En kort historie om stål

Hvordan udviklede stålproduktionen fra sine rødder til fremstilling af jern? Lad os tage et kig på stålets historie.

Iron Age

Ved meget høje temperaturer begynder jern at absorbere kulstof, hvilket sænker metalets smeltepunkt, hvilket resulterer i støbejern (2,5-5,5% carbon). Udviklingen af ​​højovne, som først blev brugt af kineserne i det 6. århundrede f.Kr., men mere udbredt i Europa i middelalderen, øgede produktionen af ​​støbejern.

Grisjern

Smeltetjern, der blev løbe tør for ovnen og afkølet i hovedkanalen og tilstødende skimmelser, blev omtalt som strygejern, fordi de store, centrale og tilstødende mindre gødninger lignede en sår og suge grise.

Støbejern

Støbejern er stærk, men lider af skørhed på grund af dets kulstofindhold, hvilket gør det mindre end ideelt til arbejde og formgivning. Som metallurger blev opmærksom på, at højt kulstofindhold i jern var centralt for problemet med brølhed, eksperimenterede de med nye metoder til reduktion af kulstofindholdet for at gøre jern mere brugbart.

I slutningen af ​​det 18. århundrede lærte jernmagere hvordan man omdannede støbejern til et kulstofindhold med smøreovne (udviklet af Henry Cort i 1784). Ovnen opvarmede smeltet jern, som skulle omrøres af

puddlers

ved brug af lange oarformede værktøjer, hvilket muliggør, at ilt kombineres med og langsomt fjerner kulstof. Når kulstofindholdet falder, stiger jernens smeltepunkt, så masser af jern vil agglomerere i ovnen. Disse masser ville blive fjernet og arbejdet med en smed hammer af puddleren, før de blev rullet ind i plader eller skinner. I 1860 var der over 3000 pudseovne i Storbritannien, men processen blev fortsat forhindret af dets arbejde og brændstofintensivitet.

Blisterstål

En af de tidligste former for stål, blisterstål, begyndte produktion i Tyskland og England i det 17. århundrede og blev fremstillet ved at øge kulstofindholdet i smeltet råjern ved hjælp af en proces kendt som cementering. I denne proces blev smedejernstænger lagdelt med pulveriseret kul i stenkasser og opvarmet.

Efter ca. en uge vil jernet absorbere kulet i kulet. Gentagen opvarmning ville fordele kulstof mere jævnt og resultatet, efter afkøling, var blisterstål. Det højere kulstofindhold gjorde blisterstål meget mere brugbart end råjern, så det kunne presses eller rulles.

Blisterstålproduktion avancerede i 1740'erne, da den engelske urmager Benjamin Huntsman forsøgte at udvikle et stål af høj kvalitet til sine urkilder, fandt ud af, at metallet kunne smeltes i lerkerner og raffineres med en særlig flux for at fjerne slaggen, som cementation proces efterladt.Resultatet var smeltedigel eller støbejern. Men på grund af produktionsomkostningerne var både blister og støbt stål kun blevet brugt i specialapplikationer.

Som et resultat forblev støbejern lavet i pølseovne det primære strukturelle metal i industrialisering af Storbritannien i løbet af det meste af det 19. århundrede.

Bessemerprocessen og moderne stålproduktion

Væksten i jernbanen i det 19. århundrede i både Europa og Amerika satte stort pres på jernindustrien, som stadig kæmpede for ineffektive produktionsprocesser. Stål var stadig uprøvet som et strukturelt metal, og produktionen var langsom og dyr. Det var indtil 1856, da Henry Bessemer kom på en mere effektiv måde at introducere ilt i smeltet jern for at reducere kulstofindholdet.

Bessemer designede nu en pæreformet beholder, der betegnes som en "omformer", hvor jern kunne opvarmes, mens oxygen kunne blæse igennem det smeltede metal. Som ilt passerede gennem det smeltede metal ville det reagere med carbonet, frigive kuldioxid og producere et mere rent jern.

Fremgangsmåden var hurtig og billig, idet kuld og silicium blev fjernet fra jern i løbet af få minutter, men det havde lidt for succes.

For meget kulstof blev fjernet, og for meget ilt forblev i slutproduktet. Bessemer måtte i sidste ende tilbagebetale sine investorer, indtil han kunne finde en metode til at øge kulstofindholdet og fjerne det uønskede ilt.

