de VS, die haar LD-staalfabriek startte met hulp van VÖEST-fabrieksdirecteur Rudolf Rinesch. In september 1956 was de derde maatschappij buiten Duitsland die LD-exploitatie begon de Société des Aciéries de Pompey, Frankrijk, met een 15-ton converter. In 1957 werden vijf LD-staalfabrieken in West-Duitsland, Japan, Brazilië en de VS in bedrijf genomen, nog eens vijf in 1958, twee in 1959 in Rourkela, India, en acht in 1960. In 1960 waren meer LD-staalfabrieken in bouw dan er tot dan toe waren gebouwd, in de VS, Japan, Spanje, Portugal, Italië (uitbreiding bestaande installatie), West-Duitsland, Brazilië, Engeland, Schotland, Noorwegen, Argentinië, Australië (1961) en Frankrijk.

Technologische innovaties en verbeteringen

Technische innovatie in upstream productieprocessen, met name in raffinage- en gietprocessen, was essentieel voor continue verbetering van de kwaliteitsniveaus van de stalen vereist voor diverse toepassingen. Hierdoor heeft er ook een continue upgradering plaatsgevonden in het BOS-proces sinds de inbedrijfstelling van de eerste LD-converter in Linz.

Het oorspronkelijke LD-proces bestond uit het blazen van O₂ over de top van het vloeibare ijzer door de watergekoelde dijk van een verticale lans. In de jaren '60 begonnen staalmakers te werken aan bodemgeblazen converters en de introductie van inert gas blazen voor het roeren van het vloeibare metaal in de converter en de verwijdering van P-onzuiverheden.

In de vroege jaren '70 vond verdere ontwikkeling in BOS-staalmaken plaats met bodemblaas van O₂ door gebruik van tuyères beschermd door koolwaterstofgas of brandstofolie. Na ervaringen met deze twee typen converters, werden gecombineerd boven-en-onderblaas vaten ontwikkeld. En in de late jaren '70 werd gemengd blazen geïntroduceerd in de converter van het BOS-proces. De meeste converters die nu in de wereld worden gebruikt, zijn van het gecombineerde type.

In homogeneiteiten in chemische samenstelling en temperatuur ontstaan in de smelt tijdens de O₂-blaas in bovengebazen converters door gebrek aan menging in het metaalbad. Er is een relatief dode zone direct onder de straalgat in de converter. De noodzaak om het staalmakerijproces in de bovengebazen converter te verbeteren heeft geleid tot de ontwikkeling van het gecombineerd blaasproces. De eerste commercieel geaccepteerde gecombineerde blaaspraktijk was het LBE (Lance Bubbling Equilibrium) proces ontwikkeld door ARBE-IRSID. Dit proces is veel meer verwant aan het BOF-proces daar alle zuurstof van de bovenlans wordt geleverd. Het gecombineerde blaasaspect wordt bereikt door een set porieuze elementen geïnstalleerd in de bodem van de converter doorheen welke argon of stikstof wordt geblazen. In het LBE-proces wordt stikstofgas typisch bijna uitsluitend gebruikt voor het grootste deel van de blaas in het bereik van 3-11 Nm³/min. Echter in het latere deel van de blaas wanneer stikstofabsorptie een probleem kan creëren, wordt argongas gebruikt voor roeren. Daarnaast wordt argon bijna uitsluitend gebruikt als inert gas voor na-blaas roeren, waarbij de snelheid verhoogd wordt tot 10-17 Nm³/min.

In de vroege jaren van het LD-converterproces werd het topgas volledig verbrand aan de convertermond door de open kap en vervolgens gekoeld in de schoorsteen ofwel indirect met water of door verdampingskoeling. Damals werden ongeveer 300 kg stoom en 250 m³ afgas per ton ruwstaal geproduceerd.

Milieuaspecten waren een serieuze uitdaging voor het converterproces toen het in de jaren '50 industriëel geïmplementeerd werd. De fijnheid van de stoffen in het converterafgas dwong de leveranciers van het proces om nieuwe dedustingssystemen te ontwikkelen. 1 gram converterstof heeft een zichtbaar oppervlak van 300 tot 500 m². Om de optische effecten van "bruine rook" algemeen te vermijden, moet het stof uit het systeem worden gecleard tot een niveau onder 100 mg per kubieke meter. Hiervoor werden zowel natte als droge dedustingssystemen gebruikt. De uitdaging werd steeds meer een kans voor het converterproces naarmate het aantal milieukwesties groeide. En deze kans hielp bij het ontwikkelen van het systeem van herwinning van convertergas met onderdrukte verbranding. Vandaag de dag eisen economie en milieu dat de energie in het convertergas en het ijzerbevattende stof worden verzameld en efficiënt gerecycled.

In de vroege jaren '60 werden processen ontwikkeld om deze hoge calorische waarde topgas van de converter te herwinnen zodat het als gasbrandstof in de fabriek kon worden gebruikt. Dit is bereikt door onderdrukte verbranding. De procesapparatuur die boven de convertermond is geïnstalleerd, heeft functies om af te koelen, op te schonen en het convertergas te herwinnen met behulp van onderdrukte verbranding. Met onderdrukte verbranding van het topconvertergas worden 70-100 m³ convertergas per ton ruwstaal met een calorische waarde van 1.600-2.000 kcal/Nm³ herwonnen. Naast 80 kg/ton ruwstaal stoom wordt ook gemaakt als verdampingskoeling voor topgas wordt toegepast.

In de vroege dagen van staalmaken door het converterproces gaven bruine rook uit de schoorsteen aan dat de converter werkte. Vandaag de dag, als gevolg van convertergasherwinning en reinigingssystemen, wordt de werking van de converter alleen gedetecteerd vanaf de fakkelstapel.

Sinds 1977 zijn een aantal verbeteringen aangebracht in het ontwerp van het convertervat zelf, in refraktaire materialen en toepassingspraktijken, en in het ontwerp van de zuurstof lans en ovenbodemdijken, wat in grote mate heeft bijgedragen tot verbetering van de staalmakerijefficiëntie en verminderde eenheidsverbruik van grondstoffen en refraktaria, wat allemaal nuttig is om de ovenlevensduur tot meerdere duizenden hits te verlengen.

Vandaag de dag is de grootte van de converter toegenomen en grote converters tot 350 ton ijzer zijn beschikbaar. In 2014, van een wereldwijde totale ruwstaalproductie van 1.669 miljoen ton, was de ruwstaalproductie via het BOS-proces 1.229 miljoen ton, wat 73,7% van de totale wereldwijde staalproductie betekent.