Od epoki żelaza po proces Bessemera i nowoczesne hutnictwo
Era żelaza
W bardzo wysokich temperaturach żelazo zaczyna pochłaniać węgiel, który obniża temperaturę topnienia metalu, dając w wyniku żeliwo (2,5 do 4,5% węgla). Rozwój wielkich pieców, najpierw używanych przez Chińczyków w VI wieku pne, ale szerzej stosowanych w Europie w średniowieczu, zwiększył produkcję żeliwa.
Żelazo
Roztopione żelazo, które zostało wyprowadzone z wielkich pieców i schłodzone w głównym kanale i przyległych formach, zostało określone jako surówka żelaza, ponieważ duże, centralne i przylegające mniejsze wlewki przypominały lochy i prosięta ssące.
Żeliwo
Żeliwo jest mocne, ale ma kruchość ze względu na zawartość węgla, co czyni go mniej niż idealnym do pracy i kształtowania. Gdy metalurdzy zdali sobie sprawę, że wysoka zawartość węgla w żelazie ma kluczowe znaczenie dla problemu kruchości, eksperymentowali z nowymi metodami redukcji zawartości węgla, aby uczynić żelazo bardziej funkcjonalnym.
Kute żelazo
Pod koniec XVIII wieku hutnicy nauczyli się przekształcać surówkę z żeliwa w kutego żelaza o niskiej zawartości węgla, stosując piece do puddingu (opracowane przez Henry Cort w 1784 r.). Piece piekły roztopione żelazo, które musiało być mieszane przez puddlerów za pomocą narzędzi o długich wiosłach , pozwalających tlenowi łączyć się i powoli usuwać węgiel.
Wraz ze zmniejszaniem się zawartości węgla wzrasta temperatura topnienia żelaza, a więc masy żelaza ulegają aglomeracji w piecu. Masy te zostałyby usunięte i pracowały z młotkiem kuźni przez kałuża, zanim zostaną zwinięte w arkusze lub szyny. Do 1860 roku w Wielkiej Brytanii znajdowało się ponad 3000 pieców do pudrowania, ale proces ten był utrudniony ze względu na intensywność pracy i paliwa.
Blister Steel
Jedna z najwcześniejszych form stali , blister, rozpoczęła produkcję w Niemczech i Anglii w 17 wieku i została wyprodukowana poprzez zwiększenie zawartości węgla w stopionej surówce żelaza, w procesie znanym jako cementowanie. W procesie tym pręty z kutego żelaza pokryto sproszkowanym węglem drzewnym w kamiennych skrzyniach i ogrzewano.
Po około tygodniu żelazo wchłonęło węgiel w węglu drzewnym. Wielokrotne ogrzewanie równomiernie rozprowadzałoby węgiel, a po ochłodzeniu byłby stalą typu blister. Wyższa zawartość węgla sprawiła, że stal typu "blister" stała się znacznie bardziej funkcjonalna niż surówka, umożliwiając prasowanie lub walcowanie.
Produkcja blistra w latach czterdziestych XVIII wieku, kiedy angielski zegarmistrz Benjamin Huntsman, próbując opracować stal wysokiej jakości do swoich sprężyn zegarowych, odkrył, że metal można stopić w glinianych tygielach i uszlachetnić specjalnym topnikiem, aby usunąć żużel pozostały po procesie cementacji za. W rezultacie powstał tygiel lub stal. Jednak ze względu na koszty produkcji, zarówno blistry, jak i staliwa były używane tylko w specjalnych zastosowaniach.
W rezultacie żeliwo wytwarzane w piecach do pudru pozostało głównym metalem konstrukcyjnym w brytyjskiej industrializacji przez większą część XIX wieku.
Proces Bessemer i nowoczesne stalownie
Rozwój kolei w XIX wieku w Europie i Ameryce wywarł wielki nacisk na przemysł żelazny, który wciąż borykał się z nieefektywnymi procesami produkcji. Stal nie została jeszcze udowodniona jako metal konstrukcyjny, a produkcja była powolna i kosztowna. To było do 1856 roku, kiedy Henry Bessemer wymyślił skuteczniejszy sposób wprowadzania tlenu do stopionego żelaza w celu zmniejszenia zawartości węgla.
Znany obecnie jako proces Bessemer, Bessemer zaprojektował pojemnik w kształcie gruszki - nazywany "konwerterem" - w którym żelazo można ogrzewać, podczas gdy tlen mógł być przedmuchiwany przez stopiony metal. Gdy tlen przechodzi przez stopiony metal, reaguje on z węglem, uwalniając dwutlenek węgla i wytwarzając bardziej czyste żelazo.
Proces był szybki i niedrogi, usuwając węgiel i krzem z żelaza w ciągu kilku minut, ale ucierpiał z powodu zbyt wielkiego sukcesu.
Usunięto zbyt dużo węgla i w produkcie końcowym pozostało zbyt dużo tlenu. Bessemer musiał ostatecznie spłacić swoich inwestorów, dopóki nie znajdzie sposobu na zwiększenie zawartości węgla i usunięcie niepożądanego tlenu.
Mniej więcej w tym samym czasie brytyjski hutnik Robert Mushet nabył i rozpoczął testowanie związku żelaza, węgla i manganu - znanego jako spiegeleisen. Wiadomo było, że mangan usuwa tlen ze stopionego żelaza, a zawartość węgla w spiegeleizie, jeśli zostanie dodana w odpowiednich ilościach, zapewniłaby rozwiązanie problemów Bessemera. Bessemer zaczął z powodzeniem dodawać go do swojego procesu konwersji.
