Den Kaldo prosess eller Stora-Kaldo prosessen er en gammel raffineringsprosessen som brukes i stålindustrien å avgrense fosfor råjern . Dette er en spesiell modell av omformer til oksygenren , hvor omrøringen av det smeltede metallet tilveiebringes ved rotasjonen av retorten . Navnet "Kaldo" er et portmanteau- ord , konstruert fra navnet til oppfinneren, professor Bo Kalling , og fabrikken som i 1948 utviklet og industrialiserte prosessen, Domnarvets Jernverk .
Denne prosessen er tilpasset metallurgien til ikke-jernholdige metaller, der den ofte kalles TBRC (for Top Blown Rotary Converter ). Det er et veldig allsidig verktøy, både for smelting av avfall som er rik på edelt metall for å raffinere matvarer av kobber , nikkel , tinn eller bly .
Betraktet så tidlig som 1856 av Bessemer , ville bruk av rent oksygen i stedet for luft være en logisk forbedring av Bessemer- og Thomas- omformerne . Faktisk :
I 1895 flytte Carl von Linde suksess luften. Uavhengig av denne tilnærmingen ga Georges Claude i oppdrag å23. april 1905en industriell prosess for flyting av luft. Patentene deres tillater industriell, og fremfor alt økonomisk, produksjon av store mengder oksygen og flytende nitrogen. Bedrifter blir raskt født (Claude grunnlegger Air Liquide , mens von Linde oppretter Linde AG og Praxair ). Denne tilgangen til nøkkelelementet for avkalking gikk ikke tapt på Georges Claude, som i 1910 anbefalte bruk av rent oksygen i stålindustrien .
Imidlertid gir den enkle erstatningen av luft med rent oksygen betydelige vanskeligheter. Reaksjonen av rent oksygen med støpejern fører til temperaturer på 2500 til 2700 ° C : under disse forholdene, uten å avkjøle dysene , blir bunnen av en omformer ødelagt på få timer.
I 1949 fant Robert Durrer og Theodor Eduard Suess en tilfredsstillende løsning: de utviklet ved VÖEST stålverk i Linz blåsing av oksygen ved hjelp av en lanse som trengte vertikalt inn i retorten . Oppfinnelsen fremstår raskt som en banebrytende teknologi : seks måneder etter den første testen virker prototypen mer økonomisk enn de beste konvensjonelle omformerne! De nye LD-omformerne er mer effektive og dermed mindre enn deres ekvivalenter i luften, og krever bare en investering på omtrent to tredjedeler, og driftskostnadene er begrenset til 55% av kostnadene til et konvensjonelt anlegg med sammenlignbar kapasitet.
I LD-omformeren tilveiebringes omrøringen av økningen av karbonmonoksidbobler som følge av avkalkingen. Men denne bevegelsen, som er effektiv i begynnelsen av blåsten, har en tendens til å avta når det oppløste karbonet faller under 0,1%, og blandingen med slaggen avtar tilsvarende. Oksidasjonen av fosfor skjer imidlertid bare etter at alt karbon har gått, og fangsten av oksidet P 2 O 5krever kraftig omrøring med kalk fra slaggen. Historien gjentar seg: I likhet med Bessemer-omformeren tidligere revolusjonerte LD-prosessen stålindustrien, men viste seg å være uegnet for avfosforisering. En variant som er i stand til å behandle fosforstøpejern er utviklet: LD-AC-omformeren, som består av å injisere kalk i pulverform ved å blande det med oksygen. Andre variasjoner er utviklet på dette prinsippet (LBE, LD-Pompey, OLP, etc. ), men LD-prosessen mister mye av interessen så snart den brukes til raffinering av fosforstøpejern.
Videre bruker alle disse prosessene veldig raske kjemiske reaksjoner. I årene etter utseendet ble LD-omformere og deres derivater ekskludert fra produksjon av kvalitetsstål. Utseendet til kontinuerlig støping , som krever utmerket kontroll av temperaturen på det smeltede stålet, krever også god kontroll av raffinering.
Til slutt genererer rene oksygenomformere enorme mengder rødaktig røyk, lastet med jernoksid. Behandlingen av disse røykene er viktig. Avstøvningssystemer er imidlertid dyre, og selv om de gjør det mulig å oppnå en brennbar gass (0,7 GJ / tonn stål) før det første oljesjokket , er lønnsomheten i investeringen tvilsom.
