Izvedite zgodovino od železne dobe do peči električnega luka
Vendar pa bo v naslednjih nekaj tisoč letih kakovost proizvedenega železa odvisna toliko od razpoložljive rude kot pri proizvodnih metodah.
Do 17. stoletja so bile lastnosti železa dobro razumljene, vendar je naraščajoča urbanizacija v Evropi zahtevala bolj vsestransko strukturno kovino.
In do 19. stoletja, količina železa, ki jo porabijo širjenje železnic, je metalurjem zagotovila finančno spodbudo, da bi našli rešitev za krhkost in neučinkovite proizvodne procese.
Nedvomno je bil velik prodor v zgodovini jekla leta 1856, ko je Henry Bessemer razvil učinkovit način za uporabo kisika za zmanjšanje vsebnosti ogljika v železu: se je rodila moderna jeklarska industrija.
Era železa
Pri zelo visokih temperaturah železo začne absorbirati ogljik, kar zmanjša tališče kovine, kar povzroči litje (2,5 do 4,5% ogljika). Razvoj plavžev, ki so ga prvič uporabljali kitajski v 6. stoletju pred našim štetjem, a se je v srednjem veku še bolj razširil v Evropi, je povečal proizvodnjo litega železa.
Surovo železo je staljeno železo, ki se izteče iz plavžev in ohladi v glavnem kanalu in sosednjih plesni. Veliki, osrednji in sosednji manjši ingoti so bili podobni svinjam in sesalcem pujskov.
Litoželec je močan, vendar zaradi svoje vsebnosti ogljikovega dioksida trpi zaradi krhkosti, kar je manj kot idealno za delo in oblikovanje. Ker so se metalurgi zavedli, da je vsebnost ogljika v železu bistvena za težavo krhkosti, so eksperimentirali z novimi metodami za zmanjšanje vsebnosti ogljika, da bi železo postalo bolj učinkovito.
Do konca 18. stoletja so se železarji naučili, kako preoblikovati livarsko železovo železo v kovanega železa z nizko vsebnostjo ogljika z uporabo pudridnih peči (razvil Henry Cort leta 1784). Peči segrejejo staljeno železo, ki jo je bilo treba mešati s puddlerji z uporabo dolgih orodij v obliki vesla, ki omogočajo kisik, da se kombinira in počasi odstrani ogljik.
Ker se vsebnost ogljika zmanjšuje, se tališče železa povečuje, tako da se bodo v peči pojavile množice železa. Te mase bi bile odstranjene in s kovaškim kladivom, ki jih je uporabil puddler, preden se zavihtijo v plošče ali tirnice. Do leta 1860 je v Veliki Britaniji obstajalo več kot 3000 pudridnih peči, vendar je proces še vedno oviral delovna in gorivna intenzivnost.
Ena od prvih oblik jekla, pretisnih jekel, se je začela v Nemčiji in Angliji v 17. stoletju in je nastala s povečanjem vsebnosti ogljika v staljenem surovem železu s postopkom, znanim kot cementacija. V tem postopku so bili palice iz kovanega železa v kamnitih škatlah in segreti s praškastim ogljem.
Po približno enem tednu bi železo absorbiralo ogljik v oglju. Ponavljajoče segrevanje bi enakomerno porazdelilo ogljik in rezultat po hlajenju je bil jeklo. Z višjo vsebnostjo ogljika je pretisni jeklo naredil veliko večjo učinkovitost kot suhomesnato, kar je omogočilo stiskanje ali valjanje.
Proizvodnja iz pretisnega jekla se je razvila v 1740-ih, ko je angleški urovodnik Benjamin Huntsman medtem ko je poskušal razviti visoko kakovostno jeklo za svoje uro vzmeti, ugotovil, da se lahko kovina raztopi v glinenih lončkih in prečisti s posebnim tokom, da se odstranijo žlindre, ki jo je cementacijski postopek zapustil zadaj. Rezultat je bil lonček ali litega jekla. Toda zaradi proizvodnih stroškov je bilo tako zlato kot tudi zlato iz jekla uporabljeno le v specialnih aplikacijah.
Kot rezultat, je litje železa, izdelane v peči za puding, ostala primarna strukturna kovina pri industrializaciji Velike Britanije v večjem 19. stoletju.
Proces Bessemer in sodobno jeklo
Rast železnic v 19. stoletju v Evropi in Ameriki je močno pritiskala industrijo železa, ki se še vedno bori z neučinkovitimi proizvodnimi procesi.
Toda jeklo je bilo še vedno nedokončano kot strukturna kovina in proizvodnja je bila počasna in draga. To je bilo do leta 1856, ko je Henry Bessemer dosegel bolj učinkovit način za vnos kisika v staljen železo, da bi zmanjšali vsebnost ogljika.
Sedaj znan kot Bessemerov proces, je Bessemer zasnoval hruško posodo, imenovano "pretvornik", v kateri bi lahko segrevali železo, medtem ko bi se lahko kisik raznesel skozi staljeno kovino. Ker je kisik prešel skozi staljeno kovino, bi reagiral z ogljikom, sproščal ogljikov dioksid in proizvajal čistejše železo.
Postopek je bil hiter in poceni, odstranjevanje ogljika in silicija iz železa v nekaj minutah, vendar je utrpel preveč uspeha. Preveč ogljika je bilo odstranjeno in v končnem izdelku je ostalo preveč kisika. Bessemer je moral na koncu povrniti svoje vlagatelje, dokler ne bi našel metode za povečanje vsebnosti ogljika in odstranitev nezaželenega kisika.
