Krótka historia stali i procesu Bessemera

Wielkie piece zostały po raz pierwszy opracowane przez Chińczyków w VI wieku p.n.e., ale w średniowieczu były szerzej stosowane w Europie i zwiększały produkcję żeliwa. W bardzo wysokich temperaturach żelazo zaczyna pochłaniać węgiel, który obniża temperaturę topnienia metalu, co powoduje odlew żelazo (2,5 procent do 4,5 procent węgla).

Żeliwo jest mocne, ale ma kruchość ze względu na zawartość węgla, co czyni go mniej niż idealnym do pracy i kształtowania. Gdy metalurgi dowiedzieli się, że wysoka zawartość węgla w żelazie była kluczowa dla problemu kruchości, eksperymentowali z nowymi metodami redukcji zawartości węgla, aby zwiększyć ilość żelaza wykonalny.

Nowoczesny produkcja stali ewoluowało od wczesnych czasów produkcji żelaza i późniejszych zmian technologicznych.

Pod koniec XVIII wieku hutnicy nauczyli się przekształcać żeliwo surowe w kute żelazo o niskiej zawartości węgla za pomocą pieców kałużowych, opracowanych przez Henry'ego Corta w 1784 roku. Surówka to stopione żelazo wypływające z wielkich pieców i chłodzone w głównym kanale i przyległych formach. Ma swoją nazwę, ponieważ duże, środkowe i przylegające do siebie mniejsze wlewki przypominały lochy i prosięta.

Aby zrobić kute żelazo, piece ogrzewały stopione żelazo, które musiały być mieszane przez kałuże przy użyciu długich narzędzi w kształcie wiosła, umożliwiając łączenie tlenu i powolne usuwanie węgla.

Wraz ze spadkiem zawartości węgla wzrasta temperatura topnienia żelaza, więc masy żelaza gromadzą się w piecu. Masy te byłyby usuwane i obrabiane młotkiem kuźni przez kałużę, zanim zostaną zwinięte w arkusze lub szyny. W 1860 r. W Wielkiej Brytanii istniało ponad 3000 pieców kałużowych, ale proces ten nadal był utrudniony ze względu na intensywność pracy i paliwa.

Stal typu blister - jedna z najwcześniejszych form stal—Rozpoczęła produkcję w Niemczech i Anglii w XVII wieku i została wyprodukowana przez zwiększenie zawartości węgla w stopionej surówce za pomocą procesu znanego jako cementowanie. W tym procesie pręty z kutego żelaza układano warstwą sproszkowanego węgla drzewnego w kamiennych skrzyniach i ogrzewano.

Po około tygodniu żelazo wchłonie węgiel drzewny. Powtarzane ogrzewanie rozłożyłoby węgiel bardziej równomiernie, a rezultatem po schłodzeniu była blister. Wyższa zawartość węgla sprawiła, że ​​stal typu blister jest znacznie łatwiejsza w obróbce niż surówka, umożliwiając prasowanie lub walcowanie.

Produkcja stali blistrowej postępowała w latach 40. XVIII wieku, kiedy angielski zegarmistrz Benjamin Huntsman stwierdził, że metal może topi się w glinianych tyglach i rafinuje specjalnym topnikiem, aby usunąć żużel pozostawiony przez proces cementowania. Huntsman próbował opracować wysokiej jakości stal do swoich sprężyn zegarowych. Rezultatem był tygiel - lub odlew - stal. Jednak ze względu na koszty produkcji zarówno blister, jak i stal odlewana były używane tylko w specjalnych zastosowaniach.

W rezultacie żeliwo wytwarzane w piecach kałużowych pozostawało głównym metalem konstrukcyjnym w uprzemysłowieniu Wielkiej Brytanii przez większą część XIX wieku.

Rozwój kolei w XIX wieku w Europie i Ameryce wywierał duży nacisk na przemysł żelazny, który wciąż borykał się z nieefektywnymi procesami produkcyjnymi. Stal wciąż nie była sprawdzona jako metal konstrukcyjny, a produkcja była powolna i kosztowna. Tak było do 1856 roku, kiedy Henry Bessemer opracował bardziej skuteczny sposób wprowadzania tlenu do stopionego żelaza w celu zmniejszenia zawartości węgla.

Teraz znany jako Proces Bessemera, Bessemer zaprojektował naczynie w kształcie gruszki - zwane konwerterem - w którym żelazo można ogrzewać, podczas gdy tlen może być wdmuchiwany przez stopiony metal. Gdy tlen przepływał przez stopiony metal, reagowałby z węglem, uwalniając dwutlenek węgla i wytwarzając bardziej czyste żelazo.

Proces był szybki i tani, usuwając węgiel i krzem z żelaza w ciągu kilku minut, ale cierpiał z powodu zbyt udanego. Usunięto zbyt dużo węgla i w produkcie końcowym pozostało zbyt dużo tlenu. Bessemer ostatecznie musiał spłacić inwestorom, dopóki nie znalazł sposobu na zwiększenie zawartości węgla i usunięcie niechcianego tlenu.

