Od železné éry až po Bessemerův proces a moderní ocelářství
Era železa
Při velmi vysokých teplotách železo začne absorbovat uhlík, což snižuje teplotu tání kovu, což vede k litině (2,5 až 4,5% uhlíku). Vývoj vysokých pecí, který poprvé používal Číňané v 6. století před naším letopočtem, ale rozšířenější v Evropě během středověku, zvýšil výrobu litiny.
Prasečí železo
Roztavené železo, které bylo vyvedeno z vysokých pecí a chlazeno v hlavním kanálu a sousedních formách, se označovalo jako surové železo, protože velké, střední a sousední menší ingoty připomínaly prasnici a kojenci.
Litina
Litina je silná, ale kvůli obsahu uhlíku je křehká, takže je méně než ideální pro práci a tvarování. Metallurgisté si uvědomili, že vysoký obsah uhlíku v železišti je pro problém křehkosti klíčový, experimentovali s novými způsoby snižování obsahu uhlíku, aby se železo stalo více použitelným.
Tepané železo
Koncem 18. století se železiarníci naučil převádět litinu surového železa do tepaného železa s nízkým obsahem uhlíku za použití loužicích pecí (vyvíjel Henry Cort v roce 1784). Pecy ohřívaly roztavené železo, které musely míchat kudlanky s použitím nástrojů s dlouhým veslovým tvarem, což umožnilo kombinování kyslíku a pomalu odstraňovat uhlík.
Vzhledem k poklesu obsahu uhlíku se bod tání železa zvyšuje, takže v peci se hromadí hmota železa. Tyto hmoty by byly odstraněny a zpracovány pomocí kladiva kladivem puddlerem předtím, než budou váleny do plechů nebo kolejnic. V roce 1860 bylo v Británii více než 3000 pudlovských pecí, ale tento proces ztěžoval jeho práce a intenzita paliva.
Blisterová ocel
Jedna z nejčasnějších forem oceli , bublinové oceli, se začala vyrábět v Německu a Anglii v 17. století a byla vyrobena zvýšením obsahu uhlíku v roztaveném surovém železe za použití procesu známého jako cementace. V tomto procesu byly tyče z tepaného železa vrstveny práškovým uhlím v kamenných skříních a ohřívány.
Po asi týdnu by železo absorbovalo uhlík v uhlí. Opakované zahřívání by rozložilo uhlík rovnoměrněji a výsledkem po ochlazení byla bublina z oceli. Vyšší obsah uhlíku činil zhotovenou blistrovou ocel mnohem funkčnější než surové železo, což umožňovalo lisování nebo válcování.
Produkce blistrových ocelí pokročila v šedesátých letech 20. století, kdy anglický hodinář Benjamin Huntsman, když se snažil vyvíjet vysoce kvalitní ocel pro své prameny, zjistil, že kov může být roztaven v jílových kelímcích a rafinován speciálním tokem, aby se odstranila struska, za. Výsledkem byl kelímek nebo litá ocel. Avšak kvůli výrobním nákladům se jak blistrová, tak litá ocel byla používána pouze ve speciálních aplikacích.
Výsledkem bylo, že litina vyrobená v loužících pecích zůstala hlavním strukturálním kovem při industrializaci Británie během většiny 19. století.
Bessemerův proces a moderní ocelářství
Růst železnic v průběhu 19. století v Evropě i Americe vyvíjel velký tlak na železářský průmysl, který se stále potýkal s neefektivním výrobním procesem. Ocel byla stále neprokázaná jako konstrukční kov a výroba byla pomalá a nákladná. To bylo až do roku 1856, kdy Henry Bessemer přišel s účinnějším způsobem, jak přivádět kyslík do roztaveného železa, aby se snížil obsah uhlíku.
Nyní známý jako Bessemerův proces, Bessemer navrhl nádobu ve tvaru hrušky - nazývanou jako "převodník" - v níž by mohlo být ohříváno železo, zatímco kyslík mohl být roztažen přes roztavený kov. Jakmile kyslík prochází roztaveným kovem, reaguje s uhlíkem, uvolňuje oxid uhličitý a produkuje čistší železo.
Proces byl rychlý a levný, odstranil uhlík a křemík ze železa během několika minut, ale trpěl tím, že byl příliš úspěšný.
Bylo odstraněno příliš mnoho uhlíku a v konečném produktu zůstalo příliš mnoho kyslíku. Bessemer nakonec musel splácet své investory, dokud nenajde způsob, jak zvýšit obsah uhlíku a odstranit nežádoucí kyslík.
Ve stejnou dobu získal britský metalurgát Robert Mushet a začal testovat složení železa, uhlíku a manganu - známého jako spiegeleisen . Bylo známo, že mangan odstraňuje kyslík z roztaveného železa a obsah uhlíku ve spiegeleisenu, pokud je přidáván v správných množstvích, by poskytl řešení Bessemerových problémů. Bessemer začal s velkým úspěchem přidávat do svého procesu konverze.
