Краткая история стали и бессемеровского процесса

Доменные печи были впервые разработаны китайцами в 6 веке до нашей эры, но они были более широко использованы в Европе в средние века и увеличили производство чугуна. При очень высоких температурах железо начинает поглощать углерод, что снижает температуру плавления металла, в результате чего утюг (От 2,5 до 4,5 процентов углерода).

Чугун прочный, но страдает от хрупкости из-за содержания углерода, что делает его менее чем идеальным для обработки и формовки. По мере того как металлурги осознавали, что высокое содержание углерода в железе является центральной проблемой хрупкость, они экспериментировали с новыми методами снижения содержания углерода, чтобы сделать железо более работоспособный.

Современное сталелитейный эволюционировал с этих первых дней производства железа и последующих разработок в технологии.

К концу 18-го века производители стали изучать, как превратить чугун в чугунную ковку с использованием лужильных печей, разработанных Генри Кортом в 1784 году. Чугун - это расплавленный чугун, выходящий из доменных печей и охлаждаемый в основном канале и прилегающих к нему формах. Он получил свое название, потому что крупные, центральные и прилегающие меньшие слитки напоминали свиноматку и поросят.

Для изготовления кованого железа печи нагревали расплавленный чугун, который нужно было размешивать с помощью лужиц с помощью длинных инструментов в форме весла, позволяя кислороду соединяться и медленно удалять углерод.

По мере того, как содержание углерода уменьшается, температура плавления железа увеличивается, поэтому массы железа будут агломерироваться в печи. Эти массы будут удалены и обработаны кузнечным молотом у пудлера, прежде чем его свернуты в листы или рельсы. К 1860 году в Британии насчитывалось более 3000 пудж-печей, но этот процесс по-прежнему сдерживался трудоемкостью и интенсивностью использования топлива.

Блистерная сталь - одна из самых ранних форм стали- началось производство в Германии и Англии в 17 веке и было произведено путем увеличения содержания углерода в расплавленном чугуне с использованием процесса, известного как цементация. В этом процессе бруски из кованого железа наслаивали порошковым углем в каменных коробках и нагревали.

Примерно через неделю железо будет поглощать углерод в древесном угле. Повторный нагрев распределяет углерод более равномерно, и в результате после охлаждения получается черновая сталь. Более высокое содержание углерода делало черновую сталь намного более пригодной для обработки, чем чугун, что позволяло ее прессовать или прокатывать.

Производство черновой стали выросло в 1740-х годах, когда английский часовщик Бенджамин Хантсман обнаружил, что металл может быть расплавленным в глиняных тиглях и очищенным специальным флюсом для удаления шлака, оставленного процессом цементации. Охотник пытался разработать высококачественную сталь для своих часовых пружин. Результатом стал тигель или литая сталь. Однако из-за стоимости производства как черновая, так и литая сталь использовались только в специальных целях.

В результате чугун, изготовленный в лужильных печах, оставался основным конструкционным металлом при индустриализации Великобритании в течение большей части 19-го века.

Рост железных дорог в XIX веке как в Европе, так и в Америке оказал большое давление на металлургическую промышленность, которая все еще боролась с неэффективными производственными процессами. Сталь все еще не была испытана в качестве конструкционного металла, а производство было медленным и дорогостоящим. Это было до 1856 года, когда Генри Бессемер придумал более эффективный способ введения кислорода в расплавленное железо для снижения содержания углерода.

В настоящее время известный как процесс Бессемера, Бессемер разработал грушевидный сосуд, называемый конвертером, в котором железо можно нагревать, а кислород - продувать через расплавленный металл. Когда кислород проходит через расплавленный металл, он вступает в реакцию с углеродом, выделяя углекислый газ и производя более чистое железо.

Процесс был быстрым и недорогим, он удалял углерод и кремний из железа в считанные минуты, но страдал от слишком успеха. Слишком много углерода было удалено и слишком много кислорода осталось в конечном продукте. В итоге Бессемеру пришлось погасить своих инвесторов, пока он не смог найти метод увеличения содержания углерода и удаления нежелательного кислорода.

Примерно в то же время британский металлург Роберт Муше приобрел и начал испытывать соединения железа, углерода и марганецИзвестный как spiegeleisen. Известно, что марганец удаляет кислород из расплавленного железа, и содержание углерода в спигелейзене, если его добавлять в нужных количествах, обеспечит решение проблем Бессемера. Бессемер начал добавлять его в свой процесс преобразования с большим успехом.