Omkring samme tid købte den britiske metallurgist Robert Mushet og begyndte at teste en forbindelse af jern, carbon og mangan kendt som

spiegeleisen

. Mangan var kendt for at fjerne oxygen fra smeltet jern, og kulstofindholdet i spiegelbeholderen, hvis det blev tilsat i de rigtige mængder, ville give løsningen på Bessemer's problemer. Bessemer begyndte at tilføje det til sin konverteringsproces med stor succes. Et problem forblev. Bessemer havde undladt at finde en måde at fjerne fosfor på - en skadelig urenhed, som gør stål skør - fra sit slutprodukt. Derfor kunne kun fosforfrie malmer fra Sverige og Wales anvendes. I 1876 kom Welshman Sidney Gilchrist Thomas frem til løsningen ved at tilføje en kemisk basisk fluxkalksten til Bessemer-processen. Kalksten trak fosfor fra grisjernet ind i slaggen, så det uønskede element kunne fjernes.

Denne innovation indebar, at jernmalm fra alle steder i verden endelig kunne bruges til at lave stål. Ikke overraskende begyndte stålproduktionens omkostninger at falde betydeligt. Priserne på stålskinne faldt mere end 80% mellem 1867 og 1884 som et resultat af de nye stålproducerende teknikker, der påbegyndte væksten i verdens stålindustrien.

Den åbne haardproces:

I tyskerne udviklede tyskingeniør Karl Wilhelm Siemens yderligere stålproduktion gennem sin oprettelse af åbenhaardsprocessen. Den åbne ildproces producerede stål fra råjern i store lavvandede ovne.

Ved anvendelse af høje temperaturer for at forbrænde overskydende kulstof og andre urenheder, var processen baseret på opvarmede murstenkamre under ilden.Regenerative ovne brugte senere udstødningsgasser fra ovnen til at opretholde høje temperaturer i murstenskamrene nedenfor.

Denne metode til produktion af meget større mængder (50-100 tons kunne produceres i en ovn), periodisk afprøvning af det smeltede stål, så det kunne gøres for at opfylde bestemte specifikationer og brugen af ​​skrotstål som et råmateriale. Selv om selve processen var meget langsommere, havde 1900-tallet i høj grad erstattet Bessemer-processen.

Stålindustriens fødsel:

Revolutionen i stålproduktion, der leverede billigere materialer af højere kvalitet, blev anerkendt af mange forretningsmænd af dagen som en investeringsmulighed. Kapitalister i slutningen af ​​det 19. århundrede, herunder Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerede og lavede millioner (milliarder i Carnegie) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, der blev grundlagt i 1901, var det første selskab, der nogensinde blev lanceret til over en milliard dollars.

Electric Arc Furnace Steelmaking:

Lige efter århundredeskiftet opstod der en anden udvikling, der ville have en stærk indflydelse på udviklingen af ​​stålproduktionen. Paul Heroults lysbueovn (EAF) blev designet til at passere en elektrisk strøm gennem ladet materiale, hvilket resulterede i eksoterm oxidation og temperaturer op til 3272

°

F (1800 ° C), mere end tilstrækkelig til at varme stålproduktion. EAF'erne blev oprindeligt brugt til specialstål og blev i anden verdenskrig brugt til fremstilling af stållegeringer. De lave investeringsomkostninger i forbindelse med oprettelsen af ​​EAF-møller tillod dem at konkurrere med de store amerikanske producenter som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, især i kulstål eller lange produkter. Fordi EAF'er kan producere stål fra 100% skrot eller kold jernføde, er der mindre energi per produktionsenhed nødvendig. I modsætning til grundlæggende oxygen-ildsteder kan operationer også stoppes og startes med lidt tilknyttede omkostninger. Af disse grunde er produktionen via EAF'er steget støt i over 50 år og udgør nu ca. 33% af den globale stålproduktion. Oxygen Steelmaking:

Størstedelen af ​​den globale stålproduktion - omkring 66% - er nu produceret i basiske iltfaciliteter. Udviklingen af ​​en metode til adskillelse af ilt fra nitrogen i industriel skala i 1960'erne tillod store fremskridt i udviklingen af ​​basiske oxygenovne.

Grundlæggende iltovne blæser ilt i store mængder smeltet jern og skrotstål og kan afslutte en ladning meget hurtigere end åbne haardmetoder. Store fartøjer med op til 350 tons jern kan færdiggøre omdannelse til stål på mindre end en time.

Omkostningseffektiviteten ved iltstålproduktion gjorde uhærdige fabrikker uheldig og efter åbningen af ​​iltstålfremstilling i 1960'erne begyndte åbenhaardsoperationerne at lukke. Det sidste åbne anlæg i USA lukkede i 1992 og i Kina i 2001.

Kilder:

Spoerl, Joseph S.

En kort historie om jern- og stålproduktion

_{. Saint Anselm College.}

_{Tilgængelig: // www. Anselm. edu / hjemmeside / dbanach / t-Carnegie-stål. htm World Steel Association. Hjemmeside: www. steeluniversity. org Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.}

_{Metaller i Service of Man}

_{. 11. udgave (1998).}