Сталь История от железного века до электрических дуговых печей

Развитие стали можно проследить за 4000 лет до начала железного века. Доказав, что он стал более твердым и сильным, чем бронза, которая ранее была самым широко используемым металлом, железо начало вытеснять бронзу оружием и инструментами.

В течение следующих нескольких тысяч лет качество произведенного железа будет зависеть от количества руды, доступной как от методов производства.

К 17 веку свойства железа были хорошо поняты, но увеличение урбанизации в Европе потребовало более универсального структурного металла.

И к 19-му столетию количество потребляемого железом за счет расширения железных дорог обеспечило металлургам финансовый стимул для поиска решения хрупкости и неэффективности производства.

Несомненно, однако, главный прорыв в истории стали пришел в 1856 году, когда Генри Бесемер разработал эффективный способ использования кислорода для снижения содержания углерода в железе: появилась современная сталелитейная промышленность.

Эра железа

При очень высоких температурах железо начинает поглощать углерод, что снижает температуру плавления металла, что приводит к получению чугуна (от 2,5 до 4,5% углерода ). Развитие доменных печей, впервые использованных китайцами в VI веке до нашей эры, но более широко используемых в Европе в средние века, увеличило производство чугуна.

Свинцовый чугун - это расплавленное железо, выходящее из доменных печей и охлажденное в основном канале и прилегающих формах. Большие, центральные и прилегающие меньшие слитки напоминали свиноматок и поросенок.

Чугун сильный, но он страдает от хрупкости из-за его содержания углерода, делая его менее идеальным для работы и формования. Поскольку металлургам стало известно, что высокое содержание углерода в железе занимает центральное место в проблеме хрупкости, они экспериментировали с новыми методами снижения содержания углерода, чтобы сделать железо более работоспособным.

К концу 18-го века производители чудовищ научились превращать чугун в низкоуглеродистый кованый железо с использованием пудлинговых печей (разработанный Генри Кортом в 1784 году). Печи нагревали расплавленное железо, которое должно было перемешиваться пучками с использованием длинного инструмента в форме весла, позволяющего кислороду объединять и медленно удалять углерод.

С уменьшением содержания углерода температура плавления железа увеличивается, поэтому массы железа будут агломерироваться в печи. Эти массы будут удалены и обработаны кузнечным молотом пудлером перед тем, как их перевернуть в листы или рельсы. К 1860 году в Великобритании было более 3000 пеллетных печей, но этот процесс по-прежнему затруднялся его интенсивностью труда и топливом.

Одна из самых ранних форм стали, блистерная сталь, начала производство в Германии и Англии в 17 веке и была произведена путем увеличения содержания углерода в расплавленном чугуне с использованием процесса, известного как цементация.В этом процессе стержни из кованого железа наносились порошкообразным древесным углем в каменных коробках и нагревались.

Примерно через неделю железо поглотит углерод в древесном угле. Повторный нагрев будет распределять углерод более равномерно, и результат после охлаждения будет блистерной. Более высокое содержание углерода делало блистерную сталь намного более работоспособной, чем чугун, позволяя ее прессовать или прокатывать.

Производство блистерной стали продвигалось в 1740-х годах, когда английский часовой генерал Бенджамин Хантсман, пытаясь развить высококачественную сталь для своих часовых пружин, обнаружил, что металл может быть расплавлен в глиняных тиглях и очищен специальным флюсом для удаления шлака, процесс цементации остался позади. Результатом стал тигель или литьевая сталь. Но из-за стоимости производства как блистерная, так и литая сталь использовалась только в специальных приложениях.

В результате чугун, сделанный в лужковых печах, оставался основным структурным металлом в индустриализации Британии в течение большей части XIX века.

Бессемерский процесс и современное сталелитейное производство

Рост железных дорог в XIX веке как в Европе, так и в Америке оказал сильное давление на железную промышленность, которая все еще боролась с неэффективными производственными процессами.

Однако сталь по-прежнему не была доказана в качестве структурного металла, и производство было медленным и дорогостоящим. Это было до 1856 года, когда Генри Бессемер придумал более эффективный способ введения кислорода в расплавленное железо, чтобы уменьшить содержание углерода.

Теперь, известный как Бессемерский процесс, Бессемер сконструировал грушевидную емкость, называемую «конвертером», в которой железо можно было нагревать, а кислород можно было продувать через расплавленный металл. Когда кислород проходит через расплавленный металл, он реагирует с углеродом, выделяя углекислый газ и получая более чистое железо.

Процесс был быстрым и недорогим, удаляя углерод и кремний из железа за считанные минуты, но он был слишком успешным. Слишком много углерода было удалено, и в конечном продукте оставалось слишком много кислорода. Бессемер в конечном итоге должен был вернуть своих инвесторов, пока не найдет способ увеличить содержание углерода и удалить нежелательный кислород.

