Historie oceli od doby železné k elektrické obloukové pece

Vývoj oceli lze vysledovat až 4000 let na začátku doby železné. Tím, že se ukázalo, že je těžší a silnější než bronz, který byl dříve nejrozšířenějším kovem, železo začalo vyměňovat bronz do zbraně a nástrojů.

Po několik tisíců let však kvalita vyráběného železa závisí stejně na rudě, která je k dispozici, stejně jako na výrobních metodách.

Do 17. století byly vlastnosti železa dobře známy, ale rostoucí urbanizace v Evropě vyžadovala více univerzální konstrukční kov.

A do 19. století množství železa, které se spotřebovalo rozšiřováním železnic, poskytlo metalurgům finanční podnět k nalezení řešení křehkosti železa a neefektivních výrobních procesů.

Největší průlom v dějinách oceli přišel v roce 1856, kdy Henry Bessemer vyvinul účinný způsob, jak kyslík redukovat obsah uhlíku v železa: Narodil se moderní ocelářský průmysl.

- - -

Železná éra

Při velmi vysokých teplotách začne žehlička absorbovat uhlík, což snižuje teplotu tání kovu, což vede k litině (2,5 až 4,5% uhlíku ). Vývoj vysokých pecí, který poprvé používal Číňané v 6. století před naším letopočtem, ale rozšířenější v Evropě během středověku, zvýšil výrobu litiny.

Surové železo je roztavené železo vyvedené z vysokých pecí a chlazeno v hlavním kanálu a sousedních formách. Velké, střední a přilehlé menší ingoty připomínaly prasnici a kojenci.

Litina je silná, ale kvůli obsahu uhlíku je křehká, takže je méně než ideální pro práci a tvarování. Metallurgisté si uvědomili, že vysoký obsah uhlíku v železišti je pro problém křehkosti klíčový, experimentovali s novými metodami snižování obsahu uhlíku, aby se železo stalo funkčnějším.

Železáři se na konci 18. století naučil převádět litinu surového železa do tepaného železa s nízkým obsahem uhlíku pomocí loužících pecí (vyvinutých Henry Corem v roce 1784). Pece zahřívaly roztavené železo, které bylo nutné míchat

puddlery s použitím dlouhých nástrojů ve tvaru vesla, které umožnily kombinování kyslíku a pomalu odstraňovat uhlík. Když se obsah uhlíku snižuje, teplota tání železa se zvyšuje, takže v peci se hromadí hmota železa. Tyto hmoty by byly odstraněny a zpracovány pomocí kladiva kladivem puddlerem předtím, než budou váleny do plechů nebo kolejnic. V roce 1860 bylo v Británii více než 3000 pudlovských pecí, ale tento proces ztěžoval jeho práce a intenzita paliva.

Jedna z nejčasnějších forem oceli, blistrové oceli, se začala vyrábět v Německu a Anglii v 17. století a byla vyrobena zvýšením obsahu uhlíku v roztaveném surovém železe pomocí procesu známého jako cementace.V tomto procesu byly tyče z tepaného železa vrstveny práškovým uhlím v kamenných skříních a ohřívány.

Po asi týdnu by železo absorbovalo uhlík v uhlí. Opakované zahřívání by rozložilo uhlík rovnoměrněji a výsledkem po ochlazení byla bublina z oceli. Vyšší obsah uhlíku činil zhotovenou blistrovou ocel mnohem funkčnější než surové železo, což umožňovalo lisování nebo válcování.

Produkce blistrových ocelí se rozšířila v roce 1740, kdy anglický hodinář Benjamin Huntsman, když se pokoušel vyvinout vysoce kvalitní ocel pro své prameny, zjistil, že kov může být roztaven v jílových kelímcích a rafinován speciálním tokem pro odstranění strusky, cementační proces zanechal. Výsledkem byl kelímek nebo litá ocel. Avšak kvůli výrobním nákladům se jak blistrová, tak litá ocel byla používána pouze ve speciálních aplikacích.

Jako výsledek, litina vyrobená v loupacích pecích zůstala primárním konstrukčním kovem při industrializaci Británie během většiny 19. století.

Bessemerův proces a moderní ocelářství

Růst železnic v 19. století v Evropě i Americe vyvíjel velký tlak na železářský průmysl, který se stále potýkal s neefektivním výrobním procesem.

Přesto byla ocel stále neprokázaná jako konstrukční kov a výroba byla pomalá a nákladná. To bylo až do roku 1856, kdy Henry Bessemer přišel s účinnějším způsobem, jak přivádět kyslík do roztaveného železa, aby se snížil obsah uhlíku.

Nyní známý jako Bessemerův proces, Bessemer navrhl nádobu ve tvaru hrušky - označovanou jako "převodník" - v níž by mohlo být ohříváno železo, zatímco kyslík mohl být roztažen přes roztavený kov. Jakmile kyslík prochází roztaveným kovem, reaguje s uhlíkem, uvolňuje oxid uhličitý a produkuje čistší železo.

Proces byl rychlý a nenákladný, odstranil uhlík a křemík ze železa během několika minut, ale trpěl tím, že byl příliš úspěšný. Bylo odstraněno příliš mnoho uhlíku a v konečném produktu zůstalo příliš mnoho kyslíku. Bessemer nakonec musel splácet své investory, dokud nenajde způsob, jak zvýšit obsah uhlíku a odstranit nežádoucí kyslík.

