En kort historie om stål og Bessemer-processen

Højovne blev først udviklet af kineserne i det 6. århundrede f.Kr., men de blev mere udbredt i Europa i middelalderen og øgede produktionen af ​​støbejern. Ved meget høje temperaturer begynder jern at absorbere kulstof, hvilket sænker metallets smeltepunkt, hvilket resulterer i støbning jern (2,5 procent til 4,5 procent kulstof).

Støbejern er stærkt, men det lider af skørhed på grund af sit kulstofindhold, hvilket gør det mindre end ideelt til bearbejdning og formning. Efterhånden som metallurgister blev opmærksomme på, at det høje kulstofindhold i jern var centralt i problemet med skørhed, de eksperimenterede med nye metoder til reduktion af kulstofindholdet for at gøre jern mere gennemførlig.

Moderne stålproduktion udviklede sig fra disse tidlige dage med fremstilling af jern og efterfølgende teknologiudvikling.

I slutningen af ​​det 18. århundrede lærte jernproducenter at omdanne støbejern til et smedejern med lavt kulstofindhold ved hjælp af puddingovne, udviklet af Henry Cort i 1784. Svinejern er det smeltede jern, der løber tør for højovne og afkøles i hovedkanalen og tilstødende forme. Det fik sit navn, fordi de store, centrale og tilstødende mindre ingots lignede en so og ammende smågrise.

For at fremstille smedejern opvarmede ovnene smeltet jern, som måtte omrøres af vandpytter ved hjælp af lange åreformede værktøjer, hvilket giver ilt mulighed for at kombinere og langsomt fjerne kulstof.

Når kulstofindholdet falder, stiger jernets smeltepunkt, så masser af jern ville agglomerere i ovnen. Disse masser ville blive fjernet og arbejdet med en smedhammer af vandpuden, før de rulles ind i ark eller skinner. I 1860 var der mere end 3.000 ildsteder i Storbritannien, men processen forblev hindret af dens arbejde og brændstofintensitet.

Blisterstål - en af ​​de tidligste former for stål—Begyndt produktion i Tyskland og England i det 17. århundrede og blev produceret ved at øge kulstofindholdet i smeltet svinejern ved hjælp af en proces, der kaldes cementering. I denne proces blev stænger af smedejern lagdelt med pulveriseret kul i stenkasser og opvarmet.

Efter cirka en uge optog jernet kulstof i trækulet. Gentagen opvarmning ville fordele kulstof mere jævnt, og resultatet efter afkøling var blisterstål. Det højere kulstofindhold gjorde blisterstål meget mere anvendeligt end svinejern, så det kunne presses eller rulles.

Blisterstålproduktion fremskred i 1740'erne, da den engelske urmaker Benjamin Huntsman fandt, at metallet kunne smeltes i lertedler og raffineres med en særlig flux for at fjerne slagge, som cementeringsprocessen efterlod. Huntsman forsøgte at udvikle et stål af høj kvalitet til sine urfjedre. Resultatet blev digel - eller støbt - stål. På grund af produktionsomkostningerne blev imidlertid både blister og støbt stål kun nogensinde brugt til specialanvendelser.

Som et resultat forblev støbejern fremstillet i puddingovne det primære strukturelle metal ved at industrialisere Storbritannien i det meste af 1800-tallet.

Væksten af ​​jernbaner i det 19. århundrede i både Europa og Amerika lægger stort pres på jernindustrien, som stadig kæmpede med ineffektive produktionsprocesser. Stål var stadig ikke bevist som et strukturelt metal, og produktionen var langsom og kostbar. Det var indtil 1856, da Henry Bessemer kom frem til en mere effektiv måde at indføre ilt i smeltet jern for at reducere kulstofindholdet.

Nu kendt som Bessemer-processen, designede Bessemer en pæreformet beholder - kaldet en konverter - hvor jern kunne opvarmes, mens ilt kunne sprænges gennem det smeltede metal. Når ilt passerede gennem det smeltede metal, ville det reagere med kulstoffet, frigive kuldioxid og producere et mere rent jern.

Processen var hurtig og billig, idet kul og silicium blev fjernet fra jern i løbet af få minutter, men led af at være for vellykket. For meget kul blev fjernet, og for meget ilt forblev i det endelige produkt. Bessemer måtte i sidste ende tilbagebetale sine investorer, indtil han kunne finde en metode til at øge kulstofindholdet og fjerne det uønskede ilt.

