Povijest čelika iz željeznog doba do električnih peći za arke

Razvoj čelika može se pratiti od 4000 godina do početka željeznog doba. Pokušavajući biti teže i jači od bronce, koji je bio najčešće korišten metal, željezo je počelo gurati broncu u oružje i alate.

Za sljedećih nekoliko tisuća godina, međutim, kvaliteta proizvedenog željeza ovisi koliko o raspoloživoj rudi, kao io proizvodnim metodama.

Do 17. stoljeća, željezna svojstva su dobro poznata, ali sve veća urbanizacija u Europi zahtijevala je sve raznovrsniji strukturni metal. I do 19. stoljeća, količina željeza koja se potrošila širenjem željezničkih tračnica omogućila je metalurgima financijski poticaj za pronalaženje rješenja željeza krhkosti i neučinkovitih proizvodnih procesa.

Bez sumnje, ipak, glavni proboj u povijesti čelika došao je 1856. kada je Henry Bessemer razvio učinkovit način korištenja kisika kako bi se smanjio sadržaj ugljika u željezo: rođena je moderna industrija čelika.

Era željeza

Pri vrlo visokim temperaturama, željezo počinje apsorbirati ugljen, što smanjuje točku tališta metala, što dovodi do lijevanog željeza (2,5 do 4,5% ugljika). Razvijanje visokih peći, koje su prvi put koristile Kinezi u 6. stoljeću prije Krista, ali koje su se u Europi koristile u srednjem vijeku, povećale su proizvodnju lijevanog željeza.

Svinje željezo je rastaljeno željezo koje izlazi iz visokih peći i ohladi u glavnom kanalu i susjednim kalupima. Veliki, središnji i susjedni manji ingotovi nalikovali su na sijeno i sisanje.

Lijevano željezo je jaka, ali zbog krhkog sadržaja ugljika pati zbog krhkosti, što ga čini manje od idealnog za rad i oblikovanje. Kako su metalurzi postali svjesni da je sadržaj visokog ugljika u željezo bio središnji problem krhkosti, eksperimentirao je s novim metodama za smanjenje sadržaja ugljika kako bi se željezo moglo raditi.

Do kraja 18. stoljeća, ironmakers naučili kako preobraziti lijevano željezo željezo u low-ugljika sadržaj od kovanog željeza pomoću puddling peći (razvijen od strane Henry Cort u 1784). Peći zagrijavaju rastaljeno željezo, koje je trebalo miješati puddlers pomoću dugih, alata u obliku pepela, što omogućuje da se kisik kombinira s polako i polako uklanja ugljik.

Kako se sadržaj ugljika smanjuje, željezo se poveća, tako da se željezna masa aglomerira u peći. Ove se mase uklanjaju i obrađuju čekić s krivotvorinama prije nego što se kotrljaju u listove ili tračnice. Godine 1860. u Velikoj Britaniji bilo je više od 3000 pjenastih peći, ali proces je ostao ometan radom i intenzivnošću goriva.

Jedan od najranijih oblika čelika, blister čelika, započeo je proizvodnju u Njemačkoj i Engleskoj u 17. stoljeću i proizveden je povećanjem sadržaja ugljika u rastaljenom željezu pomoću postupka poznatog kao cementacija. U tom procesu, šipke od kovanog željeza bile su slojevite ugljenom u prahu u kamenim kutijama i grijane.

Nakon otprilike tjedan dana, željezo bi apsorbirao ugljik u drvenom ugljenu. Ponovljeno zagrijavanje bi ravnomjernije rasporedilo ugljik, a rezultat, nakon hlađenja, bio je blister čelik. Viši sadržaj ugljika napravio je blister čelik puno više nego gladljiv željezo, omogućujući ga da se pritisne ili valjane.

Blister čelična proizvodnja napredovala je u 1740-im godinama kada je engleski satarski Benjamin Huntsman pokušavajući razviti visokokvalitetni čelik za svoje satne izvore, ustanovio da se metal može otopiti u glinenim loncima i posipati posebnim strujanjem kako bi se uklonila troska koja je proces cementacije iza. Rezultat je bio lončić ili lijevani čelik. No, zbog troškova proizvodnje, i blister i lijevani čelik koristili su se samo u specijalnim aplikacijama.

Kao rezultat toga, lijevanog željeza izrađenog u pjenastim pećima ostao je primarni strukturni metal u industrijalizaciji Velike Britanije tijekom većeg dijela 19. stoljeća.

Bessemerov proces i suvremeni savijanje

Rast željezničkih pruga tijekom 19. stoljeća u Europi i Americi doveo je veliki pritisak na industriju željeza, koja se još uvijek borila s neučinkovitim proizvodnim procesima. Ipak, čelik još uvijek nije bio dokazan kao strukturni metal i proizvodnja je bila spor i skup. To je bilo sve do 1856. kada je Henry Bessemer došao do učinkovitijih načina da se uđe kisik u rastaljeno željezo kako bi se smanjio sadržaj ugljika.

Sada poznat kao Bessemerov proces, Bessemer je dizajnirao kruškastu posudu - nazvanu 'pretvarač' - u kojem se željezo može zagrijati, dok se kisik može upropastiti kroz rastaljenu metalnu površinu. Dok je kisik prolazio kroz rastaljenog metala, reagirao bi s ugljikom, otpuštajući ugljični dioksid i proizvodio čistije željezo.

Proces je bio brz i jeftin, uklanjajući ugljen i silikon iz željeza u nekoliko minuta, ali je pretrpio prevelik uspjeh. Previše ugljika uklonjeno je i preostali kisik ostao u konačnom proizvodu. Bessemer je u konačnici morao vratiti svoje investitore dok ne pronađe metodu za povećanje sadržaja ugljika i uklanjanje neželjenog kisika.

