Frá Iron Era til Bessemer Process og Modern Steelmaking
The Iron Age
Við mjög hátt hitastig byrjar járn að taka kolefni, sem lækkar bræðslumark málmsins, sem leiðir í steypujárni (2,5 til 4,5% kolefni). Þróun sprengjaofnanna, sem fyrst var notuð af kínversku á 6. öld f.Kr., En meira notað í Evrópu á miðöldum, jók framleiðslu á steypujárni.
Svín
Molt járn sem hlaut út úr sprengjaofnum og kælt í aðalrásinni og aðliggjandi jörð var nefnt svínjárn vegna þess að stórum, miðlægum og aðliggjandi minni götum líktist sápu og ungum grísum.
Steypujárn
Steypujárn er sterkt en þjáist af brothleness vegna kolefnisinnihalds þess, sem gerir það minna en tilvalið til að vinna og móta. Eins og málmvinnsluaðilar komust að því að hár kolefnisinnihaldið í járni var algengt í vandamáli brjótleiki, reyndu þeir nýjar aðferðir til að draga úr kolefnisinnihaldi til að gera járn meira nothæf.
Smurefni
Í lok 18. aldar lærði járnsmiður hvernig á að umbreyta steypuðum járni í lítinn kolefnis innihald unnu járn með því að nota puddling ofna (þróað af Henry Cort árið 1784). The ofna hituð steypt járn, sem þurfti að hræra af puddlers með löngum áratugum verkfæri, leyfa súrefni að sameina með og hægt að fjarlægja kolefni.
Þegar kolefnisinnihald minnkar, bráðnar bræðslumark járns, þannig að massi járns myndi safnast í ofninn. Þessir fjöldar yrðu fjarlægðar og unnu með smíðari hamar við puddlerinn áður en þeir voru rúllaðir í blöð eða teinn. Árið 1860 voru yfir 3000 puddling ofna í Bretlandi, en ferlið var hindrað af vinnu sinni og eldsneytisþrýstingi.
Þynnustykki
Eitt af elstu formum stáli , þynnupípu, hóf framleiðslu í Þýskalandi og Englandi á 17. öld og var framleiddur með því að auka kolefnisinnihald í steyptu járni með því að nota aðferð sem kallast sement. Í þessu ferli voru barir úr ollu lagskipt með duftarkol í steinakassa og hituð.
Eftir u.þ.b. viku, mun járnið taka við kolefninu í kolinu. Endurtekin hita myndi dreifa kolefnisjöfnun jafnt og niðurstaðan, eftir kælingu, var þynnustiku. Hærri kolefnisinnihaldið gerði þynnupakkann miklu meira nothæft en svínjár, sem gerir það kleift að ýta eða rúlla.
Blöðruframleiðsla í hálsi á 1740 þegar Benjamin Huntsman enska klukkustöðvarinnar, þegar hann leitaði að því að þróa hágæða stál fyrir klukka hans, komst að því að málmurinn gæti verið bráðinn í leirkrossum og hreinsaður með sérstökum hreyfingu til að fjarlægja gjall sem sementið fór á bak við. Niðurstaðan var deiglan eða steypt stál. En vegna framleiðslukostnaðar var bæði þynnupakkning og steypt stál eingöngu notað í sérgreinartækjum.
Þar af leiðandi var steypujárn sem gerður var í pólsku ofnum áfram aðalbyggingarmálið í iðnaðarríki Bretlands á flestum 19. öld.
The Bessemer Process og Modern Steelmaking
Vöxtur járnbrauta á 19. öld, bæði í Evrópu og Ameríku, lagði mikla þrýsting á járniðnaðinn, sem enn barðist við óhagkvæm framleiðsluferli. Stál var enn óprófað sem uppbygging málm og framleiðslu var hægur og dýr. Það var fyrr en 1856 þegar Henry Bessemer kom upp með skilvirkari leið til að kynna súrefni í steypt járn til að draga úr kolefnisinnihaldi.
Nú þekktur sem Bessemer aðferðin, Bessemer hannaði peru-laga geymi-vísað til sem "breytir"-þar sem járn gæti verið hituð á meðan súrefni gæti verið blásið í gegnum bráðna málm. Eftir því sem súrefni fór í gegnum bræddu málið myndi það hvarfast við kolefnið, losna koldíoxíð og framleiða meira hreint járn.
Ferlið var fljótlegt og ódýrt, að fjarlægja kolefni og sílikon úr járni á nokkrum mínútum en orðið fyrir árangri.
Of mikið kolefni var fjarlægt og of mikið súrefni var í endanlegri vöru. Bessemer þurfti að lokum endurgreiða fjárfestum sínum þar til hann gat fundið aðferð til að auka kolefnisinnihald og fjarlægja óæskilega súrefni.
Um svipaðan tíma keypti breskur málmfræðingur Robert Mushet og byrjaði að prófa efnasamband af járni, kolefni og mangan - þekktur sem spiegeleisen . Mangan var vitað að fjarlægja súrefni úr steyptum járni og kolefnishlutfallið í spiegeleisen, ef það var bætt í réttu magni, myndi leiða til lausnar á vandamálum Bessemer. Bessemer byrjaði að bæta við umbreytingarferlinu með góðum árangri.
