Развитие стали можно проследить за 4000 лет до начала железного века. Оказавшись тверже и прочнее бронзы, которая раньше была наиболее широко используемым металлом, железо начали вытеснять бронзу в оружии и инструментах.
Однако в следующие несколько тысяч лет качество производимого железа будет зависеть как от доступной руды, так и от методов производства.
К 17 веку свойства железа были хорошо изучены, но растущая урбанизация Европы потребовала более универсального конструкционного металла. А к XIX веку количество железа, потребляемого расширением железных дорог, обеспечило металлурги с финансовым стимулом для решения проблемы хрупкости железа и неэффективных производственных процессов.
Однако, несомненно, самый прорыв в истории стали произошел в 1856 году, когда Генри Бессемер разработал эффективный способ использования кислорода для снижения содержания углерода в чугуне: современная сталелитейная промышленность была родившийся.
Эпоха железа
При очень высоких температурах железо начинает поглощать углерод, что снижает температуру плавления металла, в результате чего образуется чугун (от 2,5 до 4,5% углерода). Развитие доменных печей, впервые использованных китайцами в 6 веке до нашей эры, но более широко используемых в Европе в средние века, увеличило производство чугуна.
Чугун - это жидкий чугун, выходящий из доменных печей и охлаждаемый в основном канале и прилегающих к нему изложницах. Большие, центральные и примыкающие к ним более мелкие слитки напоминали свиноматку и поросят-сосунков.
Чугун прочен, но страдает хрупкостью из-за содержания углерода, что делает его менее идеальным для обработки и формовки. Когда металлурги осознали, что высокое содержание углерода в железе было центральной проблемой хрупкости, они экспериментировали с новыми методами снижения содержания углерода, чтобы сделать железо более работоспособный.
К концу 18 века производители чугуна научились превращать чугун в кованое железо с низким содержанием углерода с помощью пудлинговых печей (разработанных Генри Кортом в 1784 году). В печах нагревали расплавленное железо, которое нужно было перемешивать в лужах, используя длинные веслообразные инструменты, позволяя кислороду соединяться с углеродом и медленно удалять его.
По мере уменьшения содержания углерода температура плавления железа увеличивается, поэтому массы железа будут агломерироваться в печи. Эти массы удалялись и обрабатывались кузнечным молотком у лужи перед тем, как свернуть их в листы или рельсы. К 1860 году в Великобритании насчитывалось более 3000 печей для пудлинга, но процесс оставался затрудненным из-за трудоемкости и расхода топлива.
Одна из самых первых форм стали, блистерная сталь, была начата в Германии и Англии в 17 веке. века и производился путем увеличения содержания углерода в жидком чугуне с использованием процесса, известного как цементация. В этом процессе кованые бруски насыпали порошкообразным углем в каменные ящики и нагревали.
Примерно через неделю железо поглотит углерод из древесного угля. При повторном нагреве углерод распределяется более равномерно, и в результате после охлаждения получается черновая сталь. Более высокое содержание углерода сделало черновую сталь намного более пригодной для обработки, чем чугун, что позволяет прессовать или прокатывать ее.
Производство черновой стали значительно возросло в 1740-х годах, когда английский часовщик Бенджамин Хантсман пытался разработать высококачественную сталь для своих часов. пружины, обнаружили, что металл можно плавить в глиняных тиглях и очищать специальным флюсом для удаления шлака, оставшегося в процессе цементирования. позади. В результате получился тигель или литая сталь. Но из-за стоимости производства и блистерная, и литая сталь когда-либо использовались только для специальных целей.
В результате чугун, производимый в пудлинговых печах, оставался основным конструкционным металлом в индустриализации Британии на протяжении большей части 19 века.
Бессемеровский процесс и современное производство стали
Рост железных дорог в 19 веке как в Европе, так и в Америке оказал огромное давление на металлургическую промышленность, которая все еще боролась с неэффективными производственными процессами. Сталь все еще не использовалась в качестве конструкционного металла, а ее производство было медленным и дорогостоящим. Так было до 1856 года, когда Генри Бессемер изобрел более эффективный способ введения кислорода в расплавленное железо для уменьшения содержания углерода.
Теперь известный как Бессемеровский процесс, Бессемер разработал сосуд в форме груши, называемый «конвертером», в котором железо можно было нагревать, а кислород можно было продуть через расплавленный металл. Когда кислород проходит через расплавленный металл, он вступает в реакцию с углеродом, выделяя диоксид углерода и производя более чистое железо.
