A vas korból a Bessemer folyamathoz és a modern acélgyártáshoz
A vas kora
Nagyon magas hőmérsékleten a vas elkezdi elnyelni a szenet, ami csökkenti a fém olvadáspontját, így öntöttvas (2,5-4,5% szén). A nagyhatalmú kemencék kifejlesztése, amelyet a kínaiak először a 6. században használtak, de Európában a középkorban szélesebb körben használták fel, fokozta az öntöttvas termelését.
Nyersvas
A nagyolvadékból kifolyó és a főcsatornában és a szomszédos öntőformákban lehűlt olvadt vas nyersvasnak nevezték, mert a nagy, középső és szomszédos kisebb ingot hasonlították a koca és a szopós malacokra.
Öntöttvas
Az öntöttvas erős, de a széndioxid-tartalom következtében széttörődik, így kevesebb, mint ideális a munkához és a formázáshoz. A metallurgisták tudatában voltak annak tudatában, hogy a vas nagy széntartalma központi szerepet játszik a törékenység problémájánál, és új módszerekkel kísérleteztek a széntartalom csökkentésére annak érdekében, hogy a vas jobban megvalósítható legyen.
Kovácsoltvas
A vasművészek a 18. század végére megtanulhatják, hogyan alakítsák át az öntöttvas vasat egy kis széntartalmú kovácsoltvasból, melyet 1784-ben Henry Cort fejlesztett ki. A kemencék fűtött, megolvadt vasat, amelyet a puddlerek hosszú érc alakú szerszámokkal kevertek , és így oxigénnel keveredtek , és lassan eltávolítják a szenet.
Ahogy a széntartalom csökken, a vas olvadási pontja megemelkedik, így a vas tömege agglomerálódik a kemencében. Ezeket a tömegeket eltávolítanák és megmunkálhattak egy kovácsolt kalapáccsal a pocsolyák előtt, mielőtt lemezekre vagy sínekre gördültek volna. 1860-ban Nagy-Britanniában több mint 3000 pocsolyázó kemence volt, de a folyamatot továbbra is akadályozta a munkaerő és az üzemanyag-intenzitás.
Blister Steel
Az acél egyik legkorábbi formája, a buborékfólia acélja Németországban és Angliában kezdte a termelést a 17. században, és úgy lett termelve, hogy a széndioxid-tartalmat megemelték a megolvasztott nyersvasban cementesítéssel ismert eljárással. Ebben a folyamatban a kovácsoltvas rudakat kőrőládákban porított faszénnel fűtöttük és fűtöttük.
Körülbelül egy hét elteltével a vas elszívja a szenet a szénben. Az ismételt fűtés egyenletesebben eloszlatná a szenet, és az eredmény hűtés után hólyagos acél volt. A nagyobb széntartalom miatt a hólyagacél sokkal jobban működőképes, mint a nyersvas, amely lehetővé teszi a préselés vagy hengerlés.
Az 1740-es években a buborékfólia-acélgyártás előrehaladt, amikor az angol óraszerte Benjamin Huntsman, miközben igyekezett minőségi acélt gyártani az óraforrásai számára, megállapította, hogy a fém olvadt agyagtégelyekbe, és speciális fluxussal finomítható a salak eltávolítására, mögött. Az eredmény olvasztótégely volt - vagy öntött acél. A gyártási költségek miatt mind a hólyagos, mind az öntött acélt csak speciális alkalmazásokban használták.
Ennek eredményeként a puding kemencékben készült öntöttvas a 19. század nagy részében továbbra is az elsődleges szerkezeti fém volt az ipari Nagy-Britanniában.
A Bessemer folyamat és a modern acélgyártás
A 19. században a vasútvonalak növekedése Európában és Amerikában nagy nyomást gyakorolt a vasiparra, amely még mindig küzdött a nem hatékony gyártási folyamatokkal. Az acél még mindig nem bizonyult fémszerkezetként, és a termelés lassú és költséges volt. Ez csak 1856-ig tartott, amikor Henry Bessemer hatékonyabb módszert váltott ki az oxigén megolvadt vasércre a széntartalom csökkentése érdekében.
A Bessemer-folyamat néven ismert Bessemer egy kör alakú edényt tervezett, amelyet "átalakítónak" neveztek el, amelyben a vasat felmelegíthették, míg az oxigén felforrasztható az olvadt fémen keresztül. Ahogy az oxigén áthaladt az olvadt fémen, az reagálna a szénnel, felszabadítaná a széndioxidot, és tisztább vasat termelne.
A folyamat gyors és olcsó volt, a szén és a szilícium vasból való eltávolítása néhány perc alatt, de túlságosan sikeresnek bizonyult.
Túl sok szenet távolítottak el, és túl sok oxigén maradt a végtermékben. Végül Bessemernek vissza kellett fizetnie a befektetőket, amíg meg nem talál egy módszert a széntartalom növelésére és a nemkívánatos oxigén eltávolítására.
Körülbelül egy időben a brit metallurgist Robert Mushet megszerezte és elkezdte tesztelni egy vas-, szén- és mangánvegyületet, amely spiegeleisen néven ismert. A mangánról ismert volt, hogy eltávolítja az oxigént az olvadt vasból és a spiegeleisen széntartalmát, ha a megfelelő mennyiségben hozzáadódik, megoldást nyújt a Bessemer problémáira. Bessemer nagy sikerrel kezdte hozzá átalakítási folyamatához.
