Conform chimiei reacțiilor care au loc în convertor, procesul este în mod clar de natură oxidativă, în urma căruia componentele mattei, care au afinitate pentru oxigen, sunt oxidate rapid și eliminate din convertor sub formă de zgură, gaze sau praf. Fierul, cobaltul, sulful, zincul, plumbul și arsenicul sunt eliminate cel mai ușor și complet în timpul suflării mattei.
Principalul material sursă pentru convertoare este matta topită obținută în urma topirii minereurilor de cupru, nichel sau cupru-nichel. În plus față de mată lichidă, convertoarele sunt încărcate cu materiale reci: mată, cupru, aliaje, minereuri și fluxuri de cuarț. Combustibilul sau electricitatea nu sunt de obicei necesare pentru prelucrarea mattei de convertor, deoarece căldura necesară este obținută din reacțiile exotermice de oxidare a fierului și sulfului.
Convertoarele reprezintă principala unitate metalurgică pentru prelucrarea mattei în metalurgia cuprului, nichelului și plumbului.
Funcționarea convertoarelor constă într-un complex de procese chimice și fizice care au loc într-o baie de mată topită suflată prin aer. La fel ca în cazul cuptoarelor cu puț, principalele procese din convertor sunt inaccesibile pentru observare directă, ceea ce complică considerabil studiul și cunoașterea lor.
Tabloul general al dezvoltării și interrelaționării principalelor procese din convertor este următorul. Cupru, nichel sau mată de cupru-nichel topită se toarnă în convertor prin gât în cantitate de 1-2 căni și se suflă cu aer în prezența fluxului de cuarț timp de 35-50 de minute. După suflare, zgura formată în convertor este drenată, se toarnă o nouă porție de mată, se încarcă cuarțul și se repetă suflarea etc. Treptat, în convertor se acumulează masa îmbogățită constând din Cu2S sau Ni3S2. Pentru mată de cupru, după o cantitate suficientă de CU2S și îndepărtarea întregului fier, suflarea continuă fără fluxuri până când se îndepărtează tot sulful și se obține cupru blister. Pentru mată de nichel și cupru-nichel, procesul se încheie cu producerea de sulfuri de Ni3S2 sau un aliaj de Ni3S2 și Cu2S sub formă de mată. Matte topită prelucrată se află în partea inferioară a convertorului, formând o baie cu o adâncime totală de 0,6-1,5 metri. Pe suprafața băii plutesc bucăți de flux de cuarț și există, de asemenea, un strat de zgură lichidă de convertor formată în timpul suflării.
Aerul este introdus în baie la o adâncime de 0,5-0,7 m de la suprafața acesteia, prin intermediul unor orificii speciale de tuyere. Presiunea aerului depășește considerabil presiunea hidrostatică a stratului de mată topită, astfel încât jetul de aer pătrunde în stratul de mată la o anumită distanță de peretele tuyerei. Datorită greutății specifice ridicate a masei de mată topită (5-7), aceasta oferă jetului de aer o rezistență semnificativă la străpungere și produce, de asemenea, o presiune hidrostatică mare asupra sa, forțând jetul de aer, imediat după desprinderea sa de tuyere, să se întoarcă în sus și să plutească la suprafața băii. Prin urmare, la dispunerea laterală a tuyerei, disponibilă în toate convertoarele din metalurgia neferoasă, aerarea băii are loc într-o zonă limitată a băii, adiacentă peretelui tuyerei. Se poate considera că zona activ agitată de aer nu este mai mare de 1 /z din lățimea băii convertorului, iar restul de 2 /z din lățimea băii este suflat direct de peretele tuyerei.3 din lățimea băii nu este purjată direct cu aer.
Jeturile de aer care ies din lănci au o viteză inițială de 100-150 m/sec. O masă mare de aer relativ rece care iese din tuyere în fluxuri continue, care nu a fost încă ruptă în bule separate, provoacă răcirea topiturii adiacente peretelui tuyerei și formarea de depuneri în tuyere sub formă de șosete cu un pasaj liber care scade treptat. Întarirea tuyerelor reduce secțiunea transversală a tuyerelor și reduce treptat debitul de aer al acestora, ceea ce poate duce în cele din urmă la oprirea completă a fluxului de aer în convertor și la defectarea acestuia. Pentru a preveni acest lucru, este necesar să se străpungă periodic tuyerele cu raclete, care dislocă mecanic depunerile formate și măresc secțiunea transversală pentru trecerea aerului. Jetul de aer, pătrunzând în masa de mată topită, se sparge într-un număr mare de bule mici care intră în interacțiune chimică activă cu sulfurile și metalele.
Temperatura ridicată a băii (1200-1300°), starea topită a materialelor, suprafața semnificativă de contact dintre aer și topitură intensifică procesele de oxidare chimică, care se desfășoară la viteze foarte mari. Viteza ridicată a reacțiilor chimice în convertor este demonstrată în mod convingător de faptul că gradul de utilizare a oxigenului de explozie este foarte ridicat, nu mai mic de 90-95%, timpul de ședere al oxigenului în baie fiind măsurat în zecimi de secundă. Procesele chimice sunt mai active în secțiunea băii suflate de aer, adică în apropierea peretelui tuyerei. Principalele procese de oxidare din convertor sunt reacțiile de oxidare a fierului și a sulfului, care furnizează căldura necesară pentru desfășurarea normală a procesului fără consum de combustibil și electricitate.
