Lær historien fra jernalderen til elbueovne
For de følgende få tusinde år vil kvaliteten af det producerede jern dog afhænge af malmen, som er tilgængelig på produktionsmetoderne.
Ved det 17. århundrede blev jernens egenskaber godt forstået, men stigende urbanisering i Europa krævede et mere alsidigt strukturelt metal.
Og i det 19. århundrede gav mængden af jern, der blev forbrugt ved at udvide jernbanerne, metallurger med det økonomiske incitament til at finde en løsning på jernens skrøbelighed og ineffektive produktionsprocesser.
Uden tvivl var det store gennembrud i stålhistorien i 1856, da Henry Bessemer udviklede en effektiv måde at bruge ilt på for at reducere kulstofindholdet i jern: Den moderne stålindustri blev født.
Jernalderen
Ved meget høje temperaturer begynder jern at absorbere kulstof, hvilket sænker metalets smeltepunkt, hvilket resulterer i støbejern (2,5 til 4,5% kulstof). Udviklingen af højovne, som først blev brugt af kineserne i det 6. århundrede f.Kr., men mere udbredt i Europa i middelalderen, øgede produktionen af støbejern.
Svinejern er smeltet jern, der løber ud af højovnen og afkøles i en hovedkanal og tilstødende forme. De store, centrale og tilstødende mindre gødninger lignede en sugende og sugende grise.
Støbejern er stærkt, men lider af skørhed på grund af dets kulstofindhold, hvilket gør det mindre end ideelt til arbejde og formgivning. Som metallurger blev opmærksom på, at højt kulstofindhold i jern var centralt for problemet med brølhed, eksperimenterede de med nye metoder til reduktion af kulstofindholdet for at gøre jern mere brugbart.
Ved slutningen af det 18. århundrede lærte jernmagere, hvordan man omdannede støbejern til et kulstofindhold med smøreovne (udviklet af Henry Cort i 1784). Ovnen opvarmede smeltet jern, som måtte røres af pytter med lange, oarformede værktøjer, hvilket muliggør, at ilt kombineres med og langsomt fjerner kulstof.
Når kulstofindholdet falder, stiger jernens smeltepunkt, så masser af jern vil agglomerere i ovnen. Disse masser ville blive fjernet og arbejdet med en smed hammer af puddleren, før de blev rullet ind i plader eller skinner. I 1860 var der over 3000 pudseovne i Storbritannien, men processen blev fortsat forhindret af dets arbejde og brændstofintensivitet.
En af de tidligste former for stål, blisterstål, begyndte produktion i Tyskland og England i det 17. århundrede og blev produceret ved at øge kulstofindholdet i smeltet råjern ved hjælp af en proces, der kaldes cementering. I denne proces blev smedejernstænger lagdelt med pulveriseret kul i stenkasser og opvarmet.
Efter ca. en uge vil jernet absorbere kulet i kulet. Gentagen opvarmning ville fordele kulstof mere jævnt og resultatet, efter afkøling, var blisterstål. Det højere kulstofindhold gjorde blisterstål meget mere brugbart end råjern, så det kunne presses eller rulles.
Blisterstålproduktion avancerede i 1740'erne, da den engelske urmager Benjamin Huntsman forsøgte at udvikle et stål af høj kvalitet til sine urkilder, fandt ud af, at metallet kunne smeltes i lerkerner og raffineres med en særlig flux for at fjerne slagge, som cementeringsprocessen forlod bag. Resultatet var smeltedigel eller støbejern. Men på grund af produktionsomkostningerne var både blister og støbt stål kun blevet brugt i specialapplikationer.
Som et resultat forblev støbejern lavet i pølseovne det primære strukturelle metal i industrialisering af Storbritannien i løbet af det meste af det 19. århundrede.
Bessemerprocessen og Modern Steelmaking
Væksten i jernbaner i det 19. århundrede i både Europa og Amerika lagde stor pres på jernindustrien, som stadig kæmpede for ineffektive produktionsprocesser.
Men stål var stadig uprøvet som et strukturelt metal, og produktionen var langsom og dyr. Det var indtil 1856, da Henry Bessemer kom på en mere effektiv måde at introducere ilt i smeltet jern for at reducere kulstofindholdet.
Nu kendt som Bessemer-processen, designede Bessemer en pæreformet beholder, der betegnes som en "omformer", hvor jern kunne opvarmes, mens oxygen kunne blæst gennem det smeltede metal. Som ilt passerede gennem det smeltede metal ville det reagere med carbonet, frigive kuldioxid og producere et mere rent jern.
Processen var hurtig og billig, idet kuld og silicium blev fjernet fra jern i løbet af få minutter, men led for at være for vellykket. For meget kulstof blev fjernet, og for meget ilt forblev i slutproduktet. Bessemer måtte i sidste ende tilbagebetale sine investorer, indtil han kunne finde en metode til at øge kulstofindholdet og fjerne det uønskede ilt.