Egy probléma maradt. Bessemer nem találta meg a módját, hogy távolítsa el a végtermékből a foszforot - amely káros szennyeződést okoz, ami acél törékennyé teszi. Következésképpen csak Svédországból és Walesből származó foszfortartalmú érceket lehetett használni.
1876-ban Welshman Sidney Gilchrist Thomas felvette a megoldást egy kémiailag alapvető flux-mészkő hozzáadásával a Bessemer-folyamathoz. A mészkő foszforot húzott a salakból a salakba, így a nemkívánatos elem eltávolítható volt.
Ez az innováció azt jelentette, hogy végül a világ bármely részéből származó vasérc felhasználható acél előállítására. Nem meglepő, hogy az acéltermelési költségek jelentősen csökkentek. Az acélsín árai 1867 és 1884 között több mint 80% -kal csökkentek az új acélgyártási technikák eredményeképpen, és megkezdték a világ acéliparának növekedését.
A Nyitott Szél folyamata:
Az 1860-as években a Karl Wilhelm Siemens német mérnöke tovább növelte az acéltermelést a nyílt kandalló létrehozásával. A nyílt kandalló eljárás nagyméretű sekély kemencékből nyersvasból készült acélt termelt.
A felesleges szén és más szennyeződések égetése során a magas hőmérsékletet alkalmazva a folyamat a kandalló alatti fűtött tégla kamrákra támaszkodott. A regeneratív kemencék később kipufogógázokat használtak a kemencéből, hogy magas hőmérsékletet tartsanak fenn az alábbi téglaházakban.
Ez a módszer sokkal nagyobb mennyiségek előállítását teszi lehetővé (50-100 tonna mennyiséget lehet előállítani egy kemencében), az olvasztott acél időszakos vizsgálatát úgy, hogy az megfeleljen a különleges előírásoknak és az acélhulladék mint nyersanyag . Bár maga a folyamat sokkal lassabb volt, 1900-ra a nyílt kandalló nagyrészt a Bessemer-folyamatot váltotta fel.
Az acélipar születése:
Az acélgyártás forradalmát, amely olcsóbb, minőségi anyagot biztosított, a napjaink sok üzleti vállalkozója befektetési lehetőségként ismerte fel. A 19. század végi kapitalistái, beleértve Andrew Carnegie-t és Charles Schwab-t is, milliárdokat fektettek be és gyártottak (a Carnegie esetében milliárdok) az acéliparban. A Carnegie 1901-ben alapított US Steel Corporation volt az első olyan vállalat, amelyet valaha több mint egymilliárd dollár értékben értékeltek.
Elektromos ívkemence Acélgyártás:
Közvetlenül a századfordulón egy olyan fejlődés történt, amely erősen befolyásolná az acélgyártás fejlődését. A Paul Heroult elektromos ívkemencét (EAF) úgy tervezték, hogy az elektromos áramot áteresztette töltött anyagon keresztül, ami exoterm oxidációt és 1800 ° C- os hőmérsékletet eredményezett, több mint elegendő az acélgyártáshoz.
Kezdetben speciális acélokhoz használták, az EAF-k használatba kerültek, és a második világháború idején acélötvözetek gyártására használták. Az EAF malmok üzembe helyezésének alacsony beruházási költségei lehetővé tették számukra, hogy versenyezzenek a nagy amerikai gyártókkal, mint például az US Steel Corp. és a Bethlehem Steel, különösen a szénacélok vagy a hosszú termékek.
Mivel az EAF-k acélból készültek 100% -os hulladékként vagy hidegvérű takarmányként, kevesebb termelőegységre van szükség. Az alapvető oxigén kandallókkal ellentétben a műveleteket meg lehet állítani, és el lehet kezdeni a kevéssé kapcsolódó költségekkel. Ezen okok miatt az EAF-n keresztül történő gyártás több mint 50 éve folyamatosan növekszik, és jelenleg a globális acéltermelés mintegy 33% -át teszi ki.
Oxigéngyártás:
A globális acélgyártás többsége - mintegy 66% - jelenleg az alapvető oxigén-létesítményekben keletkezik. Az 1960-as évek ipari léptékű nitrogénből történő oxigénből történő elválasztására szolgáló módszer kidolgozása lehetővé tette az alapvető oxigénkemencék fejlődésének jelentős fejlődését.
Az alapvető oxigénkemencék oxigént fújnak nagy mennyiségű olvadt vasra és fémhulladékra, és sokkal gyorsabban tölthetik fel a töltést, mint a nyitott kályhák. Nagyobb hajók, amelyek akár 350 tonna vasat is képesek szállítani az acélba kevesebb, mint egy órán belül.
Az oxigéngyártás költséghatékonysága miatt a nyílt kandallógyárak versenyképtelenek voltak, és az 1960-as években az oxigéngyártás megkezdése után a nyitott kandalló műveletek lezárultak. Az USA-ban az utolsó nyílt kandalló létesítmény 1992-ben és 2001-ben Kínában zárult le.
Forrás:
Spoerl, Joseph S. A vas- és acélgyártás rövid története . Szent Anselm Főiskola.
Elérhető: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
A World Steel Association. Honlap: www.steeluniversity.org
Utca, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metálok az ember szolgálatában . 11. kiadás (1998).