Ca urmare a oxidării sulfului, se formează dioxid de sulf gazos, care este amestecat cu azotul provenit din suflul de aer și cu oxigenul rezidual care nu a reacționat. Amestecul gazos rezultat plutește la suprafața băii în zona adiacentă tuyerei și umple volumul de gaz al convertorului, din care este eliminat sub o ușoară presiune pozitivă prin gât.
Ca urmare a oxidării fierului, se formează oxizi de FeO și Fe304zgură, care se află în baie în stare lichidă și sunt eliminate din baie cu zgura de convertor.
Spre deosebire de procesele de oxidare care au loc în condiții foarte favorabile, procesul de zgură în convertor are loc în condiții foarte severe, excluzând posibilitatea de a obține zgură reziduală. Procesul de scaldare este complicat de contactul imperfect al fluxului de cuarț care plutește pe suprafața băii cu oxizii de fier formați în profunzimea băii. Agitarea băii cu jeturi de gaz împiedică procesul de sedimentare a mattei din zgură. Contactul slab al băii cu cuarțul creează condiții favorabile pentru reoxidarea oxidului de fier format în magnetită, care este un compus foarte stabil în condiții de conversie, deteriorând brusc proprietățile zgurii — vâscozitate, greutate specifică și punct de topire. Contactul dintre fluxul de cuarț și baie este deteriorat în special prin apariția unui strat vizibil de zgură, care izolează baia de fluxuri. Prin urmare, este necesar să se oprească frecvent procesul de suflare și să se evacueze zgura formată din convertor. Datorită suflării aproape continue a băii cu aer, masa de mată și zgură nu se află în repaus, ci este supusă unui anumit amestec, în special în zonele băii adiacente peretelui tuyerei.
Materialele lichide și solide și produsele de topire se deplasează continuu în convertorul în funcțiune. Principalele cauze ale acestei mișcări sunt impactul dinamic al jeturilor de aer care ies din tuyere asupra băii, precum și ieșirea la suprafață a bulelor de gaz, sporită de dilatarea lor termică sub influența încălzirii datorate generării de căldură exotermică. Cea mai activă mișcare are loc în partea de baie adiacentă peretelui tuyerei convertorului. Aici, stratul superior de blană al băii este agitat energic de bulele de gaz care plutesc cu viteză mare. Gazele care ies din baie antrenează masa topită, făcând-o să se ridice sub formă de explozii și fântâni deasupra oglinzii băii până la o înălțime de 0,5-1,0 m și mai mare. La funcționarea normală a convertorului, majoritatea surghiunilor se întorc în baie fără a ajunge în partea superioară a zidăriei și a gâtului. O anumită cantitate de stropi mai mici prin inerție sau datorită antrenării lor de către fluxul de gaz este transportată în afara gâtului convertorului și cade în sistemul de conducte de gaz sau pe podea. Deoarece productivitatea convertoarelor în termeni de mată prelucrată este direct determinată de cantitatea de aer suflată în acestea, se urmărește întotdeauna creșterea alimentării cu aer a convertoarelor.
Atunci când cantitatea de aer furnizată prin tuyere pe unitate de timp crește, bolboroseala băii la peretele tuyerei crește, înălțimea stropilor și a fântânilor deasupra oglinzii băii crește și cantitatea de stropi transportată în afara gâtului convertorului crește. În cazul în care alimentarea cu aer a convertorului depășește o anumită cantitate limită de aer, stropii și stropirile din convertor pot deveni catastrofal de mari, ceea ce va face munca personalului de operare periculoasă și pierderea de mată inacceptabil de mare. Nu este rațional să se furnizeze o astfel de cantitate de aer convertorului.
Cantitatea de aer absorbită de convertor crește pe măsură ce temperatura băii crește și vâscozitatea acesteia scade. Cu cât matul prelucrat în convertor este mai slab, cu atât mai multă căldură este generată de reacțiile de oxidare a fierului și sulfului și cu atât mai mari sunt rezervele de căldură ale convertorului. Dacă excesul de căldură nu este utilizat, zidăria convertorului se va supraîncălzi și va ceda prematur. Prin urmare, pentru a regla temperatura convertoarelor, se utilizează așa-numiții aditivi reci, sub formă de încărcare cu mată rece, cruste, resturi etc., care consumă căldura în exces pentru încălzire și topire. Cantitatea de aditivi reci care acționează asupra mattei sărace poate ajunge până la 40-50% din greutatea mattei calde. Cele mai mari emisii de căldură în convertoare au loc în acele perioade ale funcționării lor, când baia conține o cantitate vizibilă de fier metalic sau sulfuros. Pentru suflarea mattei de cupru, această perioadă se numește prima perioadă, iar pentru matta de cupru-nichel și nichel — perioada de mată. Măsurătorile efectuate în fabrică arată că, în această perioadă, baia de conversie și zidăria sunt încălzite activ.
Principalele avantaje ale convertoarelor sunt: lipsa consumului de combustibil și de energie electrică; intensitate mare de funcționare și productivitate ridicată; grad ridicat de eliminare a fierului, sulfului și a altor impurități; obținerea de gaze cu conținut ridicat de SO2, ceea ce permite utilizarea acestora pentru producerea acidului sulfuric; posibilitatea de a prelucra materiale reci — mată, cruste, minereu etc.
Dezavantajele convertoarelor: imperfecțiunea procesului de formare a zgurii și imposibilitatea de a obține zgură reziduală; extracția directă redusă a metalelor; curățarea tuyerei, care necesită multă forță de muncă; periodicitatea procesului și necesitatea opririi frecvente a convertorului; consumul ridicat de aer de înaltă presiune.