Ve stejnou dobu získal britský metalurgát Robert Mushet a začal testovat sloučeninu ze železa, uhlíku a manganu - známého jako

speigeleisen . Mangan byl známý k odstranění kyslíku z roztaveného železa a obsah uhlíku v speigeleisen, pokud by byl přidán v správných množstvích, by poskytoval řešení Bessemerových problémů. Bessemer začal s velkým úspěchem přidávat do svého procesu konverze. Přesto zůstává jeden problém. Bessemer nedokázal najít způsob, jak odstranit fosfor - škodlivou nečistotu, která dělá ocel křehkou - ze svého konečného produktu. V důsledku toho by se mohla použít pouze ruda bez fosforu ze Švédska a Walesu.

V roce 1876 Welshman Sidney Gilchrist Thomas přišel s roztokem přidáním chemicky základního taveného vápence do procesu Bessemer. Vápenec vytáhl fosfor ze surového železa do strusky, což umožnilo odstranění nežádoucího prvku.

Tato inovace znamenala, že konečně železná ruda z jakéhokoli místa světa by mohla být použita k výrobě oceli. Není překvapením, že náklady na výrobu oceli začaly výrazně klesat. Ceny ocelových kolejnic klesly mezi lety 1867 a 1884 o více než 80% v důsledku nových technik výroby oceli, což vyvolalo růst světového ocelářského průmyslu.

Proces otevřeného ohřevu

V šedesátých letech minulého století německý inženýr Karl Wilhelm Siemens dále zlepšil výrobu oceli díky vytvoření procesu otevřeného krbu. Otevřený nístový proces produkoval oceli ze surového železa ve velkých plynotěsných pecích.

Při použití vysokých teplot pro spalování přebytečného uhlíku a jiných nečistot se proces opíral o vyhřívané cihlovou komoru pod krbem. Regenerativní pece později používaly výfukové plyny z pece k udržení vysokých teplot v cihelných komorách níže.

Tato metoda umožnila výrobu mnohem větších množství (v jedné peci bylo možné vyrobit 50-100 tun), pravidelné zkoušení roztavené oceli tak, aby bylo možno vyrobit tak, aby vyhovovalo specifikacím a použití šrotu jako suroviny. Ačkoli samotný proces byl mnohem pomalejší, do roku 1900 proces otevřeného krbu převážně nahradil Bessemerův proces.

Narození ocelářského průmyslu

Revolta ve výrobě oceli, která poskytla levnější a kvalitnější materiál, byla uznána mnoha obchodníky dnešního dne jako investiční příležitost. Kapitalisté z konce 19. století, včetně Andrewa Carnegieho a Charlese Schwaba, investovali a vyrobili miliony (miliardy v případě Carnegie) v ocelářském průmyslu. Společnost Carnegie US Steel Corporation, založená v roce 1901, byla první společností, která kdy byla spuštěna a měla hodnotu přesahující jednu miliardu dolarů.

Elektrická oblouková pec Výroba oceli

Již po přelomu století se objevil další vývoj, který by měl silný vliv na vývoj výroby oceli. Elektrická oblouková pec Paula Heroulta (EAF) byla navržena tak, aby prošla elektrickým proudem přes nabitý materiál, což vedlo k exotermní oxidaci a teplotám až 3272

° F (1800 ° C) dostatečné k ohřevu výroby oceli. Původně používané pro speciální oceli, EAF rostly a druhé světové války byly používány pro výrobu ocelových slitin. Nízké investiční náklady spojené s založením mlýnů EAF jim umožnily konkurovat velkým americkým výrobcům, jako jsou US Steel Corp. a Bethlehem Steel, zejména v uhlíkových ocelích nebo dlouhých výrobcích.

Vzhledem k tomu, že EAF mohou vyrábět ocel ze 100% šrotu nebo studeného železného krmivu, je zapotřebí menší energie na jednotku výroby. Na rozdíl od základních kyslíkových nádrží lze operace zastavit a začít s malými souvisejícími náklady. Z těchto důvodů se produkce prostřednictvím EAF neustále zvyšuje již více než 50 let a nyní představuje zhruba 33% světové výroby oceli.

Výroba kyslíku

Většina světové výroby oceli - přibližně 66% - se nyní vyrábí v základních zařízeních na výrobu kyslíku. Vývoj metody oddělení kyslíku od dusíku v průmyslovém měřítku v šedesátých letech umožnil významný pokrok ve vývoji základních kyslíkových pecí.

Základní kyslíkové pece vyfukují kyslík do velkých množství roztaveného železa a šrotu a mohou dokončit náplň mnohem rychleji než metody otevřeného krbu. Velké plavidla, které drží až 350 tun železa, mohou dokončit přestavbu na oceli za méně než jednu hodinu.

Nákladová efektivita výroby kyslíkového oceli vytvořila továrny s otevřeným krbem nekonkurenční a po nástupu výroby kyslíkového oceli v šedesátých letech se otevřely otevřené operace. Poslední otevřené ohnisko v USA bylo uzavřeno v roce 1992 av Číně v roce 2001.

Zdroje:

_{Spoerl, Joseph S.}

_{Stručná historie výroby železa a oceli . Vysoká škola Saint Anselm. Světová asociace oceli. www. ocelová rozmanitost. org}

_{Ulice, Arthura. & Alexander, W. O. 1944.}

_{Kovy v službě člověka . 11. vydání (1998).}