Процесс был быстрым и недорогим, он удалял нагар и кремний из железа за считанные минуты, но пострадала от того, что оказалась слишком успешной. Было удалено слишком много углерода, а в конечном продукте осталось слишком много кислорода. В конечном итоге Бессемеру пришлось расплачиваться со своими инвесторами до тех пор, пока он не нашел 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 марганец, известный как spiegeleisen. Было известно, что марганец удаляет кислород из расплавленного железа, и содержание углерода в spiegeleisen, если его добавлять в правильных количествах, могло бы решить проблемы Бессемера. Бессемер с большим успехом начал добавлять его в свой процесс обращения.
Осталась одна проблема. Бессемеру не удалось найти способ удалить фосфор, вредную примесь, которая делает сталь хрупкой, из своего конечного продукта. Следовательно, можно было использовать только бесфосфорную руду из Швеции и Уэльса.
В 1876 году валлиец Сидней Гилкрист Томас предложил решение, добавив химически основной флюс, известняк, в бессемеровский процесс. Известняк вытягивал фосфор из чугуна в шлак, позволяя удалить нежелательный элемент.
Это нововведение означало, что, наконец, железная руда из любой точки мира может быть использована для производства стали. Неудивительно, что затраты на производство стали стали значительно снижаться. В период с 1867 по 1884 год цены на стальные рельсы упали более чем на 80% в результате внедрения новых технологий производства стали, положившего начало росту мировой сталелитейной промышленности.
Процесс открытого очага
В 1860-х годах немецкий инженер Карл Вильгельм Сименс еще больше улучшил производство стали, создав мартеновский процесс. В мартеновском процессе сталь производилась из чугуна в больших неглубоких печах.
В процессе сжигания излишков углерода и других примесей при высоких температурах использовались нагретые кирпичные камеры под очагом. Позднее в регенеративных печах использовались выхлопные газы из печи для поддержания высоких температур в кирпичных камерах ниже.
Этот метод позволял производить намного большие количества (50-100 метрических тонн можно было произвести в одной печи), периодические испытания жидкой стали, чтобы она соответствовала конкретным спецификациям, и использование стального лома в качестве сырья материал. Хотя сам процесс шел намного медленнее, к 1900 году мартеновский процесс в основном заменил бессемеровский.
Рождение черной металлургии
Революция в производстве стали, которая позволила получить более дешевый и качественный материал, была признана многими бизнесменами того времени возможностью для инвестиций. Капиталисты конца 19 века, в том числе Эндрю Карнеги и Чарльз Шваб, инвестировали и заработали миллионы (миллиарды в случае Карнеги) в сталелитейную промышленность. US Steel Corporation Карнеги, основанная в 1901 году, была первой из когда-либо созданных корпораций стоимостью более одного миллиарда долларов.
Электродуговая печь сталеплавильное производство
На рубеже веков произошло еще одно событие, которое оказало сильное влияние на развитие производства стали. Электродуговая печь Пола Эру (EAF) была разработана для пропускания электрического тока через загруженный материал, что привело к экзотермическому окислению и температурам до 3272 ° C.°F (1800°C), более чем достаточно для нагрева стальной продукции.
Первоначально использовавшиеся для производства специальных сталей, ЭДП расширились и во время Второй мировой войны использовались для производства стальных сплавов. Низкие инвестиционные затраты на создание ЭДП позволили им конкурировать с крупными производителями США, такими как US Steel Corp. и Bethlehem Steel, особенно из углеродистой стали или сортового проката.
Поскольку в ЭДП можно производить сталь из 100% лома или холодных черных металлов, требуется меньше энергии на единицу продукции. В отличие от кислородных очагов, операции можно остановить и запустить с небольшими затратами. По этим причинам производство с помощью ЭДП неуклонно растет на протяжении более 50 лет и в настоящее время составляет около 33% мирового производства стали.
Кислородное производство стали
Большая часть мирового производства стали, около 66%, в настоящее время производится на базовых кислородных установках - разработка метода отделение кислорода от азота в промышленных масштабах в 1960-х годах позволило добиться значительных успехов в разработке основного кислорода. печи.
Основные кислородные печи продувают кислородом большие количества жидкого чугуна и стального лома и могут завершить загрузку намного быстрее, чем мартеновские методы. Большие емкости, вмещающие до 350 метрических тонн железа, могут завершить конверсию в сталь менее чем за час.
Экономическая эффективность кислородного производства стали сделала мартеновские заводы неконкурентоспособными, и, после появления кислородного производства стали в 1960-х годах, мартеновские производства начали закрываться. Последний мартеновский объект в США был закрыт в 1992 году, а в Китае - в 2001 году.