Mniej więcej w tym samym czasie brytyjski metalurg Robert Mushet nabył i zaczął testować związek żelaza, węgla i mangan- znany jako spiegeleisen. Wiadomo, że mangan usuwa tlen ze stopionego żelaza, a zawartość węgla w spiegeleisen, jeśli zostanie dodana w odpowiednich ilościach, zapewni rozwiązanie problemów Bessemera. Bessemer zaczął z powodzeniem dodawać go do procesu konwersji.

Pozostał jeden problem. Bessemer nie znalazł sposobu na usunięcie fosforu - szkodliwego zanieczyszczenia powodującego kruchość stali - z jego produktu końcowego. W związku z tym można było stosować wyłącznie rudy pozbawione fosforu ze Szwecji i Walii.

W 1876 roku Walijczyk Sidney Gilchrist Thomas wymyślił rozwiązanie, dodając chemicznie zasadowy topnik - wapień - do procesu Bessemera. Wapień wciągał fosfor z surówki do żużla, umożliwiając usunięcie niepożądanego pierwiastka.

Ta innowacja oznaczała, że ​​rudę żelaza z dowolnego miejsca na świecie można wreszcie wykorzystać do produkcji stali. Nic dziwnego, że koszty produkcji stali zaczęły znacznie spadać. Ceny szyn stalowych spadły o ponad 80 procent między 1867 a 1884 rokiem, inicjując rozwój światowego przemysłu stalowego.

W latach 60. XIX wieku niemiecki inżynier Karl Wilhelm Siemens dodatkowo ulepszył produkcję stali poprzez stworzenie procesu otwartego paleniska. To produkowało stal z surówki w dużych płytkich piecach.

Wykorzystując wysokie temperatury do wypalenia nadmiaru węgla i innych zanieczyszczeń, proces polegał na ogrzewaniu komór ceglanych pod paleniskiem. Piece regeneracyjne wykorzystały później gazy spalinowe z pieca do utrzymania wysokich temperatur w komorach ceglanych poniżej.

Ta metoda pozwoliła na produkcję znacznie większych ilości (50-100 ton metrycznych w jednym piecu), okresowe testy stopionej stali, aby można ją było spełnić określone specyfikacje, oraz wykorzystanie złomu stalowego jako surowca materiał. Chociaż sam proces był znacznie wolniejszy, do 1900 r. Proces otwartego paleniska w dużej mierze zastąpił proces Bessemera.

Rewolucja w produkcji stali, która zapewniła tańszy materiał o wyższej jakości, została uznana przez wielu ówczesnych biznesmenów za okazję do inwestycji. Kapitaliści z końca XIX wieku, w tym Andrew Carnegie i Charles Schwabzainwestował i zarobił miliony (miliardy w przypadku Carnegie) w przemyśle stalowym. Carnegie US Steel Corporation, założona w 1901 roku, była pierwszą korporacją wycenioną na ponad 1 miliard dolarów.

Zaraz po przełomie wieków elektryczny łukowy piec Paula Heroulta (EAF) został zaprojektowany do przepuszczania prądu elektrycznego przez naładowany materiał, powodując egzotermiczne utlenianie i temperatury do 3272 stopni Fahrenheita (1800 stopni Celsjusza), więcej niż wystarczające do ogrzania stali produkcja.

Początkowo stosowane do stali specjalnych, EAF-y zaczęły być stosowane, a do II wojny światowej były wykorzystywane do produkcji stopów stali. Niski koszt inwestycji związany z zakładaniem młynów EAF pozwolił im konkurować z głównymi producentami w USA, takimi jak US Steel Corp. i Betlejem Stal, szczególnie w stalach węglowych lub wyrobach długich.

Ponieważ EAF mogą wytwarzać stal ze 100% złomu - lub zimnego żelaza - surowca, potrzeba mniej energii na jednostkę produkcji. W przeciwieństwie do podstawowych palenisk tlenowych operacje można również zatrzymać i rozpocząć przy niewielkim koszcie. Z tych powodów produkcja za pośrednictwem EAF stale rośnie od ponad 50 lat i stanowi około 33 procent światowej produkcji stali, począwszy od 2017 r.

Większość światowej produkcji stali - około 66 procent - wytwarzana jest w instalacjach tlenowych. Opracowanie metody oddzielania tlenu od azotu na skalę przemysłową w latach 60. XX wieku pozwoliło na znaczne postępy w rozwoju podstawowych pieców tlenowych.

Podstawowe piece tlenowe wdmuchują tlen w duże ilości stopionego żelaza i złomu stalowego i mogą ukończyć ładunek znacznie szybciej niż metody z otwartym paleniskiem. Duże statki o pojemności do 350 ton żelaza mogą zakończyć konwersję do stali w mniej niż godzinę.

Efektywność kosztowa produkcji stali tlenowej sprawiła, że ​​fabryki z otwartym paleniskiem stały się niekonkurencyjne, a po nadejściu produkcji stali tlenowej w latach 60. XX wieku operacje z otwartym paleniskiem zaczęły się zamykać. Ostatni obiekt z otwartym paleniskiem w USA został zamknięty w 1992 r., A w Chinach, ostatni zamknięty w 2001 r.

_Źródła:

_{Spoerl, Joseph S. Krótka historia produkcji żelaza i stali. Saint Anselm College.}

_{Dostępny: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{Światowe Stowarzyszenie Stali. Stronie internetowej: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. I Alexander W. O. 1944. Metale w służbie człowiekowi. 11. wydanie (1998).}