Lyhyt historia teräksestä ja Bessemer-prosessista

Masuuneja kehittivät kiinalaiset ensin 6. vuosisadalla, mutta niitä käytettiin laajemmin Euroopassa keskiajalla ja ne kasvattivat valuraudan tuotantoa. Erittäin korkeissa lämpötiloissa rauta alkaa absorboida hiiltä, ​​mikä alentaa metallin sulamispistettä, mikä johtaa valukappaleeseen rauta- (2,5 - 4,5 prosenttia hiiltä).

Valurauta on vahvaa, mutta se kärsii hauraudesta hiilipitoisuudestaan ​​johtuen, joten se on vähemmän kuin ihanteellinen työskentelyyn ja muotoiluun. Kun metallurgit sai tietää, että raudan korkea hiilipitoisuus oli keskeinen tekijä ongelmassa hauraus, he kokeilivat uusia menetelmiä hiilen pitoisuuden vähentämiseksi raudan lisäämiseksi toimiva.

Moderni teräksen teko kehittyi näistä rautavalmistuksen alkuajoista ja myöhemmästä teknologian kehityksestä.

1800-luvun lopulla rautavalmistajat oppivat, kuinka valuraudan muuntaminen vähähiiliseksi takorautaksi käyttämällä pohjauuneja, jonka Henry Cort kehitti vuonna 1784. Harkkorauta on sulaa rautaa, joka sammuu masuuneista ja jäähdytetään pääkanavassa ja viereisissä muoteissa. Se sai nimensä, koska suuret, keskeiset ja vierekkäiset pienet harkot muistuttivat emakoita ja imemisporsaita.

Takoraudan valmistamiseksi uunit lämmittivät sulaa rautaa, jota pellereiden oli sekoitettava pitkiä airo-muotoisia työkaluja antaen happea yhdistyä hiilen kanssa ja poistaa sen hitaasti.

Hiilipitoisuuden vähentyessä raudan sulamispiste nousee, joten raudan massat agglomeroituvat uunissa. Nämä massat poistettaisiin ja kohokuvioukin kanssa työskenteltiin taontavasaran kanssa ennen kuin ne rullattiin levyiksi tai kiskoiksi. Vuoteen 1860 mennessä Britanniassa oli yli 3000 vanukasuunia, mutta prosessia haittasi edelleen sen työvoima- ja polttoaineintensiivisyys.

Läpipainopakkausteräs - yksi varhaisimmista muodoista teräs—Alojen tuotanto aloitettiin Saksassa ja Englannissa 1700-luvulla, ja se valmistettiin lisäämällä sulan rautapitoisuuden hiilipitoisuutta käyttämällä sementointiprosessia. Tässä prosessissa takorauta-sauvat kerrostettiin kivihiileissä jauhemaisella hiilellä ja lämmitettiin.

Noin viikon kuluttua rauta absorboi hiilen hiiltä. Toistuva kuumennus jakaisi hiilen tasaisemmin, ja tulos jäähdytyksen jälkeen oli rakkuterästä. Suurempi hiilipitoisuus teki läpipainoteräksestä huomattavasti käyttökelpoisemman kuin harkkorauta, mikä mahdollisti sen puristamisen tai valssaamisen.

Blisterteräksen tuotanto eteni 1740-luvulla, kun englantilainen kellovalmistaja Benjamin Huntsman havaitsi, että metalli pystyi sulattaa savi upokkaisiin ja puhdistettava erityisellä sulatusaineella kuonan poistamiseksi, jonka sementointiprosessi jättää jäljelle. Huntsman yritti kehittää korkealaatuista terästä kellojousilleen. Tuloksena oli upokkaasta tai valetusta teräksestä. Tuotantokustannusten vuoksi sekä kupla- että valuterästä käytettiin kuitenkin vain erikoissovelluksissa.

Tämän seurauksena vaahtouuneissa valmistettu valurauta pysyi ensisijaisena rakennemetallina Britannian teollistumisessa suurimman osan 1800-luvulta.

Rautateiden kasvu 1800-luvulla sekä Euroopassa että Amerikassa aiheutti suuren paineen rautateollisuudelle, joka kamppaili silti tehottomien tuotantoprosessien kanssa. Terästä ei edelleenkään todistettu rakennemetallina ja tuotanto oli hidasta ja kallista. Se oli vuoteen 1856 saakka, jolloin Henry Bessemer kekseli tehokkaamman tavan lisätä happea sulaan rautaan hiilipitoisuuden vähentämiseksi.

Bessemer, joka tunnetaan nyt nimellä Bessemer-prosessi, suunnitteli päärynänmuotoisen astian - jota kutsutaan konvertteriksi -, jossa rautaa voitaisiin kuumentaa samalla, kun happea voitiin puhaltaa sulan metallin läpi. Hapen kuljettaessa sulan metallin läpi, se reagoi hiilen kanssa, vapauttaen hiilidioksidia ja tuottaen puhtaamman raudan.

Prosessi oli nopea ja edullinen, hiili ja pii poistettiin raudasta muutamassa minuutissa, mutta kärsi liian onnistuneesta. Liian paljon hiiltä poistettiin ja liikaa happea jäljellä lopputuotteessa. Bessemer joutui viime kädessä maksamaan takaisin sijoittajilleen, kunnes hän löysi menetelmän hiilipitoisuuden lisäämiseksi ja toivotun hapen poistamiseksi.

Noin samaan aikaan brittiläinen metallurgi Robert Mushet osti ja aloitti rauta-, hiili- ja hiiliyhdisteen testaamisen mangaani— Tunnetaan nimellä spiegeleisen. Mangaanin tiedettiin poistavan happea sulasta raudasta, ja spiegeleisenin hiilipitoisuus, jos sitä lisätään oikeina määrinä, tarjoaisi ratkaisun Bessemerin ongelmiin. Bessemer alkoi lisätä sitä muuntamisprosessiinsa menestyksekkäästi.

