Från Iron Era till Bessemer Process och Modern Steelmaking
Järntiden
Vid mycket höga temperaturer börjar järn att absorbera kol, vilket sänker metallens smältpunkt, vilket resulterar i gjutjärn (2,5 till 4,5% kol). Utvecklingen av masugnar, som första gången användes av kineserna på 6: e århundradet f.Kr. men mer allmänt använd i Europa under medeltiden, ökade produktionen av gjutjärn.
Grisjärn
Smältjärn som sprang ut ur masugnen och avkyldes i huvudkanalen och angränsande mögel betecknades som strykjärn eftersom de stora, centrala och angränsande mindre götarna liknade en såg och sugande grisar.
Gjutjärn
Gjutjärn är starkt men lider av brittleness på grund av dess kolhalt, vilket gör det mindre än perfekt för arbete och formning. När metallurgister blev medvetna om att högkolhalten i järn var centralt för brittlenessproblemet, experimenterade de med nya metoder för att minska kolinnehållet för att göra järnet mer användbart.
Smidesjärn
I slutet av 1700-talet lärde sig järnmakare hur man förvandlade gjutjärn till ett koldioxidhaltigt smidesjärn genom att använda puddlingsugnar (utvecklat av Henry Cort 1784). Ugnarna uppvärmde smältjärn, som måste omröras av puddrar med långa oärformade verktyg, vilket gör att syre kan kombineras med och långsamt avlägsna kol.
När kolhalten minskar ökar järnens smältpunkt, så massor av järn skulle agglomera i ugnen. Dessa massor skulle avlägsnas och bearbetas med en smidda hammare av puddaren innan de rullas i ark eller skenor. Vid 1860 fanns det över 3000 puddlingsugnar i Storbritannien, men processen förblev hindrad av dess arbete och bränsleintensivitet.
Blisterstål
En av de tidigaste formerna av stål , blåsstål, började produktion i Tyskland och England på 1700-talet och producerades genom att öka koldioxidhalten i smältgris med hjälp av en process som kallas cementering. I denna process lagdes smidesjärnskivor med pulveriserad kol i stenlådor och uppvärmdes.
Efter ungefär en vecka skulle järnet absorbera kolet i kolet. Upprepad uppvärmning skulle fördela kol jämnare och resultatet, efter kylning, var blåsstål. Den högre kolhalten gjorde blisterstål mycket mer användbart än grisjärn, vilket möjliggör att det pressas eller rullas.
Blisterstålproduktionen avancerade på 1740-talet när den engelska klockmakaren Benjamin Huntsman försökte utveckla ett högkvalitativt stål för sina klockfjädrar, fann att metallen kunde smältas i lerkruv och raffinerades med ett speciellt flöde för att avlägsna slaggen som cementeringsprocessen lämnade Bakom. Resultatet var smält- eller gjutstål. Men på grund av tillverkningskostnaden användes både blister och gjutstål endast i specialapplikationer.
Som en följd förblev gjutjärn gjorda i pölugnar den primära strukturella metallen vid industrialisering av Storbritannien under det mesta av 1800-talet.
Bessemerprocessen och modern stålproduktion
Tillväxten av järnvägar under 1800-talet i både Europa och Amerika satte stort tryck på järnindustrin, som fortfarande kämpade med ineffektiva produktionsprocesser. Stål var fortfarande okunnigt som en strukturell metall och produktionen var långsam och dyr. Det var fram till 1856 när Henry Bessemer kom fram med ett effektivare sätt att införa syre i smält järn för att minska kolhalten.
Nu känd som Bessemer-processen, utformade Bessemer ett päronformat behållare-kallat en "omvandlare", i vilken järn kan värmas medan syre kan blåsas genom den smälta metallen. När syre passerade genom den smälta metallen skulle den reagera med kolet, frigöra koldioxid och producera ett renare järn.
Processen var snabb och billig, avlägsnande av kol och kisel från järn efter några minuter men led av att vara för framgångsrik.
För mycket kol avlägsnades och för mycket syre kvarstod i slutprodukten. Bessemer fick i slutändan tillbaka sina investerare tills han kunde hitta en metod för att öka kolhalten och avlägsna det oönskade syret.
Vid ungefär samma tid förvärvade den brittiska metallurgisten Robert Mushet och började testa en förening av järn, kol och mangan , som spiegeleisen . Mangan var känt för att avlägsna syre från smält järn och kolinnehållet i spiegeleisen, om det tillsattes i rätt mängd, skulle ge lösningen till Bessemers problem. Bessemer började lägga till den i sin omvandlingsprocess med stor framgång.