På omtrent samme tid erhvervede og begyndte den britiske metallurg Robert Mushet at teste en forbindelse af jern, kulstof og mangan—Kendt som spiegeleisen. Mangan var kendt for at fjerne ilt fra smeltet jern, og carbonindholdet i spiegeleisen, hvis det tilsættes i de rigtige mængder, ville give løsningen på Bessemers problemer. Bessemer begyndte at tilføje det til sin konverteringsproces med stor succes.

Et problem forblev. Bessemer havde ikke fundet en måde at fjerne fosfor - en skadelig urenhed, der gør stål sprødt - fra hans slutprodukt. Derfor kunne kun fosforfri malm fra Sverige og Wales anvendes.

I 1876 kom waliseren Sidney Gilchrist Thomas med en løsning ved at tilføje en kemisk basisk flux - kalksten - til Bessemer-processen. Kalksten trak fosfor fra svinejernet ind i slaggen, så det uønskede element blev fjernet.

Denne innovation betød, at jernmalm overalt i verden endelig kunne bruges til at fremstille stål. Ikke overraskende begyndte stålproduktionsomkostningerne at falde markant. Priserne på stålskinner faldt mere end 80 procent mellem 1867 og 1884, hvilket indledte vækst i verdens stålindustri.

I 1860'erne forbedrede den tyske ingeniør Karl Wilhelm Siemens stålproduktionen yderligere gennem sin oprettelse af den åbne ildstedsproces. Dette producerede stål fra svinejern i store flade ovne.

Ved hjælp af høje temperaturer til afbrænding af overskydende kulstof og andre urenheder, var processen afhængig af opvarmede murstenkamre under ildstedet. Regenerative ovne anvendte senere udstødningsgasser fra ovnen til at opretholde høje temperaturer i murværkskamrene nedenfor.

Denne metode muliggjorde produktion af meget større mængder (50-100 metriske tons i en ovn), periodisk testning af det smeltede stål, så det kunne fremstilles til at opfylde særlige specifikationer, og brugen af ​​skrotstål som rå materiale. Selvom selve processen var meget langsommere, havde den åbne ildstedsproces i 1900 stort set erstattet Bessemer-processen.

Revolutionen inden for stålproduktion, der leverede billigere materiale af højere kvalitet, blev anerkendt af mange forretningsfolk i dag som en investeringsmulighed. Kapitalister i slutningen af ​​det 19. århundrede, herunder Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerede og tjente millioner (milliarder for Carnegie) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, der blev grundlagt i 1901, var det første selskab, der nogensinde er værdsat til mere end 1 milliard dollar.

Lige efter århundredeskiftet blev Paul Heroults elektriske lysbueovn (EAF) designet til at føre en elektrisk strøm gennem ladet materiale, hvilket resulterer i eksoterm oxidation og temperaturer op til 3.272 grader Fahrenheit (1.800 grader Celsius), mere end tilstrækkelig til at opvarme stål produktion.

Oprindeligt brugt til specialstål voksede EAF'er i brug, og ved 2. verdenskrig blev der brugt til fremstilling af stållegeringer. De lave investeringsomkostninger, der var forbundet med oprettelse af EAF-fabrikker, gjorde det muligt for dem at konkurrere med de store amerikanske producenter som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, især i kulstofstål eller lange produkter.

Da EAF'er kan fremstille stål fra 100 procent skrot - eller koldt jernholdigt foder - er der behov for mindre energi pr. Produktionsenhed. I modsætning til grundlæggende ilthærdninger, kan operationer også stoppes og startes med små tilknyttede omkostninger. Af disse grunde er produktionen via EAF'er steget støt i mere end 50 år og tegnede sig for ca. 33 procent af den globale stålproduktion i 2017.

Størstedelen af ​​den globale stålproduktion - ca. 66 procent - produceres i basale iltfaciliteter. Udviklingen af ​​en metode til at adskille ilt fra nitrogen i industriel skala i 1960'erne muliggjorde store fremskridt i udviklingen af ​​basiske iltovne.

Grundlæggende iltovne blæser ilt i store mængder smeltet jern og skrotstål og kan gennemføre en opladning meget hurtigere end åben ildstedsmetoder. Store fartøjer, der har op til 350 tons jern, kan gennemføre konvertering til stål på mindre end en time.

Omkostningseffektiviteten ved iltstålfremstilling gjorde åbne ildfabrikker konkurrencedygtige, og efter fremkomsten af ​​iltstålfremstilling i 1960'erne begyndte åbne ildstederne at lukke. Den sidste åbne ildsted i USA lukkede i 1992 og i Kina, den sidste lukket i 2001.

_Kilder:

_{Spoerl, Joseph S. En kort historie om jern- og stålproduktion. Saint Anselm College.}

_{Ledig: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{World Steel Association. Internet side: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metaller i tjeneste for mennesket. 11. udgave (1998).}