Eitt vandamál hélst áfram. Bessemer hafði ekki fundið leið til að fjarlægja fosfór - skaðleg óhreinindi sem gerir stál brothætt - frá lokaprófi hans. Þar af leiðandi má aðeins nota fosfórlausa málmgrýti úr Svíþjóð og Wales.
Árið 1876 kom Welshman Sidney Gilchrist Thomas fram með lausnina með því að bæta við efnafræðilega grunnflæði-kalksteinn-til Bessemer ferlisins. Kalksteinninn dró fosfór úr svínjárinu í gjall, sem leyfði að fjarlægja óæskilegan þátt.
Þessi nýsköpun þýddi að lokum gæti járn frá hvar sem er í heiminum verið notað til að gera stál. Ekki kemur á óvart að stálframleiðslukostnaður fór að minnka verulega. Verð á stáljárnbrautum lækkaði meira en 80% á milli 1867 og 1884, vegna nýrra stálframleiðsluaðferða, að hefja vexti heimsins stáliðnaðar.
The Open Hearth Aðferð:
Á 18. áratugnum hefur þýska verkfræðingurinn Karl Wilhelm Siemens aukið stálframleiðslu með því að skapa uppreisnartímaferlið. Opið eldunarferlið framleiddi stál úr svínjárni í stórum grunnum ofnum.
Með háum hita til að brenna umfram kolefni og aðra óhreinindi byggði ferlið á upphitaða múrsteymishólfum undir eldstæði. Endurnýjunarofnar nota síðar útblástursloft úr ofni til að viðhalda háum hitastigi í múrsteinum.
Þessi aðferð leyfði framleiðslu á miklu stærri magni (50-100 tonn gæti verið framleiddur í einni ofni), reglubundið prófun á bráðnu stáli þannig að hægt væri að uppfylla tilteknar forskriftir og notkun ruslpípu sem hráefni . Þó að ferlið sjálft væri mun hægari, árið 1900 hafði opinn heilaferlið í stórum dráttum skipt Bessemer ferlinu.
Fæðing stáliðnaðarins:
Byltingin í framleiðslu stál sem veitti ódýrari, hærra gæði efnis, var viðurkennt af mörgum viðskiptamönnum dagsins sem fjárfestingartækifæri. Kapítalistar seint á 19. öld, þar á meðal Andrew Carnegie og Charles Schwab, fjárfestu og gerðu milljónir (milljarða í Carnegie) í stáliðnaði. US Steel Corporation Carnegie, stofnað árið 1901, var fyrsta fyrirtækið sem hefur verið hleypt af stokkunum metin á meira en einum milljarða dollara.
Electric Arc Furnace Steelmaking:
Rétt eftir aldamótin varð annar þróun sem myndi hafa mikil áhrif á þróun stálframleiðslu. Rafmagnsbogaofninn í Páll Heroult (EAF) var hannaður til að flytja rafstraum í gegnum innheimt efni, sem leiðir til exothermic oxunar og hitastig upp að 3272 ° F (1800 ° C), meira en nóg til að hita stálframleiðslu.
Upphaflega notuð fyrir sérgreinarstál, jókst EAFs í notkun og voru notuð í síðari heimsstyrjöldinni til framleiðslu á stálblendi. Lág fjárfestingarkostnaður við uppsetningu EAF-virkjunar leyft þeim að keppa við helstu framleiðendur Bandaríkjanna eins og US Steel Corp og Bethlehem Steel, sérstaklega í kolefnisstöðum eða langar vörur.
Þar eð EAF er hægt að framleiða stál úr 100% rusl- eða köldu járnfóðri þarf minni orka á framleiðslueiningu. Öfugt við grunn súrefnishita, er einnig hægt að stöðva aðgerðir og byrja með litlum tilkostnaði. Af þessum ástæðum hefur framleiðsla um EAF verið stöðugt vaxandi í yfir 50 ár og er nú um 33% af alþjóðlegum stálframleiðslu.
Súrefni Stálframleiðsla:
Meirihluti alþjóðlegra stálframleiðslu, um 66%, er nú framleiddur í grunnstofnum. Þróun aðferðar til að aðgreina súrefni úr köfnunarefni í iðnaðarskala á 1960, leyfði miklum framförum í þróun grunn súrefnis ofna.
Grunnu súrefnisofnar blása súrefni í miklu magni af steyptum járn- og ruslstálum og geta klárað hleðsluna miklu hraðar en opnum hitaaðferðum. Stór skip, sem innihalda allt að 350 tonn af járni, geta klárað viðskipti í stál í minna en eina klukkustund.
Kostnaðarhagkvæmni súrefnisstálframleiðslu gerði óhefðbundnar virkjunarverksmiðjur og í kjölfar komu súrefnisstálframleiðslu á sjöunda áratugnum byrjaði opnahreyfingin að loka. Síðasti eldstæði í Bandaríkjunum var lokað árið 1992 og í Kína árið 2001.
Heimildir:
Spoerl, Joseph S. Stutt saga um járn- og stálframleiðslu . Saint Anselm College.
Laus: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
The World Steel Association. Vefsíða: www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Málmar í þjónustu mannsins . 11. útgáfa (1998).