På omtrent samme tid købte den britiske metallurgist Robert Mushet og begyndte at teste en forbindelse af jern, kulstof og mangan som kendt som speigeleisen . Mangan var kendt for at fjerne oxygen fra smeltet jern, og kulstofindholdet i speigeleisen ville, hvis det blev tilsat i de rigtige mængder, give løsningen til Bessemer's problemer. Bessemer begyndte at tilføje det til sin konverteringsproces med stor succes.
Endnu er der stadig et problem. Bessemer havde undladt at finde en måde at fjerne fosfor på - en skadelig urenhed, som gør stål skør - fra sit slutprodukt. Derfor kunne kun fosforfri malm fra Sverige og Wales anvendes.
I 1876 kom Welshman Sidney Gilchrist Thomas op med løsningen ved at tilføje en kemisk basisk fluxkalksten til Bessemer-processen. Kalksten trak fosfor fra grisjernet ind i slaggen, så det uønskede element kunne fjernes.
Denne innovation indebar, at jernmalm fra alle steder i verden endelig kunne bruges til at lave stål. Ikke overraskende begyndte stålproduktionens omkostninger at falde betydeligt. Priserne på stålskinne faldt mere end 80% mellem 1867 og 1884 som et resultat af de nye stålproducerende teknikker, der påbegyndte væksten i verdens stålindustrien.
Open Hearth Process
I 1860'erne forbedrede tyskingeniør Karl Wilhelm Siemens yderligere stålproduktionen gennem sin oprettelse af åbenhaardsprocessen. Den åbne ildproces producerede stål fra råjern i store lavvandede ovne.
Ved hjælp af høje temperaturer for at forbrænde overskydende kulstof og andre urenheder, var processen baseret på opvarmede murstenkamre under ilden. Regenerative ovne brugte senere udstødningsgasser fra ovnen til at opretholde høje temperaturer i murstenskamrene nedenfor.
Denne metode tillod produktion af meget større mængder (50-100 tons kunne produceres i en ovn), periodisk afprøvning af det smeltede stål, så det kunne laves for at opfylde særlige specifikationer og brugen af skrotstål som råmateriale . Selv om selve processen var meget langsommere, havde 1900-tallet i høj grad erstattet Bessemer-processen.
Stålindustriens fødsel
Revolutionen i stålproduktion, der leverede billigere materiale af højere kvalitet, blev anerkendt af mange forretningsmænd af dagen som en investeringsmulighed. Kapitalister i slutningen af det 19. århundrede, herunder Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerede og lavede millioner (milliarder i Carnegie) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, der blev grundlagt i 1901, var det første selskab, der nogensinde blev lanceret til over en milliard dollars.
Electric Arc Furnace Steelmaking
Lige efter århundredeskiftet opstod en anden udvikling, der ville have en stærk indflydelse på udviklingen af stålproduktionen. Paul Heroults lysbueovn (EAF) blev designet til at passere en elektrisk strøm gennem ladet materiale, hvilket resulterede i eksoterm oxidation og temperaturer op til 1800 ° C, mere end nok til at varme stålproduktionen.
I første omgang blev det brugt til specialstål, voksede EAF'erne i brug og blev brugt til fremstilling af stållegeringer i anden verdenskrig. De lave investeringsomkostninger i forbindelse med oprettelsen af EAF-møller tillod dem at konkurrere med de store amerikanske producenter som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, især i kulstål eller lange produkter.
Fordi EAF'er kan producere stål fra 100% skrot- eller koldt jernholdigt foder, er der brug for mindre energi pr produktionsenhed. I modsætning til grundlæggende oxygen ildsteder kan operationer også stoppes og startes med lidt tilhørende omkostninger. Af disse grunde er produktionen via EAF'er steget støt i over 50 år og udgør nu ca. 33% af den globale stålproduktion.
Oxygen Steelmaking
Størstedelen af den globale stålproduktion - omkring 66% - er nu produceret i basiske iltfaciliteter. Udviklingen af en metode til adskillelse af ilt fra nitrogen i industriel skala i 1960'erne tillod store fremskridt i udviklingen af basiske oxygenovne.
Grundlæggende iltovne blæser ilt i store mængder smeltet jern og skrotstål og kan afslutte en ladning meget hurtigere end åbne haardmetoder. Store fartøjer med op til 350 tons jern kan færdiggøre omdannelse til stål på mindre end en time.
Omkostningseffektiviteten ved iltstålproduktion gjorde uhærdige fabrikker til uhyrede fabrikker og efter åbningen af iltstålfremstilling i 1960'erne begyndte åbenhaardsoperationerne at lukke. Den sidste åbenhaardsfacilitet i USA lukkede i 1992 og i Kina i 2001.
Kilder:
Spoerl, Joseph S. En kort historie om jern- og stålproduktion. Saint Anselm College.
World Steel Association. www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metaller i Service of Man . 11. udgave (1998).