Dejiny ocele

Vývoj oceľ možno vystopovať pred 4000 rokmi až do začiatku doby železnej. Dokázať, že je tvrdší a pevnejší ako bronz, ktorý bol predtým najpoužívanejším kovom, železo začal vytláčať bronz v zbraniach a nástrojoch.

Nasledujúcich niekoľko tisíc rokov však bude kvalita vyrábaného železa závisieť rovnako od dostupnej rudy, ako aj od výrobných metód.

Do 17. storočia boli vlastnosti železa dobre pochopené, ale rastúca urbanizácia v Európe si vyžadovala všestrannejší konštrukčný kov. A do 19. storočia bolo k dispozícii množstvo železa spotrebovaného pri rozširovaní železníc hutníci s finančným podnetom na nájdenie riešenia krehkosti železa a neefektívnych výrobných procesov.

Nepochybne však najväčší prielom v histórii ocele nastal v roku 1856, keď sa vyvinul Henry Bessemer efektívny spôsob využívania kyslíka na zníženie obsahu uhlíka v železe: Moderný oceliarsky priemysel bol narodený.

Éra železa

Pri veľmi vysokých teplotách začne železo absorbovať uhlík, čo znižuje teplotu topenia kovu, čo má za následok liatinu (2,5 až 4,5% uhlíka). Vývoj vysokých pecí, ktoré ako prvé začali používať Číňania v 6. storočí pred naším letopočtom, ale v Európe sa používali v stredoveku čoraz častejšie, zvýšil výrobu liatiny.

buy instagram followers

Surové železo je roztavené železo, ktoré vyteká z vysokých pecí a ochladzuje sa v hlavnom kanáli a priľahlých formách. Veľké, stredné a susedné menšie zliatky pripomínali prasnicu a ciciaky.

Liatina je silná, ale trpí krehkosťou kvôli obsahu uhlíka, takže je menej ako ideálna na opracovanie a tvarovanie. Keď si metalurgovia uvedomili, že vysoký obsah uhlíka v železe je ústredným problémom problému krehkosť experimentovali s novými metódami znižovania obsahu uhlíka, aby sa železo stalo viac uskutočniteľné.

Koncom 18. storočia sa železiari naučili, ako pomocou lúhovacích pecí transformovať liatinové surové železo na tepané železo s nízkym obsahom uhlíka (vyvinuté Henrym Cortom v roku 1784). V peciach sa ohrievalo roztavené železo, ktoré museli pudlári miešať pomocou dlhých nástrojov v tvare vesla, čo umožňovalo kombináciu kyslíka s pomalým odstraňovaním uhlíka.

Keď obsah uhlíka klesá, zvyšuje sa teplota topenia železa, takže by sa masy železa v peci zhlukovali. Tieto hmoty by bol odstránený a kováčskym kladivom spracovaný pudlárom pred tým, ako by sa zvalil do plechov alebo koľajníc. Do roku 1860 v Británii fungovalo viac ako 3 000 pudlovacích pecí, procesu však naďalej bránila jeho náročnosť na prácu a palivo.

Jedna z najskorších foriem ocele, blistrová oceľ, sa začala vyrábať v Nemecku a Anglicku 17. dňa storočia a bol vyrobený zvýšením obsahu uhlíka v roztavenom surovom železe pomocou procesu známeho ako cementácia. V tomto procese boli tyče z tepaného železa vrstvené práškovým dreveným uhlím v kamenných debnách a zahrievané.

Asi po týždni by železo absorbovalo uhlík v drevenom uhlí. Opakované zahrievanie by rovnomerne distribuovalo uhlík a výsledkom po ochladení bola oceľ z blistra. Vyšší obsah uhlíka spôsobil, že blisterová oceľ bola oveľa praktickejšia ako surové železo, čo umožnilo jej lisovanie alebo valcovanie.

Výroba blistrových ocelí pokročila v 40. rokoch 20. storočia, keď sa anglický hodinár Benjamin Huntsman snažil vyvinúť vysoko kvalitnú oceľ pre svoje hodiny pružiny, zistili, že kov je možné roztaviť v hlinených téglikoch a rafinovať pomocou špeciálneho taviva, aby sa odstránila troska, ktorú zanechal cementačný proces vzadu. Výsledkom bol téglik alebo odliatok z ocele. Ale kvôli výrobným nákladom sa blistrová aj liatinová oceľ používali iba v špeciálnych aplikáciách.

Výsledkom bolo, že liatina vyrobená v pudlovacích peciach zostala počas väčšiny 19. storočia hlavným priemyselným kovom v industrializácii Británie.

Bessemerov proces a moderná výroba ocele

Rast železníc v priebehu 19. storočia v Európe aj v Amerike vytvoril obrovský tlak na železiarsky priemysel, ktorý stále zápasil s neefektívnymi výrobnými procesmi. Oceľ stále nebola dokázaná ako kovový konštrukcia a výroba produktu bola pomalá a nákladná. To bolo až do roku 1856, keď Henry Bessemer prišiel s účinnejším spôsobom zavedenia kyslíka do roztaveného železa na zníženie obsahu uhlíka.

Teraz známy ako Bessemerov proces, Bessemer navrhol nádobu v tvare hrušky, ktorá sa označuje ako „prevádzač“, v ktorom sa mohlo ohrievať železo, zatiaľ čo kyslík sa mohol vháňať cez roztavený kov. Keď kyslík prechádzal roztaveným kovom, reagoval s uhlíkom, uvoľňoval oxid uhličitý a produkoval čistejšie železo.

Proces bol rýchly a lacný, odstránenie uhlíka a kremík zo železa v priebehu niekoľkých minút, ale trpel prílišnou úspešnosťou. Odstránilo sa príliš veľa uhlíka a v konečnom produkte zostalo príliš veľa kyslíka. Bessemer nakoniec musel splatiť svojim investorom, kým nenašiel spôsob, ako zvýšiť obsah uhlíka a odstrániť nežiaduci kyslík.

