Aflați istoria de la epoca fierului la cuptoarele cu Arc Arc
Cu toate acestea, pentru următorii câțiva mii de ani, calitatea fierului produs ar depinde atât de mult de minereurile disponibile, cât și de metodele de producție.
Până în secolul al 17-lea, proprietățile fierului erau bine înțelese, dar creșterea urbanizării în Europa necesita un metal structural mai versatil.
Și până în secolul al XIX-lea, cantitatea de fier consumată prin extinderea căilor ferate a oferit metallurgiștilor cu stimulente financiare pentru a găsi o soluție la fragilitatea fierului și la procesele ineficiente de producție.
Fără îndoială, însă, progresul major în istoria oțelului a avut loc în 1856, când Henry Bessemer a dezvoltat o metodă eficientă de a folosi oxigenul pentru a reduce conținutul de carbon al fierului: sa născut industria modernă a oțelului.
Era fierului
La temperaturi foarte ridicate, fierul începe să absoarbă carbonul, ceea ce duce la scăderea punctului de topire al metalului, rezultând în fontă (2,5 până la 4,5% carbon). Dezvoltarea furnalelor, folosită pentru prima dată de chinezi în secolul al VI-lea î.Hr., dar folosită mai mult în Europa în Evul Mediu, a crescut producția de fontă.
Fierul de fier este un fier topit care iese din furnalele de răcire și este răcit într-un canal principal și în mucegaiurile adiacente. Lingourile mari mari, centrale și adiacente semanau cu o scroafă și cu purceii care sugeau.
Fonta este puternică, dar suferă de fragilitate datorită conținutului său de carbon, făcându-l mai puțin decât ideal pentru lucru și modelare. Pe măsură ce metalurgii au conștientizat că conținutul ridicat de carbon în fier era esențial pentru problema fragilității, ei au experimentat metode noi de reducere a conținutului de carbon pentru a face ferul mai eficient.
Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, producătorii de fierărie au învățat cum să transforme fonta turnată într-un fier forjat cu conținut redus de carbon, folosind cuptoare cu pudding (dezvoltate de Henry Cort în 1784). Cuptoarele încălzite fier topit, care trebuiau să fie agitate de băltoacii folosind unelte lungi, în formă de vînătoare , care să permită combinarea cu oxigen a carbonului și eliminarea lentă a acestuia.
Pe măsură ce conținutul de carbon scade, punctul de topire al fierului crește, astfel încât masele de fier se vor aglomera în cuptor. Aceste mase vor fi îndepărtate și lucrate cu un ciocan forjat de către puddler înainte de a fi laminate în foi sau șine. Până în 1860, în Marea Britanie existau peste 3000 de cuptoare, dar procesul a rămas îngreunat de munca și intensitatea combustibilului.
Una dintre cele mai vechi forme de oțel, oțel blister, a început producția în Germania și Anglia în secolul al XVII-lea și a fost produsă prin creșterea conținutului de carbon în fonta topită topită folosind un proces cunoscut sub denumirea de cimentare. În acest proces, barele din fier forjat au fost stratificate cu cărbune pulverizat în cutii de piatră și încălzite.
După aproximativ o săptămână, fierul va absorbi carbonul din cărbune. Încălzirea repetată ar distribui carbonul mai uniform și rezultatul, după răcire, a fost oțelul blister. Conținutul ridicat de carbon a făcut din oțelul blister mult mai eficient decât fonta, permițându-i să fie presată sau laminată.
Producția de oțel cu blistere a avansat în anii 1740, când ceasornicarul englez Benjamin Huntsman a încercat să dezvolte oțel de înaltă calitate pentru izvoarele sale de ceas, a constatat că metalul ar putea fi topit în creuzeturi de lut și rafinat cu un flux special pentru a îndepărta zgura care a rămas procesul de cimentare in spate. Rezultatul a fost creuzetul sau oțelul turnat. Dar, din cauza costului de producție, ambele blistere și oțeluri turnate au fost folosite doar în aplicații de specialitate.
Ca rezultat, fonta fabricată în cuptoarele de băltoace a rămas metalul structural principal în industrializarea Marii Britanii în cea mai mare parte a secolului al XIX-lea.
Procesul Bessemer și modernizarea oțelului
Creșterea căilor ferate în timpul secolului al XIX-lea, atât în Europa cât și în America, a pus o presiune puternică asupra industriei de fier, care încă se confrunta cu procese ineficiente de producție.
Cu toate acestea, oțelul nu a fost încă dovedit ca un metal structural, iar producția a fost lentă și costisitoare. Asta a fost până în 1856 când Henry Bessemer a venit cu o modalitate mai eficientă de a introduce oxigen în fierul topit pentru a reduce conținutul de carbon.
Acum, cunoscut sub numele de Procesul Bessemer, Bessemer a proiectat un recipient în formă de pară - numit un "convertor" - în care fierul ar putea fi încălzit în timp ce oxigenul ar putea fi suflat prin metalul topit. Când oxigenul trecea prin metalul topit, ar reacționa cu carbonul, eliberând dioxidul de carbon și producând un fier mai pur.
Procesul a fost rapid și ieftin, eliminând carbonul și siliciul din fier în câteva minute, dar a suferit de prea mult succes. Prea mult carbon a fost eliminat și prea mult oxigen a rămas în produsul final. În cele din urmă, Bessemer a trebuit să-și plătească investitorii până a găsit o metodă de creștere a conținutului de carbon și de eliminare a oxigenului nedorit.
