Stålhistorie fra jernalder til elektriske bueovner

Utviklingen av stål kan spores tilbake 4000 år til begynnelsen av jernalderen. Provet å være vanskeligere og sterkere enn bronse, som tidligere hadde vært det mest brukte metallet, begynte jern å forflytte bronse i våpen og verktøy.

For de følgende få tusen årene vil kvaliteten av jern produsert imidlertid avhenge så mye av malmen som på produksjonsmetodene.

Ved det 17. århundre ble jernens egenskaper godt forstått, men økende urbanisering i Europa krevde et mer allsidig strukturelt metall.

Og i det 19. århundre ble mengden jern som forbrukes ved å utvide jernbanene gitt metallurger med det økonomiske incitamentet til å finne en løsning på jernens brittleness og ineffektive produksjonsprosesser.

Uten tvil var det store gjennombruddet i stålhistorien i 1856 da Henry Bessemer utviklet en effektiv måte å bruke oksygen på for å redusere karboninnholdet i jern: Den moderne stålindustrien ble født.

Jerntiden

Ved svært høye temperaturer begynner jern å absorbere karbon, noe som senker smeltepunktet til metallet, noe som resulterer i støpejern (2,5-5,5% karbon ). Utviklingen av høyovner, som først ble brukt av kineserne i det 6. århundre f.Kr., men mer utbredt i Europa i middelalderen, økte produksjonen av støpejern.

Grisjern er smeltet jern som går ut av høyovnen og avkjøles i en hovedkanal og tilstøtende støpeformer. De store, sentrale og tilstøtende mindre gressene lignet en sår og sugende gris.

Støpejern er sterkt, men lider av brølhet på grunn av karboninnholdet, noe som gjør det mindre enn ideelt for arbeid og formgivning. Som metallurger ble klar over at høyt karboninnhold i jern var sentralt i problemet med brittleness, eksperimenterte de med nye metoder for å redusere karboninnholdet for å gjøre jern mer brukbart.

Ved slutten av det 18. århundre lærte jernmaskere hvordan de skulle forvandle støpejernstrykejern til et karbonholdig smørejern ved hjelp av pølseovner (utviklet av Henry Cort i 1784). Ovnen oppvarmet smeltet jern, som måtte røres av

puddlers

ved hjelp av lange, oarformede verktøy, slik at oksygen kunne kombineres med og sakte fjerne karbon. Når karboninnholdet senker, øker smeltepunktet for jern, så massene av jern vil agglomerere i ovnen. Disse massene ville bli fjernet og arbeidet med en smihammer av puddleren før de ble rullet inn i ark eller skinner. I 1860 var det over 3000 pudderovner i Storbritannia, men prosessen ble fortsatt hindret av arbeidskraft og drivstoffintensivitet. En av de tidligste formene av stål, blisterstål, begynte å produsere i Tyskland og England i det 17. århundre og ble produsert ved å øke karboninnholdet i smeltet råjern ved hjelp av en prosess som kalles sementering.I denne prosessen ble smiddestål lagd med pulverisert kull i steinbokser og oppvarmet.

Etter omtrent en uke vil jernet absorbere karbonet i trekullet. Gjentatt oppvarming ville fordele karbon jevnere og resultatet, etter kjøling, var blisterstål. Høyere karboninnhold gjorde blisterstål mye mer brukbart enn grisjern, slik at det kunne presses eller rulles.

Blisterstålproduksjonen ble avansert i 1740-tallet da den engelske urmakeren Benjamin Huntsman, mens han forsøkte å utvikle et høyverdig stål for sin kulefjærer, fant at metallet kunne smeltes i leirekropp og raffineres med en spesiell fluss for å fjerne slaggen som sementeringsprosessen igjen. Resultatet var smeltedigel eller støpejern. Men på grunn av produksjonsprisen ble både blister og støpejern bare brukt i spesialapplikasjoner.

Som et resultat forblir støpejern laget i pølseovner det primære strukturelle metall i industrialisering av Storbritannia i løpet av det meste av 1800-tallet.

Bessemerprosessen og moderne stålproduksjon

Veksten av jernbaner i løpet av 1800-tallet i både Europa og Amerika satte stor press på jernindustrien, som fortsatt kjempet med ineffektive produksjonsprosesser.

Likevel var stål fortsatt uprøvd som et strukturelt metall, og produksjonen var langsom og kostbar. Det var til 1856 da Henry Bessemer kom opp med en mer effektiv måte å introdusere oksygen på i smeltet jern for å redusere karboninnholdet.

Nå kjent som Bessemer-prosessen, designet Bessemer en pæreformet beholder-referert til som en "omformer", der jern kunne varmes opp mens oksygen kunne blåses gjennom det smeltede metall. Som oksygen passerte gjennom smeltet metall, ville det reagere med karbonet, frigjøre karbondioksid og produsere et mer rent jern.

Prosessen var rask og rimelig, fjernet karbon og silisium fra jern i løpet av minutter, men led av å være for vellykket. For mye karbon ble fjernet og for mye oksygen forblir i sluttproduktet. Bessemer måtte til slutt betale sine investorer til han kunne finne en metode for å øke karboninnholdet og fjerne uønsket oksygen.