Yksi ongelma säilyi. Bessemer ei ollut löytänyt tapaa poistaa fosforia - haitallista epäpuhtautta, joka tekee teräksestä hauraaa - lopputuotteestaan. Näin ollen vain fosforittomia malmeja Ruotsista ja Walesista voitiin käyttää.

Vuonna 1876 Welshman Sidney Gilchrist Thomas keksi ratkaisun lisäämällä kemiallisesti emäksistä fluxia - kalkkikiveä - Bessemer-prosessiin. Kalkkikivi veti fosforia harkkoraudasta kuonaan, jolloin ei-toivottu elementti voidaan poistaa.

Tämä innovaatio tarkoitti, että rautamalmia kaikkialta maailmasta voitiin lopulta käyttää teräksen valmistukseen. Ei ole yllättävää, että teräksen tuotantokustannukset alenivat merkittävästi. Teräsrautateiden hinnat laskivat yli 80 prosenttia vuosina 1867–1884, mikä käynnisti maailman terästeollisuuden kasvun.

1860-luvulla saksalainen insinööri Karl Wilhelm Siemens lisäsi teräksen tuotantoa luomalla avoimen tulisijaprosessin. Tämä tuotti terästä raakaraudasta suurissa matalissa uuneissa.

Prosessissa käytettiin korkeita lämpötiloja ylimääräisen hiilen ja muiden epäpuhtauksien polttamiseksi, ja lämmitetyt tiilikammiot tulipesän alla. Regeneratiivisissa uuneissa käytettiin myöhemmin uunin pakokaasuja ylläpitää korkeita lämpötiloja alla olevissa tiilikammioissa.

Tämä menetelmä sallii tuottaa paljon suurempia määriä (50-100 tonnia yhdessä uunissa), jaksottainen testaus sulan terästä, jotta se voitaisiin valmistaa täyttämään tietyt vaatimukset, ja romuteräksen käyttö raaka-aineena materiaalia. Vaikka itse prosessi oli paljon hitaampaa, vuoteen 1900 mennessä avoin tulisijaprosessi oli suurelta osin korvannut Bessemer-prosessin.

Terästuotannon vallankumous, joka tarjosi halvempaa ja laadukkaampaa materiaalia, tunnustivat monet nykyajan liikemiehet sijoitusmahdollisuudeksi. 1800-luvun lopun kapitalistit, mukaan lukien Andrew Carnegie ja Charles Schwab, sijoitti ja ansaitsi miljoonia (Carnegie tapauksessa miljardeja) terästeollisuuteen. Carnegie'n vuonna 1901 perustettu Yhdysvaltain teräsyhtiö oli ensimmäinen yhtiö, jonka arvo on koskaan yli miljardi dollaria.

Juuri vuosisadan vaiheen jälkeen Paul Heroultin sähkökaariuuni (EAF) suunniteltiin siirtämään sähkövirta ladatun materiaalin läpi, johtaen eksotermiseen hapettumiseen ja lämpötiloihin 3 272 Fahrenheit-asteeseen (1800 Celsius-astetta) saakka, enemmän kuin riittäviä teräksen lämmittämiseen tuotantoon.

Alun perin erikoisteräksissä käytettyjen EAF: ien käyttö lisääntyi ja toisessa maailmansodassa niitä käytettiin terässeosten valmistukseen. EAF-tehtaiden perustamiseen liittyvät alhaiset investointikustannukset antoivat heille mahdollisuuden kilpailla suurten yhdysvaltalaisten tuottajien kanssa, kuten US Steel Corp. ja Bethlehem Steel, erityisesti hiiliteräksissä tai pitkissä tuotteissa.

Koska EAF: t voivat tuottaa terästä 100-prosenttisesti romun tai kylmän rauta-aineen syötöstä, tarvitaan vähemmän energiaa tuotantoyksikköä kohti. Toisin kuin perushappitärit, operaatiot voidaan myös lopettaa ja aloittaa pienillä liittyvillä kustannuksilla. Näistä syistä EAF: ien kautta tapahtuva tuotanto on kasvanut tasaisesti yli 50 vuoden ajan, ja sen osuus maailman terästuotannosta oli noin 33 prosenttia vuodesta 2017.

Suurin osa maailman terästuotannosta - noin 66 prosenttia - tuotetaan perushappilaitoksissa. Menetelmän kehittäminen hapen erottamiseksi typestä teollisessa mittakaavassa 1960-luvulla antoi mahdolliseksi merkittävät edistykset emäksisten happiuunien kehittämisessä.

Perushappiuunit puhaltavat happea suuriin määriin sulaa rautaa ja romua terästä ja voivat täyttää varauksen paljon nopeammin kuin avotakkamenetelmät. Suuret alukset, joissa on jopa 350 tonnia rautaa, voivat muuttua teräkseksi alle tunnissa.

Happiteräksen valmistuksen kustannustehokkuus teki avoimen tulisija tehtaat kilpailukyvyttömiksi, ja kun happea teräksen valmistus tapahtui 1960-luvulla, avotulella tehdyt toimenpiteet alkoivat sulkeutua. Viimeinen avotakka Yhdysvalloissa suljettiin vuonna 1992 ja Kiinassa, viimeinen suljettiin vuonna 2001.

_Lähteet:

_{Spoerl, Joseph S. Lyhyt historia rauta- ja terästuotannosta. Saint Anselmin yliopisto.}

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

_{Maailman teräsyhdistys. Verkkosivusto: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metallit ihmisen palveluksessa. 11. painos (1998).}