Siden 1940-tallet, i Sverige, har Domnarvets Jernverk , en fabrikk eid av Stora Kopparbergs Bergslags AB , forsket aktivt på å utvikle en ren oksygenprosess som er i stand til å behandle fosforjern. Faktisk, som det råjern behandlet av Domnarvet stålverket inneholder 1,8 til 2% fosfor , er effektiviteten av dephosphorization et vesentlig punkt. Så langt, i et land der malm er mye rikere enn skrap, er Thomas-omformeren den mest relevante måten å behandle denne typen råjern på. Men injeksjon av oksygen i omformeren forårsaker rask ødeleggelse av ildfaste materialer. Selv i 1940, i Oberhausen , Otto Lellep (1884-1975) lyktes i avkarbonisering støpejern med rent oksygen, gjorde han ikke klarer å dephosphorize det: med rent oksygen, oksidasjon av fosfor var for mye. Eksoterm for omformer dyser.
For å overstige 40% oksygen er det nødvendig med tynnere som er mer effektive enn nitrogen og mindre skadelige for stålets egenskaper. Domnarvet-stålverket vedtar deretter karbondioksid , hvis høye temperatur og endotermisk sprekkdannelse gjør det mulig å avkjøle ildfaste betydelig. I 1947-1949, på slutten av blåsingen, blåser Thomas-omformerne fra Domnarfvet en gassblanding som inneholder opptil 58% oksygen.
Men å blande oksygen med et kjølevæske kan ikke være en tilfredsstillende løsning. For å injisere rent oksygen er det nødvendig å midlertidig gi opp å blåse fra bunnen, og sørge for blanding av metallet på en annen måte. I denne sammenhengen skifter omformerens rotasjon seg ut som en av de sjeldne teknisk realistiske konfigurasjonene som er kompatible med en injeksjon av oksygen med en lans.
Testene av en rotasjonsomformer begynte på Domnarvet i 1948 med en prototype med en intern kapasitet på 3 tonn, deretter en pilot på 15 tonn. Den første industrielle demonstranten, som veide 30 tonn, ble bygget i 1954 og var i drift i 1956.
Denne omformeren kalles "Kaldo", et portmanteau- ord , bygget fra navnet til oppfinneren, professor Bo Kalling , og fabrikken som utviklet og industrialiserte prosessen, Domnarvets Jernverk. Det viser seg å være en teknisk suksess. Muligheten for å justere rotasjonshastigheten og linsens helning gir unik fleksibilitet. Spesielt, takket være rotasjonen, trenger ikke avkalkingen lenger å sikre omrøring av badet og injeksjonen av oksygen kan være mindre voldsom. Oksygenet, som deretter sprer seg gjennom retorten, brenner karbonmonoksidet til karbondioksid og gir ekstra varme. Denne etterforbrenningen kan brukes til å smelte jernskrap , men gassen som dermed brennes, kan ikke lenger gjenvinnes som drivstoff. Den mekaniske kompleksiteten på grunn av rotasjonen kompenseres delvis av fraværet av en gassgjenvinningsinstallasjon.
Lorraine stålprodusenter , hvis lokale malm, minett , er rik på fosfor, er nøye interessert i prosessen. Overbevist av behovet for å bytte til oksygenomformeren, i 1960 opprettet de den andre Kaldo-omformeren. Denne, installert på stålverket i Florange , representerer et betydelig kapasitetshopp i forhold til forgjengeren: den kan raffinere 110 tonn fosforjern. Det er også den største omformeren til rent oksygen i Lorraine . Dens kapasitet økes deretter gradvis til 140 tonn.
De neste årene blir prosessen systematisk evaluert som et alternativ til LD-prosessen og dens derivater. Fra 1965 brukte 10 fabrikker Kaldo-prosessen, i Frankrike, Sverige, USA, Japan og spesielt i Storbritannia. Kapasiteten til de nye omformerne er mellom 50 og 140 tonn . Men fremtiden for prosessen virker allerede kompromittert: allerede i 1967 mener metallurg James Albert Allen at "Med større kapitalforbruk, tekniske problemer og høyere ildfast forbruk, virker det ganske tvilsomt at det kan konkurrere effektivt. Med LD, LD -AC-prosesser eller deres utvikling. "
Imidlertid, i 1969, “Andre metallurgiske dervisher skulle lykkes […], særlig de to 240 tonn Kaldo fra Sacilor til Gandrange . " Disse enorme maskinene på 1000 tonn som roterer ved 30 o / min er dobbelt så store som alle andre Kaldo-omformere! Men to år senere ble to 240-tonns OLP-omformere tatt i bruk på samme stålverk som den planlagte tredje Kaldo ble kansellert. Løpet etter størrelse, ment å fremme stordriftsfordeler , har drept prosessen i stedet for å redde den: den teknologiske grensen er nådd, kostnadene øker med dimensjonene mens det omvendte var forventet.