Осталась одна проблема. Бессемеру не удалось найти способ удалить фосфор - вредную примесь, которая делает сталь хрупкой - из его конечного продукта. Следовательно, можно использовать только не содержащие фосфора руды из Швеции и Уэльса.

В 1876 году валлиец Сидни Гилкрист Томас предложил решение, добавив химически основной флюс - известняк - в процесс Бессемера. Известняк вытягивал фосфор из чугуна в шлак, позволяя удалить нежелательный элемент.

Это нововведение означало, что железная руда из любой точки мира, наконец, может быть использована для производства стали. Неудивительно, что затраты на производство стали стали значительно снижаться. Цены на стальной рельс упали более чем на 80 процентов в период с 1867 по 1884 год, что положило начало росту мировой сталелитейной промышленности.

В 1860-х годах немецкий инженер Карл Вильгельм Сименс еще больше расширил производство стали, создав мартеновский процесс. Это производило сталь из чугуна в больших неглубоких печах.

Используя высокие температуры для сжигания избыточного углерода и других примесей, процесс основывался на нагретых каменных камерах ниже очага. Регенеративные печи позже использовали выхлопные газы из печи для поддержания высоких температур в каменных камерах ниже.

Этот метод позволял производить гораздо большие количества (50-100 метрических тонн в одной печи), периодические испытания расплавленной стали, чтобы она могла быть изготовлена ​​в соответствии с конкретными спецификациями, а также использование лома стали материал. Хотя сам процесс был намного медленнее, к 1900 году процесс открытого мятежа в значительной степени заменил процесс Бессемера.

Революция в производстве стали, которая обеспечила более дешевый и высококачественный материал, была признана многими бизнесменами того времени инвестиционной возможностью. Капиталисты конца 19-го века, в том числе Эндрю Карнеги и Чарльз Шваб, инвестировал и сделал миллионы (миллиарды в случае Карнеги) в сталелитейной промышленности. Американская сталелитейная корпорация Карнеги, основанная в 1901 году, стала первой корпорацией, когда-либо оцененной в более чем 1 миллиард долларов.

Сразу после начала столетия электродуговая печь Пола Херулта (EAF) была разработана для пропускания электрического тока через заряженный материал, в результате экзотермического окисления и температуры до 3272 градусов по Фаренгейту (1800 градусов по Цельсию), более чем достаточно для нагрева стали производство.

Изначально использовавшиеся для специальных сталей, ЭДП стали более популярными, а ко Второй мировой войне использовались для производства стальных сплавов. Низкие инвестиционные затраты, связанные с созданием мельниц EAF, позволили им конкурировать с крупнейшими производителями США, такими как US Steel Corp. и Вифлеемская Сталь, особенно в углеродистых сталях или длинных продуктах.

Поскольку ЭДП могут производить сталь из 100-процентного лома или холодного черных металлов, требуется меньше энергии на единицу продукции. В отличие от основных кислородных очагов, операции также могут быть остановлены и начаты с небольшими сопутствующими расходами По этим причинам производство через EAF неуклонно росло в течение более 50 лет и составляло около 33 процентов мирового производства стали по состоянию на 2017 год.

Большая часть мирового производства стали - около 66 процентов - производится на основных кислородных установках. Разработка метода отделения кислорода от азота в промышленном масштабе в 1960-х годах позволила добиться значительных успехов в разработке базовых кислородных печей.

Базовые кислородные печи продувают кислород в большие количества расплавленного чугуна и металлолома и могут выполнять зарядку намного быстрее, чем мартеновские методы. Большие суда, вмещающие до 350 метрических тонн железа, могут полностью переоборудоваться в сталь менее чем за час.

Из-за экономической эффективности производства кислородной стали мартеновские заводы стали неконкурентоспособными, и после появления производства кислородной стали в 1960-х годах операции на открытом мартене начали закрываться. Последний мартеновский цех в США был закрыт в 1992 году, а в Китае последний - в 2001 году.

_{Источники:}

_{Шпёрл, Джозеф С. Краткая история производства чугуна и стали. Колледж Святого Ансельма.}

_{Доступный: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{Всемирная ассоциация стали. Интернет сайт: www.steeluniversity.org}

_{Улица, Артур. И Александр В. О. 1944. Металлы на службе у человека. 11-е издание (1998).}