Примерно в то же время британский металлург Роберт Мушет приобрел и начал испытывать соединение железа, углерода и марганца, известное как speigeleisen . Известно, что марганец удаляет кислород из расплавленного железа, а содержание углерода в speigeleisen, если оно добавлено в правильных количествах, обеспечит решение проблем Бесемера. Бессемер начал с большим успехом добавлять его в свой процесс конверсии.

Тем не менее, одна проблема все еще оставалась. Бессемер не смог найти способ удалить фосфор - вредную примесь, которая делает сталь хрупкой - от его конечного продукта. Следовательно, можно использовать только руду без фосфора из Швеции и Уэльса.

В 1876 году валлиец Сидни Гилхрист Томас придумал решение, добавив химический основной флюс-известняк к процессу Бессемер. Известняк извлек фосфор из чугуна в шлак, что позволило удалить нежелательный элемент.

Это нововведение означало, что, наконец, железная руда из любой точки мира могла бы использоваться для производства стали. Неудивительно, что издержки производства стали стали значительно снижаться. Цены на стальной прокат упали более чем на 80% в период с 1867 по 1884 год, в результате применения новых технологий производства стали, что привело к росту мировой металлургической промышленности.

Процесс открытого очага

В 1860-х годах немецкий инженер Карл Вильгельм Сименс еще больше увеличил производство стали благодаря созданию процесса открытого очага. В режиме открытых очагов из чугуна в больших мелководных печах производится сталь.

Используя высокие температуры для сжигания избыточного углерода и других примесей, этот процесс основывался на нагретых кирпичных камерах ниже очага. Регенеративные печи позже использовали отработанные газы из печи для поддержания высоких температур в кирпичных камерах ниже.

Этот метод позволил производить намного большие количества (50-100 метрических тонн можно было производить в одной печи), периодическое испытание расплавленной стали, чтобы оно могло быть выполнено в соответствии с конкретными спецификациями и использованием металлолома как сырье. Хотя сам процесс был намного медленнее, к 1900 году процесс открытого очага в значительной степени заменил процесс Бессемер.

Рождение сталелитейной промышленности

Революция в производстве стали, которая обеспечивала более дешевые и качественные материалы, была признана многими бизнесменами дня как возможность для инвестиций. Капиталисты конца 19-го века, в том числе Эндрю Карнеги и Чарльз Шваб, инвестировали и зарабатывали миллионы (миллиарды в случае Карнеги) в сталелитейной промышленности. Американская сталелитейная корпорация Carnegie, основанная в 1901 году, стала первой корпорацией, когда-либо созданной на сумму более миллиарда долларов.

Сталеплавильное производство электродуговой печи

Сразу же после рубежа веков произошло еще одно развитие, которое оказало бы сильное влияние на эволюцию производства стали. Электрическая дуговая печь (ЭПР) Пола Эрута была спроектирована так, чтобы пропускать электрический ток через заряженный материал, что приводит к экзотермическому окислению и температуре до 3272 ° F (1800 ° C), больше, чем достаточным для производства стали.

Первоначально использовавшиеся для специальных сталей, использовались EAF, а во Второй мировой войне использовались для производства стальных сплавов. Низкие инвестиционные затраты, связанные с созданием мельниц EAF, позволили им конкурировать с крупными американскими производителями, такими как US Steel Corp. и Bethlehem Steel, особенно в углеродистых сталях или длинных продуктах.

Поскольку ЭДП могут производить сталь из 100% лома или холодной черной фракции, требуется меньше энергии на единицу продукции. В отличие от базовых кислородных очагов, операции также можно остановить и начать с небольшой стоимости. По этим причинам производство через EAF неуклонно растет уже более 50 лет и в настоящее время составляет около 33% мирового производства стали.

Кислородная металлургия

Большинство мирового производства стали - около 66% - теперь производится в основных кислородных установках. Разработка метода разделения кислорода из азота в промышленном масштабе в 1960-х годах позволила добиться значительных успехов в разработке основных кислородных печей.

Основные кислородные печи выдувают кислород в большие количества расплавленного чугуна и металлолома и могут выполнять заряд намного быстрее, чем методы открытого очага. Крупные суда, содержащие до 350 тонн железа, могут завершить конверсию в сталь менее чем за час.

Экономическая эффективность производства кислородной стали сделала мартеновские заводы неконкурентоспособными, и после появления кислородной стали в 1960-х годах начались мартеновские операции. Последний март-март в США закрылся в 1992 году и в Китае в 2001 году.

_{Источники:}

_{Spoerl, Joseph S. Краткая история производства чугуна и стали . Колледж Святого Ансельма.}

_{Всемирная ассоциация стали. WWW. steeluniversity. org}

_{Улица, Артур. & Alexander, W. O. 1944. Металлы на службе человека . 11-е издание (1998).}