I 1958, to år etter igangsetting av det første 30-tonns stål Kaldo på Domnarvet, begynte det kanadiske selskapet Inco å evaluere anvendelsen av denne prosessen på utvinningsmetallurgi av nikkel . Hun sendte noen ingeniører til Sverige for å utforske konvertering av nikkel matt til rent oksygen med den opprinnelige tre-tonns prototype. Etter at alle testene deres var vellykkede, bygger Inco en eksperimentell 7-tonn omformer på Port Colborne forskningssenter . I Europa ble en lignende prosess gjennomført av en belgisk kobberprodusent, La Metallo-Chimique , som bygde en Kaldo-ovn på 1960-tallet og patenterte raffinering av resirkulert kobber i 1970.
Hvis La Métallo-Chimique virker som det første selskapet som bruker en industriell kaldo på 70 tonn til raffinering av ikke-jernholdige metaller, er det Inco som ved igangsetting i 1971 av to omformere på 50 tonn ved Copper Cliff ( Grand Sudbury ), lanserer virkelig bruken av Kaldo i produksjonen av ikke-jernholdige materialer. Denne tilpasningen har fått nytt navn TBRC (for Top Blown Rotary Converter ). Det strukturerer Incos strategi og viser seg å være en suksess: i 1979 hadde disse to omformerne allerede produsert en million tonn nikkel, og produserer fortsatt 45 år etter at de ble tatt i bruk.
Svært lik kaldos, integrerer TBRC-omformere det faktum at oksidasjonen av mattene er mye mindre eksoterm enn oksidasjonen av støpejernet , oksygenlansen kan erstattes av en oksygen-naturgassbrenner . Evnen til TBRC-omformere til suksessivt å utføre smelting og oksidasjon av en metalladning blir umiddelbart undersøkt av Inco i sin eksperimentelle omformer i Port Colborne. Dette forskningsverktøyet bekrefter fordelene med oksygenraffinering i utvinnende kobbermetallurgi , og posisjonerer TBRC som et verktøy som er i stand til å behandle enhver kompleks kobbermatte. Men raffinering med TBRC er fortsatt en langsom og kostbar prosess: å bruke den til produksjon av blisterkopper fra malm er en luksus. Rotasjonsomformeren er bare berettiget når det gjelder behandling av svært komplekse malmer, eller gjenvinning av avfall som er rik på edle metaller.
I 1976, det svenske selskapet Boliden AB bestilt første TBRC produsere bly . Ekstraksjonen av dette metallet krever et ytterligere trinn bestående av en reduksjon, som finner sted etter smelting og oksidasjon av tilførselen. Denne reduksjonen oppnås ved å brenne et karbonrikt drivstoff ( petroleumskoks , kullstøv av koks , etc. ) i omformeren, for derved å skape en reduserende atmosfære rik på CO mens den tilfører varme. Opprinnelig dedikert til utvinning av bly inneholdt i støv fra kobberproduksjon, ble Boliden TBRC i 1980 et allsidig verktøy som resirkulerte enten elektronisk avfall som inneholder kobber eller avfall som er rik på bly.
I 1978, støperiet av tinn i Texas City brytere på en TBRC dedikert smelting reduksjon av malm konsentrater cassiterite . Som med bly, er det et spørsmål om å utføre en oksyforbrenning som vil gi varmen og de reduserende gassene som er nødvendige for deoksidering av tinndioksydet . På slutten av den reduktive smelten helles metallisk tinn. Men den gjenværende slaggen i omformeren inneholder fortsatt en ikke ubetydelig mengde tinn kombinert med jern. Metoden for å fjerne denne slaggede tinn, utviklet i 1974 av La Métallo-Chimique, består av et tilsetning av svovel (rent svovel eller pyritt ) som, ved å kombinere med tinnet, lar tinsulfidene rømme i gassform. Likhetene mellom utvinning av bly og tinnmetallurgier, som begge krever reduktiv smelting, populariserte produksjonen av bly-tinnlegeringer fra gjenvinning av avfall med en TBRC.