Otprilike u isto vrijeme, britanski metalurg Robert Mushet stekao je i počeo testirati spoj željeza, ugljika i mangana - poznatog kao speigeleisen , Mangan je poznato da uklanja kisik od rastaljenog željeza, a sadržaj ugljika u speigeleisenu, ako se doda u pravim količinama, pružit će rješenje Bessemerovim problemima. Bessemer je s velikim uspjehom počeo dodavati u svoj proces pretvorbe.

Ipak, ostao je jedan problem. Bessemer nije uspio pronaći način za uklanjanje fosfora - štetne nečistoće koja čini čelik krhkom - od njegovog krajnjeg proizvoda.Prema tome, moglo bi se koristiti samo rudače bez fosfora iz Švedske i Walesa.

Godine 1876. Welshman Sidney Gilchrist Thomas došao je s otopinom dodavanjem kemijski osnovnog flux-vapnenca u Bessemerov proces. Vapnenac je izvadio fosfor iz željeza u trosku, čime se uklanja neželjeni element.

Ova inovacija značila je da se konačno željezna ruda iz bilo kojeg dijela svijeta može koristiti za izradu čelika. Nije iznenađujuće, troškovi proizvodnje čelika počeo značajno smanjivati. Cijene čelične tračnice padale su više od 80% između 1867. i 1884. godine, kao rezultat novih tehnika proizvodnje čelika, koja je pokrenula rast svjetske industrije čelika.

Otvoreni proces svježine

Šezdesetih godina 20. stoljeća, njemački inženjer Karl Wilhelm Siemens unaprijedio je proizvodnju čelika kroz stvaranje otvorenog procesa. Prostor otvorenog ognjišta proizvodio je čelik od željeza u velikim plitkim peći.

Koristeći visoke temperature za spaljivanje višak ugljika i drugih nečistoća, postupak se oslanjao na grijane cigle komore ispod ognjišta. Regenerativne peći kasnije koriste ispušne plinove iz peći za održavanje visokih temperatura u ciglenim komorama ispod.

Ova metoda omogućila je proizvodnju mnogo većih količina (50-100 tona može se proizvesti u jednoj peći), periodično ispitivanje rastaljenog čelika kako bi se moglo napraviti u skladu s određenim specifikacijama i upotrebom čeličnog lima kao sirovine , Iako je proces bio znatno sporiji, do 1900. proces otvorenog ognjišta uvelike je zamijenio Bessemerov proces.

Rođenje industrije čelika

Revolucija u proizvodnji čelika koja je pružala jeftiniji i kvalitetniji materijal prepoznala su mnogi gospodarstvenici dana kao investicijska prilika. Kapitalisti krajem 19. stoljeća, uključujući Andrew Carnegie i Charles Schwab, uložili su i izradili milijuna (milijardi u slučaju Carnegie) u industriji čelika. Carnegieova US Steel Corporation, utemeljena 1901. godine, bila je prva korporacija ikada pokrenuta u vrijednosti od preko jedne milijarde dolara.

Proizvodnja električne peći na električnim lukovima

Neposredno nakon prijelaza stoljeća dogodio se drugi razvoj koji bi imao snažan utjecaj na evoluciju proizvodnje čelika. Električna pećnica pećnice Paul Heroult (EAF) dizajnirana je da prođe električnu struju kroz nabijeni materijal, što rezultira egzotermnom oksidacijom i temperaturama do 3272°F (1800°C), više nego dovoljno za zagrijavanje proizvodnje čelika.

U početku se koristio za specijalne čelike, EAF-ovi su rasli u upotrebi, a do Drugog svjetskog rata korišteni su za proizvodnju čeličnih legura. Niski troškovi investicija koji su uključeni u postavljanje EAF mlinova omogućili su im da se natječu s glavnim američkim proizvođačima poput US Steel Corp i Bethlehem Steel, posebno u ugljičnim čelicima ili dugim proizvodima.

Budući da EAF može proizvesti čelik od 100% otpadnog materijala ili hladnog željezne hrane, potrebna je manje energije po jedinici proizvodnje. Za razliku od osnovnih ognjišta s kisikom, operacije se također mogu zaustaviti i početi s malim troškovima. Iz tih razloga, proizvodnja putem EAF-ova stalno raste za više od 50 godina i sada čini oko 33% svjetske proizvodnje čelika.

Stvaranje kisika

Većina svjetske proizvodnje čelika - oko 66% - sada se proizvodi u osnovnim postrojenjima za kisik. Razvoj metode odvajanja kisika iz dušika na industrijskoj razini tijekom šezdesetih godina omogućio je velike napretke u razvoju osnovnih peći za kisik.

Osnovni kisik peći puše kisik u velike količine rastaljenog željeza i otpada čelika i može dovršiti naplatu mnogo brže od otvorenih vatrostalnih metoda. Velike posude koje drže do 350 tona željeza mogu dovršiti pretvorbu u čelik u manje od jednog sata.

Troškovne učinkovitosti kisika za proizvodnju kisika otvorile su tvornice otvorenih ognjišta nekonkurentne i, nakon pojave kisika u 1960-ima, započele su zatvaranje operacija otvorenih ognjišta. Posljednji otvoreni ognjište u SAD-u zatvoren je 1992. godine iu Kini 2001. godine.

_izvori:

_{Spoerl, Joseph S. Kratka povijest proizvodnje željeza i čelika. Kolegij sv. Anselm.}

_{Svjetsko udruženje čelika. www.steeluniversity.org}

_{Ulica, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metali u službi čovjeka , 11. izdanje (1998).}