Ob približno istem času je britanski metalurg Robert Mushet pridobil in začel testirati spojino železa, ogljika in mangana , znanega kot speigeleisen . Znano je, da manganov odstranjuje kisik iz staljenega železa in vsebnost ogljika v speigeleisen, če bi jo dodali v pravih količinah, zagotovil rešitev za Bessemerjeve težave. Bessemer je z velikim uspehom začel dodati svoj proces konverzije.
Toda še vedno je ena težava. Bessemer ni uspel najti načina za odstranitev fosforja - škodljivega nečistoč, zaradi česar je jeklo krhko - iz njegovega končnega izdelka. Zato se lahko uporabljajo samo rude brez fosforja iz Švedske in Walesa.
Leta 1876 je Welshman Sidney Gilchrist Thomas prišel do rešitve, tako da je dodal kemijsko osnovni fluks-apnenec v proces Bessemer. Apnenec je iz surovega železa narasel v žlindro, kar je omogočilo odstranitev neželenega elementa.
Ta inovacija je pomenila, da se železova ruda iz katere koli države na svetu lahko uporablja za izdelavo jekla. Ni presenetljivo, da so se stroški proizvodnje jekla znatno zmanjšali. Cene za jeklene železnice so se med letoma 1867 in 1884 zmanjšale za več kot 80%, kar je posledica novih tehnik proizvodnje jekla, ki spodbujajo rast svetovne jeklarske industrije.
Proces odprtega srca
V šestdesetih letih 20. stoletja je nemški inženir Karl Wilhelm Siemens nadalje okrepil proizvodnjo jekla s svojim ustvarjanjem procesa odprtega ognja. Proces odprtega ognja je proizvajal jeklo iz surovega železa v velikih plitvih pečeh.
Z uporabo visokih temperatur za odlaganje presežnega ogljika in drugih nečistoč se je proces opiral na ogrevane opečne komore pod ognjiščem. Regeneracijske peči so kasneje uporabile izpušne pline iz peči, da bi ohranile visoke temperature v opečnih komorah spodaj.
Ta metoda je omogočila proizvodnjo veliko večjih količin (v eni peči je bilo mogoče proizvesti 50-100 metričnih ton), redno preskušanje staljenega jekla, tako da bi ga lahko izpolnjevala določena specifikacija in uporaba odpadnega jekla kot surovine . Čeprav je bil proces sam precej počasnejši, je proces odprtega ognja do leta 1900 v veliki meri nadomestil proces Bessemerja.
Rojstvo jeklarske industrije
Revolucija v proizvodnji jekla, ki je zagotovila cenejše, bolj kakovostne materiale, so priznali številni poslovneži dneva kot priložnost za naložbe. Kapitalisti v poznem 19. stoletju, vključno s Andrewom Carnegiejem in Charlesom Schwabom, so investirali in izdelali milijone (milijarde v primeru Carnegieja) v jeklarski industriji. Carnegieova US Steel Corporation, ustanovljena leta 1901, je bila prva korporacija, ki je kdaj začela vrednotiti na več kot milijardo dolarjev.
Električno ogrevanje jeklene pločevine
Tik po prelomu stoletja se je zgodil še en razvoj, ki bi močno vplival na razvoj proizvodnje jekla. Električna obločna peč Paula Heroulta (EAF) je bila zasnovana tako, da je skozi napolnjeni material prešla električni tok, kar je povzročilo eksotermno oksidacijo in temperature do 3272 ° F (1800 ° C), več kot zadostno za segrevanje jekla.
Prvotno se uporabljajo za specialna jekla, EAFs so se v uporabi in po drugi svetovni vojni so uporabljali za proizvodnjo jeklenih zlitin. Nizki investicijski stroški, povezani z ustanovitvijo mlinov EAF, so jim omogočili konkuriranje z večjimi ameriškimi proizvajalci, kot so US Steel Corp. in Bethlehem Steel, zlasti v ogljikovih jeklarjih ali dolgih izdelkih.
Ker lahko EAF proizvajajo jeklo iz 100% odpadne ali hladne železove krme, je manj energije na enoto proizvodnje potrebna. V nasprotju s temeljnimi kisikovimi ognjišči lahko operacije ustavimo in začnemo z malo povezanimi stroški. Iz teh razlogov se proizvodnja preko EAF nenehno narašča že več kot 50 let in zdaj predstavlja približno 33% svetovne proizvodnje jekla.
Kisik jeklarstvo
Večina svetovne proizvodnje jekla, približno 66%, je zdaj proizvedena v osnovnih napravah za kisik. Razvoj metode za ločevanje kisika iz dušika v industrijskem obsegu v šestdesetih letih prejšnjega stoletja je omogočil velik napredek pri razvoju osnovnih kisikovih peči.
Osnovne kisikove peči pihajo kisik v velike količine staljenega železa in odpadnega jekla ter lahko veliko hitreje napolnijo od odprtega ognja. Velika plovila, ki imajo do 350 metrskih ton železa, lahko v manj kot eni uri izvedejo pretvorbo v jeklo.
Stroškovna učinkovitost proizvodnje jeklarskega jekla je postala odprta svetloba nekonkurenčna in po prihodu kisikovega jekla v šestdesetih letih se je začela operacija odprtih vrat zaključevati. Zadnja odprta hiša v ZDA je bila zaprta leta 1992 in na Kitajskem leta 2001.
Viri:
Spoerl, Joseph S. Kratka zgodovina proizvodnje železa in jekla. College College Saint Anselm.
Svetovno združenje za jeklo. www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Kovine v službi človeka . 11. izdaja (1998).