Približne v rovnakom čase britský metalurg Robert Mushet získal a začal testovať zlúčeninu železa, uhlíka a mangán, známy ako spiegeleisen. Bolo známe, že mangán odstraňuje kyslík z roztaveného železa a obsah uhlíka v spiegeleisen, ak je pridávaný v správnom množstve, by poskytoval riešenie Bessemerových problémov. Bessemer ho začal s veľkým úspechom pridávať do svojho procesu premeny.

Jeden problém zostal. Bessemer nedokázal nájsť spôsob, ako z jeho konečného produktu odstrániť fosfor, škodlivú nečistotu, ktorá spôsobuje krehkosť ocele. V dôsledku toho sa mohla používať iba ruda bez fosforu zo Švédska a Walesu.

V roku 1876 prišiel Walesan Sidney Gilchrist Thomas s riešením pridaním chemicky zásaditého tavidla, vápenca, do Bessemerovho procesu. Vápenec čerpal fosfor zo surového železa do trosky a umožňoval odstránenie nežiaduceho prvku.

Táto inovácia znamenala, že konečne sa zo železnej rudy z celého sveta mohla vyrábať oceľ. Nie je prekvapením, že náklady na výrobu ocele začali výrazne klesať. Ceny oceľových koľajníc medzi rokmi 1867 a 1884 poklesli o viac ako 80% v dôsledku nových techník výroby ocele, ktoré iniciovali rast svetového oceliarskeho priemyslu.

Proces otvoreného krbu

V 60. rokoch 19. storočia nemecký inžinier Karl Wilhelm Siemens ďalej posilnil výrobu ocele vytvorením procesu otvoreného ohňa. Procesom s otvoreným ohniskom sa vyrábala oceľ zo surového železa vo veľkých plytkých peciach.

Proces využívajúci vysoké teploty na spálenie prebytočného uhlíka a iných nečistôt sa spoliehal na vyhrievané tehlové komory pod ohniskom. Regeneračné pece neskôr používali výfukové plyny z pece na udržiavanie vysokých teplôt v tehlových komorách dole.

Táto metóda umožňovala výrobu oveľa väčších množstiev (v jednej peci sa dalo vyrobiť 50 - 100 metrických ton), periodicky testovanie roztavenej ocele tak, aby bolo možné vyrobiť ju tak, aby vyhovovala konkrétnym špecifikáciám a použitiu oceľového šrotu ako suroviny materiál. Aj keď samotný proces bol oveľa pomalší, do roku 1900 otvorený krb primárne nahradil Bessemerov proces.

Zrod oceliarskeho priemyslu

Revolúcia vo výrobe ocele, ktorá poskytla lacnejší a kvalitnejší materiál, bola mnohými vtedajšími podnikateľmi uznaná ako investičná príležitosť. Kapitalisti z konca 19. storočia, vrátane Andrewa Carnegieho a Charlesa Schwaba, investovali a zarobili milióny (v prípade Carnegieho miliardy) v oceliarskom priemysle. Carnegie's US Steel Corporation, založená v roku 1901, bola prvou spoločnosťou založenou v hodnote viac ako jednej miliardy dolárov.

Výroba ocele s elektrickým oblúkom

Tesne po prelome storočí nastal ďalší vývoj, ktorý by mal silný vplyv na vývoj výroby ocele. Elektrická oblúková pec (EAF) od Paula Heroulta bola navrhnutá tak, aby prechádzala elektrickým prúdom cez nabitý materiál, čo malo za následok exotermickú oxidáciu a teploty až 3272°F (1800°C), viac ako dostatočné na výrobu ocele.

Spočiatku sa používali pre špeciálne ocele, EAF sa začali čoraz viac používať a počas druhej svetovej vojny sa používali na výrobu oceľových zliatin. Nízke investičné náklady spojené so zakladaním závodov EAF im umožnili konkurovať veľkým producentom z USA, ako je US Steel Corp. a Betlehemská oceľ, najmä v uhlíkových oceliach alebo v dlhých výrobkoch.

Pretože EAF môžu vyrábať oceľ zo 100% šrotu alebo zo studeného železa, krmit sa, je potrebných menej energie na jednotku výroby. Na rozdiel od základných kyslíkových ohnísk možno prevádzku tiež zastaviť a zahájiť s malými nákladmi. Z týchto dôvodov sa výroba prostredníctvom EAF ustavične zvyšuje už viac ako 50 rokov a v súčasnosti predstavuje asi 33% globálnej výroby ocele.

Výroba kyslíkovej ocele

Väčšina globálnej výroby ocele, asi 66%, sa dnes vyrába v základných kyslíkových zariadeniach - vývoj metódy na Oddelenie kyslíka od dusíka v priemyselnom meradle v 60. rokoch umožnilo zásadný pokrok vo vývoji zásaditého kyslíka pece.

Základné kyslíkové pece vháňajú kyslík do veľkého množstva roztaveného železa a oceľového šrotu a môžu dobíjanie dokončiť oveľa rýchlejšie ako metódy s otvoreným ohniskom. Veľké plavidlá s objemom až 350 metrických ton železa môžu dokončiť premenu na oceľ za menej ako jednu hodinu.

Vďaka nákladovej efektívnosti výroby kyslíkovej ocele boli továrne na výrobu otvoreného ohňa nekonkurencieschopné a po nástupe výroby kyslíkovej ocele v 60. rokoch sa začali operácie s otvoreným ohniskom zatvárať. Posledné otvorené ohnisko v USA bolo zatvorené v roku 1992 a Čína v roku 2001.

instagram story viewer