På omtrent samme tid kjøpte den britiske metallurgisten Robert Mushet og begynte å teste en forbindelse av jern, karbon og mangan kjent som

speigeleisen

. Mangan var kjent for å fjerne oksygen fra smeltet jern og karboninnholdet i speigeleisen, hvis det ble tilsatt i riktige mengder, ville gi løsningen på Bessemer problemer. Bessemer begynte å legge den til sin konverteringsprosess med stor suksess. Likevel ble det fortsatt et problem. Bessemer hadde ikke funnet en måte å fjerne fosfor på - en skadelig urenhet som gjør stål sprø - fra sluttproduktet. Følgelig kan bare fosforfri malm fra Sverige og Wales brukes. I 1876 oppdaget Welshman Sidney Gilchrist Thomas løsningen ved å legge til en kjemisk grunnleggende fluxkalkstein - til Bessemer-prosessen. Kalkstenen tok fosfor fra grisjernet inn i slaggen, slik at det uønskede elementet ble fjernet.

Denne innovasjonen betydde at jernmalm fra alle steder i verden til slutt kunne brukes til å lage stål. Ikke overraskende begynte stålproduksjonskostnadene å synke betydelig. Prisene på stålskinne droppet over 80% mellom 1867 og 1884, som et resultat av de nye stålproduksjonsteknikkene, som påbegynte veksten i verdens stålindustri.

Open Hearth Process

I tysksingeniøren Karl Wilhelm Siemens økte stålproduksjonen ytterligere på 1860-tallet gjennom etableringen av åpen herdeprosess. Den åpne ildprosessen produserte stål fra grisjern i store grunne ovner.

Ved bruk av høye temperaturer for å forbrenne overflødig karbon og andre urenheter, var prosessen avhengig av oppvarmede murverkkamre under ildstedet. Regenerative ovner brukte senere eksosgasser fra ovnen for å opprettholde høye temperaturer i mursteinskamrene nedenfor.

Denne metoden som er tillatt for produksjon av mye større mengder (50-100 tonn kan produseres i en ovn), periodisk testing av smeltet stål slik at det kan gjøres for å møte spesifikke spesifikasjoner og bruk av skrapstål som et råmateriale. Selv om selve prosessen var mye langsommere, hadde 1900-tallet den åpne herdeprosessen i stor grad erstattet Bessemer-prosessen.

Stålindustriens fødsel

Revolusjonen i stålproduksjonen som ga billigere materiale av høyere kvalitet, ble anerkjent av mange forretningsmenn av dagen som en investerings mulighet. Kapitalister i slutten av 1800-tallet, inkludert Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerte og produserte millioner (milliarder kroner for Carnegie) i stålindustrien. Carnegies amerikanske stålkorps, grunnlagt i 1901, var det første selskapet som ble lansert på en verdi av over en milliard dollar.

Electric Arc Furnace Steelmaking

Like etter århundreskiftet skjedde en annen utvikling som ville ha stor innflytelse på utviklingen av stålproduksjon. Paul Heroults lysbueovn (EAF) ble konstruert for å passere en elektrisk strøm gjennom ladet materiale, noe som resulterte i eksoterm oksidasjon og temperaturer opptil 3272

°

F (1800 ° C), mer enn tilstrekkelig til å varme stålproduksjon. I utgangspunktet ble EAFer brukt til spesialstål, og i andre verdenskrig ble det brukt til produksjon av stållegeringer. De lave investeringskostnadene ved å sette opp EAF-fabrikker tillot dem å konkurrere med de store amerikanske produsentene som US Steel Corp og Betlehem Steel, spesielt i karbonstål eller lange produkter. Fordi EAFer kan produsere stål fra 100% skrap eller kald jernholdig fôr, trenger mindre energi per produksjonsenhet. I motsetning til grunnleggende oksygenhjerner, kan operasjoner også stoppes og startes med liten tilknyttet kostnad. Av disse grunnene har produksjonen via EAFer vært jevnt økende i over 50 år, og står nå for rundt 33% av den globale stålproduksjonen. Oksygenstålproduksjon

Størstedelen av verdensomspennende stålproduksjon - om lag 66% - er nå produsert i grunnleggende oksygenanlegg. Utviklingen av en metode for å skille oksygen fra nitrogen i industriell skala på 1960-tallet tillot store fremskritt i utviklingen av grunnleggende oksygenovner.

Basic oxygenovner blåse oksygen inn i store mengder av smeltet jern og stålskrap og kan fullføre en ladning som er mye raskere enn Open Hearth metoder. Store fartøy med opptil 350 tonn jern kan fullføre konvertering til stål på mindre enn en time.

De kostnadseffektiviteten av oksygen stålfremstillings gjort åpen ildstedet fabrikker konkurrerende og, som følge av ankomsten av oksygen stålverk i 1960, åpen-ildstedet virksomheten startet lukking. Den siste peise anlegget i USA stengt i 1992 og i Kina i 2001.

Kilder:

Spoerl, Joseph S.

A Brief History of Iron and Steel Produksjon

_{. Saint Anselm College.}

_{World Steel Association. www. steeluniversity. org Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metaller i tjenesten av mannen}

_{. 11. utgave (1998).}