Jeden problém zůstal. Bessemer nedokázal najít způsob, jak odstranit fosfor - škodlivou nečistotu, která dělá ocel křehkou - ze svého konečného produktu. V důsledku toho by mohly být použity pouze rudy bez fosforu ze Švédska a Walesu.
V roce 1876 Welshman Sidney Gilchrist Thomas přišel s roztokem přidáním chemicky základního taveného vápence do procesu Bessemer. Vápenec vytáhl fosfor ze surového železa do strusky, což umožnilo odstranění nežádoucího prvku.
Tato inovace znamenala, že železná ruda z celého světa by mohla být použita k výrobě oceli. Není překvapením, že náklady na výrobu oceli začaly výrazně klesat. Ceny ocelových kolejnic klesly mezi lety 1867 a 1884 o více než 80% v důsledku nových technik výroby oceli, což vyvolalo růst světového ocelářského průmyslu.
Otevírací proces:
V šedesátých letech minulého století německý inženýr Karl Wilhelm Siemens dále zlepšil výrobu oceli díky vytvoření procesu otevřeného krbu. Otevřený nístový proces produkoval oceli ze surového železa ve velkých plynotěsných pecích.
Při použití vysokých teplot pro spalování přebytečného uhlíku a jiných nečistot se proces opíral o vyhřívané cihlovou komoru pod krbem. Regenerativní pece později používaly výfukové plyny z pece k udržení vysokých teplot v cihelných komorách níže.
Tato metoda umožnila výrobu mnohem větších množství (v jedné peci bylo možné vyrábět 50-100 tun), pravidelné zkoušení roztavené oceli tak, aby bylo možno vyrobit tak, aby splňovalo zvláštní specifikace a použití šrotu jako suroviny . Ačkoli samotný proces byl mnohem pomalejší, do roku 1900 proces otevřeného krbu převážně nahradil Bessemerův proces.
Narození ocelářského průmyslu:
Revoluce ve výrobě oceli, která poskytovala levnější a kvalitnější materiál, byla uznána mnoha podnikateli toho dne jako investiční příležitost. Kapitalisté z konce 19. století, včetně Andrewa Carnegieho a Charlese Schwaba, investovali a vyrobili miliony (miliardy v případě Carnegie) v ocelářském průmyslu. Společnost Carnegie US Steel Corporation, založená v roce 1901, byla první společností, která kdy byla spuštěna a měla hodnotu přesahující jednu miliardu dolarů.
Elektrická oblouková pec Výroba oceli:
Hned po přelomu století se objevil další vývoj, který by měl silný vliv na vývoj výroby oceli. Elektrická oblouková pec (EAF) společnosti Paul Heroult byla navržena tak, aby procházela elektrickým proudem přes nabitý materiál, což vedlo k exotermní oxidaci a teplotám až 1800 ° C, což je více než dostatečné pro ohřev výroby oceli.
Původně používané pro speciální oceli, EAF rostly a druhé světové války se používaly k výrobě slitin. Nízké investiční náklady spojené s založením mlýnů EAF jim umožnily konkurovat velkým americkým výrobcům, jako jsou US Steel Corp a Bethlehem Steel, zejména v uhlíkových ocelích nebo dlouhých výrobcích.
Vzhledem k tomu, že EAF mohou vyrábět ocel ze 100% šrotu nebo studeného železného krmivu, je zapotřebí menší energie na jednotku výroby. Na rozdíl od základních kyslíkových krbů lze operace zastavit a začít s nízkými náklady. Z těchto důvodů se produkce prostřednictvím EAF neustále zvyšuje již více než 50 let a nyní představuje zhruba 33% světové výroby oceli.
Kysličník oceli:
Většina globální výroby oceli - přibližně 66% - se nyní vyrábí v základních zařízeních na výrobu kyslíku. Vývoj metody oddělení kyslíku od dusíku v průmyslovém měřítku v šedesátých letech umožnil významný pokrok ve vývoji základních kyslíkových pecí.
Základní kyslíkové pece vyfukují kyslík do velkého množství roztaveného železa a šrotové oceli a mohou dokončit náplň mnohem rychleji než metody otevřeného krbu. Velké plavidla, které drží až 350 tun železa, mohou dokončit přestavbu na oceli za méně než jednu hodinu.
Nákladová účinnost kyslíkové oceli vytvořila továrny s otevřeným krbem, které nebyly konkurenceschopné a po nástupu výroby kyslíkového oceli v šedesátých letech začaly fungovat otevřené ohniště. Poslední otevřené ohnisko v USA bylo uzavřeno v roce 1992 av Číně v roce 2001.
Zdroje:
Spoerl, Joseph S. Stručná historie výroby železa a oceli . Vysoká škola Saint Anselm.
K dispozici: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Světová ocelová asociace. Webová stránka: www.steeluniversity.org
Street, Arthura. & Alexander, WO 1944. Kovy v službě člověka . 11. vydání (1998).