Ett problem kvarstod. Bessemer hade misslyckats med att hitta ett sätt att avlägsna fosfor - en skadlig orenhet som gör stål skört - från sin slutprodukt. Följaktligen kan endast fosforfria malmer från Sverige och Wales användas.
1876 kom Welshman Sidney Gilchrist Thomas fram till lösningen genom att lägga till en kemiskt basisk fluss-kalksten-till Bessemer-processen. Kalkstenen tog fosfor från grisjärnet in i slaggen, så att det oönskade elementet kunde avlägsnas.
Denna innovation innebar att järnmalm från var som helst i världen skulle kunna användas för att tillverka stål. Inte överraskande började stålproduktionskostnaderna minska betydligt. Priserna på stålskena sjönk mer än 80% mellan 1867 och 1884, som ett resultat av de nya stålproducerande teknikerna, som initierar tillväxten i världsindustrin.
Open Hearth Process:
På 1860-talet förbättrade tyskingenjören Karl Wilhelm Siemens ytterligare stålproduktion genom att han skapade öppen eldsprocessen. Den öppna eldprocessen producerade stål från grisjärn i stora grunda ugnar.
Genom att använda höga temperaturer för att förbränna överskott av kol och andra föroreningar, berodde processen på uppvärmda tegelkammare under härden. Regenerativa ugnar använde senare avgaser från ugnen för att bibehålla höga temperaturer i tegelkamrarna nedan.
Denna metod möjliggjorde produktion av mycket större kvantiteter (50-100 ton kunde produceras i en ugn), periodisk provning av det smälta stålet så att det kunde göras för att uppfylla särskilda specifikationer och användningen av skrotstål som råmaterial . Även om processen i sig var mycket långsammare, hade 1900-talet i stort sett ersatt Bessemer-processen.
Stålindustrins födelse:
Revolutionen i stålproduktion som gav billigare material av högre kvalitet, erkändes av många affärsmän av dagen som en investeringsmöjlighet. Kapitalister i slutet av 1800-talet, inklusive Andrew Carnegie och Charles Schwab, investerade och gjorde miljoner (miljarder i Carnegie) i stålindustrin. Carnegies US Steel Corporation, grundat 1901, var det första bolaget som någonsin lanserades till över en miljard dollar.
Electric Arc Furnace Steelmaking:
Strax efter sekelskiftet uppstod en annan utveckling som skulle ha ett starkt inflytande på utvecklingen av stålproduktionen. Paul Heroults elektriska ljusbågsugn (EAF) konstruerades för att passera en elektrisk ström genom laddat material, vilket resulterade i exoterm oxidation och temperaturer upp till 3272 ° F (1800 ° C), mer än tillräckligt för att värma stålproduktionen.
Ursprungligen användes för specialstål, växte EAFs i bruk och användes vid andra världskriget för tillverkning av stållegeringar. De låga investeringskostnaderna som var inblandade i upprättandet av EAF-fabriker gjorde det möjligt för dem att konkurrera med de stora amerikanska tillverkarna som US Steel Corp och Bethlehem Steel, särskilt i kolstål eller långa produkter.
Eftersom EAFs kan producera stål från 100% skrot eller kall järnfoder krävs mindre energi per produktionsenhet. I motsats till grundläggande syrehjärtar kan operationerna också stoppas och startas med liten tillhörande kostnad. Av dessa skäl har produktionen via EAFs ökat stadigt i mer än 50 år och står nu för cirka 33% av den globala stålproduktionen.
Syreframställning:
Majoriteten av den globala stålproduktionen, cirka 66%, tillverkas nu i grundläggande syreanläggningar. Utvecklingen av en metod för att separera syre från kväve i industriell skala på 1960-talet möjliggjorde stora framsteg i utvecklingen av basiska syreugnar.
Grundläggande syreugnar blåser syre i stora mängder smältjärn och skrotstål och kan slutföra en laddning mycket snabbare än öppna härdmetoder. Stora fartyg som rymmer upp till 350 ton järn kan slutföra omvandlingen till stål på mindre än en timme.
Kostnadseffektiviteten hos syre ståltillverkning gjorde ojämnheter med öppenhjärtiga fabriker och efter öppnandet av syre ståltillverkning på 1960-talet började öppenhåriga operationer stängas. Den sista öppna anläggningen i USA stängdes 1992 och i Kina 2001.
källor:
Spoerl, Joseph S. En kort historia om järn- och stålproduktion . Saint Anselm College.
Tillgänglig: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
World Steel Association. Webbplats: www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metaller i tjänsten av mannen . 11: e upplagan (1998).