Pozostał jeden problem. Bessemerowi nie udało się znaleźć sposobu na usunięcie fosforu - szkodliwego zanieczyszczenia, które powoduje, że stal jest krucha - z jego produktu końcowego. W związku z tym można było stosować tylko wolne od fosforu rudy ze Szwecji i Walii.
W 1876 roku Welshman Sidney Gilchrist Thomas zaproponował rozwiązanie, dodając chemicznie zasadowy topnik wapienny do procesu Bessemera. Wapień zwrócił fosfor z surówki do żużla, umożliwiając usunięcie niepożądanego pierwiastka.
Ta innowacja oznaczała, że w końcu rudę żelaza z dowolnego miejsca na świecie można wykorzystać do produkcji stali. Nic dziwnego, że koszty produkcji stali zaczęły znacząco spadać. Ceny stali szynowej spadły o ponad 80% w latach 1867-1884, w wyniku wprowadzenia nowych technik produkcji stali, co przyczyniło się do rozwoju światowego przemysłu stalowego.
Proces Open Hearth:
W latach sześćdziesiątych XIX wieku niemiecki inżynier Karl Wilhelm Siemens jeszcze bardziej udoskonalił produkcję stali dzięki stworzeniu procesu otwartego paleniska. W otwartym procesie paleniskowym wytwarzano stal z surówki żelaza w dużych płytkich piecach.
Wykorzystując wysokie temperatury do spalania nadmiaru węgla i innych zanieczyszczeń, proces opierał się na ogrzewanych komorach z cegły pod paleniskiem. Piece regeneracyjne wykorzystały później gazy spalinowe z pieca do utrzymania wysokich temperatur w komorach z cegły poniżej.
Metoda ta pozwalała na wytwarzanie znacznie większych ilości (50-100 ton metrycznych można było wyprodukować w jednym piecu), okresowe testowanie stopionej stali, aby można ją było dostosować do szczególnych specyfikacji i wykorzystanie złomu stalowego jako surowca . Chociaż sam proces był znacznie wolniejszy, do roku 1900 proces otwartego trzonu w dużej mierze zastąpił proces Bessemera.
Narodziny przemysłu stalowego:
Rewolucja w produkcji stali, która zapewniała tańsze materiały o wyższej jakości, została uznana przez wielu przedsiębiorców za okazję do inwestowania. Kapitaliści końca XIX wieku, w tym Andrew Carnegie i Charles Schwab, zainwestowali i zarobili miliony (miliardy w przypadku Carnegie) w przemyśle stalowym. Firma Carnegie's US Steel Corporation, założona w 1901 roku, była pierwszą korporacją, która kiedykolwiek została zainwestowana w wartości ponad miliarda dolarów.
Elektryczny piec łukowy Steelmaking:
Tuż po przełomie stulecia nastąpił kolejny rozwój, który miałby silny wpływ na ewolucję produkcji stali. Elektryczny piec łukowy Paula Heroulta (EAF) zaprojektowano tak, aby przepuszczał prąd elektryczny przez naładowany materiał, powodując egzotermiczne utlenianie i temperaturę do 3272 ° F (1800 ° C), czyli więcej niż wystarczający do podgrzania stali.
Początkowo używane do stali specjalistycznych, EAFs wzrosła w użyciu, a do II wojny światowej były wykorzystywane do produkcji stopów stali. Niskie koszty inwestycyjne związane z zakładaniem walcowni EAF pozwoliły im konkurować z głównymi amerykańskimi producentami, takimi jak US Steel Corp. i Bethlehem Steel, szczególnie w stalach węglowych lub długich produktach.
Ponieważ EAF mogą produkować stal ze 100% złomu lub zimnego surowca żelaznego, potrzebna jest mniejsza ilość energii na jednostkę produkcji. W przeciwieństwie do podstawowych palenisk tlenowych, operacje można także zatrzymać i rozpocząć przy niewielkim koszcie. Z tych powodów produkcja przez EAF stale rośnie od ponad 50 lat i obecnie stanowi około 33% światowej produkcji stali.
Produkcja tlenu tlenowego:
Większość światowej produkcji stali - około 66% - jest obecnie produkowana w podstawowych urządzeniach tlenowych. Opracowanie metody oddzielania tlenu od azotu na skalę przemysłową w latach 60. pozwoliło na znaczne postępy w rozwoju podstawowych pieców tlenowych.
Podstawowe piece tlenowe dostarczają tlen do dużych ilości stopionego żelaza i złomu stalowego i mogą uzupełnić ładunek znacznie szybciej niż metody z otwartym paleniskiem. Duże statki o pojemności do 350 ton żelaza mogą zakończyć konwersję na stal w czasie krótszym niż jedna godzina.
Efektywność kosztowa produkcji stali tlenowej sprawiła, że fabryki z otwartymi trzonami stały się niekonkurencyjne i po nadejściu produkcji stali tlenowej w latach 60. XX wieku rozpoczęły się operacje otwartego paleniska. Ostatni obiekt z otwartym ogniskiem w USA został zamknięty w 1992 r., A w Chinach w 2001 r.
Źródła:
Spoerl, Joseph S. Krótka historia produkcji żelaza i stali . Kolegium św. Anselma.
Dostępne: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
The World Steel Association. Strona internetowa: www.steeluniversity.org
Ulica, Arturze. & Alexander, WO 1944. Metale w służbie człowieka . 11 edycja (1998).