În același timp, metalurgistul britanic Robert Mushet a achiziționat și a început să testeze un compus de fier, carbon și mangan - cunoscut ca speigeleisen . S-a spus că manganul elimină oxigenul din fierul topit, iar conținutul de carbon din spejgeleisen, dacă este adăugat în cantitățile potrivite, ar oferi soluția problemelor lui Bessemer. Bessemer a început să îl adauge la procesul său de conversie cu mare succes.
Cu toate acestea, încă mai rămâne o problemă. Bessemer nu a reușit să găsească o cale de îndepărtare a fosforului - o impuritate dăunătoare care face oțelul fragil - de la produsul final. În consecință, pot fi utilizate numai minereuri fără fosfor din Suedia și Țara Galilor.
În 1876, Welshman Sidney Gilchrist Thomas a venit cu soluția prin adăugarea unui calcar bazic chimic - procesului Bessemer. Piatra de calcar a scos fosforul din fontă în zgură, permițând îndepărtarea elementului nedorit.
Această inovație a însemnat că, în sfârșit, minereul de fier de oriunde din lume ar putea fi folosit pentru a produce oțel. Fara a fi surprinzator, costurile de productie din otel au inceput sa scada in mod semnificativ. Prețurile pentru șinele de oțel au scăzut cu mai mult de 80% între 1867 și 1884, ca urmare a noilor tehnici de producție a oțelului, inițierea creșterii industriei siderurgice mondiale.
Procesul Open Hearth
În anii 1860, inginerul german Karl Wilhelm Siemens a îmbunătățit și mai mult producția de oțel prin crearea procesului de vierme deschisă. Procesul deschis al vetrei a produs oțel din fontă în cuptoare mari cu adâncime.
Folosind temperaturi ridicate pentru a arde excesul de carbon și alte impurități, procesul sa bazat pe cărămizi încălzite sub vatră. Furnalele regeneratoare au folosit ulterior gazele de eșapament din cuptor pentru a menține temperaturile ridicate în camerele de cărămidă de mai jos.
Această metodă permite producerea unor cantități mult mai mari (50-100 de tone metrice ar putea fi produse într-un cuptor), testarea periodică a oțelului topit, astfel încât să poată fi realizată pentru a îndeplini specificațiile particulare și utilizarea oțelului rezidual ca materie primă . Deși procesul în sine a fost mult mai lent, până în 1900 procesul de vierme deschis a înlocuit în mare măsură procesul Bessemer.
Nașterea industriei siderurgice
Revoluția în producția de oțel, care a furnizat material mai ieftin, de calitate superioară, a fost recunoscută de mulți oameni de afaceri ai zilei ca o oportunitate de investiție. Capitaliștii de la sfârșitul secolului al XIX-lea, inclusiv Andrew Carnegie și Charles Schwab, au investit și au făcut milioane în industria siderurgică (miliarde în cazul lui Carnegie). Carnegie, US Steel Corporation, fondată în 1901, a fost prima corporație lansată vreodată în valoare de peste un miliard de dolari.
Cuptor cu arc electric
Imediat după transformarea secolului, sa produs o altă evoluție care ar avea o influență puternică asupra evoluției producției de oțel. Cuptorul cu arc electric al lui Paul Heroult (EAF) a fost conceput pentru a transmite un curent electric prin intermediul unui material încărcat, rezultând o oxidare exotermă și temperaturi de până la 1800 ° C, mai mult decât suficient pentru a încălzi producția de oțel.
Folosit inițial pentru oțelurile de specialitate, EAF-urile au crescut și în timpul celui de-al doilea război mondial au fost utilizate pentru fabricarea aliajelor de oțel. Costul redus al investițiilor implicat în înființarea fabricilor EAF le-a permis să concureze cu principalii producători americani, cum ar fi US Steel Corp și Bethlehem Steel, în special în oțelurile de carbon sau produse lungi.
Deoarece EAF pot produce oțel din resturi de 100% sau furaje feroase la rece, este nevoie de mai puțină energie pe unitate de producție. Spre deosebire de vetrele de oxigen de bază, operațiunile pot fi de asemenea oprite și începute cu un cost redus asociat. Din aceste motive, producția prin EAF a crescut constant de peste 50 de ani și reprezintă în prezent aproximativ 33% din producția globală de oțel.
Oxigenarea oțelului
Majoritatea producției globale de oțel - de aproximativ 66% - este acum produsă în instalațiile de oxigen de bază. Dezvoltarea unei metode de separare a oxigenului de azot la scară industrială în anii 1960 a permis avansuri majore în dezvoltarea cuptoarelor cu oxigen de bază.
Cuptoarele de oxigen de bază suflă oxigen în cantități mari de fier topit și oțel rezidual și pot completa încărcarea mult mai repede decât metodele deschise de vatră. Navele mari care dețin până la 350 de tone metale de fier pot transforma conversia în oțel în mai puțin de o oră.
Eficiența costurilor fabricării oțelului de oxigen a făcut ca fabricile de vesela deschise să fie necompetitive și, ca urmare a apariției producției de oxigen de oxigen în anii 1960, operațiunile de încălzire deschisă au început să se închidă. Ultima instalație de vase deschise din SUA a fost închisă în 1992 și în China în 2001.
surse:
Spoerl, Joseph S. O scurtă istorie a producției de fier și oțel. Colegiul Saint Anselm.
Asociația Mondială a Oțelului. www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metalele în serviciul omului . Ediția a 11-a (1998).