Stålhistoria från järnålder till elbågsugnar

Utvecklingen av stål kan spåras tillbaka 4000 år till början av järnåldern. Provet att vara hårdare och starkare än brons, som tidigare varit den mest använda metallen, började järn att förskjuta brons i vapen och verktyg.

Under de följande få tusen åren kommer dock kvaliteten på den producerade järnen att bero lika mycket på malmen som på produktionsmetoderna.

Vid 1700-talet var järnens egenskaper väl förstådda, men ökande urbanisering i Europa krävde en mer mångsidig konstruktionsmetall.

Och vid 1800-talet var mängden järn som konsumeras genom att expandera järnvägarna försett med metallurister med det ekonomiska incitamentet att hitta en lösning på järnens brittleness och ineffektiva produktionsprocesser.

Utan tvekan kom det stora genombrottet i stålhistoria 1856 när Henry Bessemer utvecklade ett effektivt sätt att använda syre för att minska koldioxidhalten i järn: Den moderna stålindustrin föddes.

Järn börjar med mycket höga temperaturer, börjar järn absorbera kol, vilket sänker smältpunkten för metallen, vilket resulterar i gjutjärn (2,5-5,5% 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 är smältjärn som löper ut ur masugnen och kyls i en huvudkanal och angränsande formar. De stora, centrala och angränsande mindre götarna liknade en såg och sugande grisar.

Gjutjärn är starkt men lider av brittleness på grund av koldioxidhalten, 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.

I slutet av 1700-talet lärde sig järnmakare hur man omvandlar gjutjärn till ett smältjärn med kolsyrat smältugn (utvecklat av Henry Cort 1784). Ugnen uppvärmde smältjärn, som måste omröras av

puddlers

med hjälp av ett långt, oärformat 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. 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 cirka 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.

Blisterstålproduktion 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 ta bort slagg som cementeringsprocessen kvar. Resultatet var smält- eller gjutstål. Men på grund av tillverkningskostnaden användes både blister och gjutstål endast i specialapplikationer.

Som ett resultat förblev gjutjärn gjorda i pölarugnar den primära strukturella metallen vid industrialisering av Storbritannien under det mesta av 1800-talet.

Bessemerprocessen och modern stålproduktion

Växlingen av järnvägar under 1800-talet i både Europa och Amerika satte stort tryck på järnindustrin, som fortfarande kämpade med ineffektiva produktionsprocesser.

Men 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.

Bessemer konstruerade en päronformad behållare som kallas "omvandlare", där järn kan värmas medan syre kan blåsas genom smält metall. 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 om några minuter men led av att det var för framgångsrikt. 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 är känd som

speigeleisen

. Mangan var känt för att avlägsna syre från smält järn och kolhalten i speigeleisen skulle, om den tillsattes i rätt mängd, ge lösningen på Bessemers problem. Bessemer började lägga till den i sin omvandlingsprocess med stor framgång. Men ett problem kvarstod fortfarande. Bessemer hade misslyckats med att hitta ett sätt att avlägsna fosfor - en skadlig orenhet som gör stål skört - från sin slutprodukt. Följaktligen kan endast fosforfri malm från Sverige och Wales användas. I 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 tyska ingenjören Karl Wilhelm Siemens ökade stålproduktionen ytterligare genom att skapa öppenhjärtsprocessen. Den öppna eldprocessen producerade stål från grisjärn i stora grunda ugnar.

Användning av 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 som tillåts för produktion av mycket större mängder (50-100 ton kan produceras i en ugn), periodisk provning av smält stål så att det skulle kunna göras för att uppfylla särskilda specifikationer och användning av skrotstål som ett 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 tillräcklig för att värma stålproduktionen. I början 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. Oxygen Steelmaking

Majoriteten av global stålproduktion - cirka 66% - är nu tillverkad i basiska 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 syrgasstålproduktion gjorde ojämnheter med öppenhjärtiga fabriker och efter öppnandet av syreståltillverkning på 1960-talet började öppenhårsoperationen 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.}

_{World Steel Association. www. steeluniversity. org Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metaller i tjänsten av mannen}

_{. 11: e upplagan (1998).}