Stručná história ocele a Bessemerovho procesu

Vysoké pece boli prvýkrát vyvinuté Číňanmi v 6. storočí B.C., ale v Európe sa v stredoveku častejšie používali a zvyšovali výrobu liatiny. Pri veľmi vysokých teplotách železo začne absorbovať uhlík, ktorý znižuje teplotu topenia kovu, čo má za následok liatie železo (2,5 až 4,5% uhlíka).

Liatina je silná, ale kvôli svojmu obsahu uhlíka trpí krehkosťou, čo ju robí menej ako ideálnou na obrábanie a tvarovanie. Ako si metalurgovia uvedomili, že vysoký obsah uhlíka v železe bol ústredným problémom problému krehkosť, experimentovali s novými metódami na zníženie obsahu uhlíka, aby sa železo stalo viac uskutočniteľný.

moderný oceliarstvo Vyvinul sa z týchto prvých dní výroby železa a následného technologického vývoja.

Koncom 18. storočia sa výrobcovia železa naučili, ako pomocou lúpacích pecí, ktoré vyvinul Henry Cort v roku 1784, premeniť liate surové železo na nízko uhlíkové kované železo. Surové železo je roztavené železo, ktoré je vytláčané z vysokých pecí a ochladené v hlavnom kanáli a priľahlých formách. Svoje meno dostala preto, že veľké, stredné a priľahlé menšie ingoty pripomínali prasnicu a ciciaky.

Na výrobu kujného železa ohrievali pece roztavené železo, ktoré bolo potrebné miešať pudinkami pomocou dlhých nástrojov v tvare vesla, čo umožnilo kyslíku kombinovať sa s uhlíkom a pomaly ho odstraňovať.

Keď sa obsah uhlíka znižuje, teplota topenia železa sa zvyšuje, takže v peci by sa hromadilo množstvo železa. Tieto masy by sa odstránili a pracovali s kováčskym kladivom u kaluže pred valcovaním do plechov alebo koľajníc. Do roku 1860 bolo v Británii viac ako 3 000 pudingových pecí, ale tento proces bol naďalej brzdený náročnosťou na prácu a palivo.

Pľuzgierová oceľ - jedna z prvých foriem oceľ- výroba baníctva v Nemecku a Anglicku v 17. storočí a bola vyrobená zvýšením obsahu uhlíka v roztavenom surovom železe pomocou procesu známeho ako cementácia. V tomto procese boli tyče z kujného železa vrstvené práškovým uhlím v kamenných debnách a zohrievané.

Asi po týždni by železo absorbovalo uhlík v drevenom uhlí. Opakované zahrievanie by distribuovalo uhlík rovnomernejšie a výsledkom bolo po ochladení blistrová oceľ. Vďaka vyššiemu obsahu uhlíka bola blistrová oceľ oveľa lepšie spracovateľná ako surové železo, čo umožnilo jej lisovanie alebo valcovanie.

Výroba blistrovej ocele pokročila v 40. rokoch 20. storočia, keď anglický hodinár Benjamin Huntsman zistil, že kov môže byť roztavený v hlinených téglikoch a rafinovaný špeciálnym tokom, aby sa odstránila troska, ktorá po procese cementácie zostala. Huntsman sa snažil vyvinúť vysoko kvalitnú oceľ pre svoje hodinové pružiny. Výsledkom bola téglik - alebo liata - oceľ. Z dôvodu výrobných nákladov sa však blistri aj liata oceľ používali len v špeciálnych aplikáciách.

Výsledkom bolo, že liatina vyrábaná v kalucových peciach zostala hlavným priemyselným kovom pri industrializácii Británie počas väčšiny 19. storočia.

Rast železníc v 19. a 19. storočí v Európe a Amerike vyvíjal veľký tlak na železiarsky priemysel, ktorý stále zápasil s neefektívnymi výrobnými procesmi. Ocel nebola stále dokázaná ako konštrukčný kov a výroba bola pomalá a nákladná. To bolo až do roku 1856, keď Henry Bessemer prišiel s efektívnejším spôsobom zavádzania kyslíka do roztaveného železa na zníženie obsahu uhlíka.

Teraz známy ako Bessemerov proces, Bessemer navrhol hruškovitú nádobu - označovanú ako konvertor -, v ktorej by sa mohlo ohriať železo, zatiaľ čo kyslík by sa mohol fúkať cez roztavený kov. Keď kyslík prešiel cez roztavený kov, reagoval by s uhlíkom, uvoľňoval oxid uhličitý a produkoval čistejšie železo.

Tento proces bol rýchly a lacný, odstraňoval uhlík a kremík zo železa v priebehu niekoľkých minút, ale trpel prílišným úspechom. Odstránilo sa príliš veľa uhlíka a v konečnom produkte zostalo príliš veľa kyslíka. Bessemer nakoniec musel svojim investorom splatiť, kým nenašiel spôsob na zvýšenie obsahu uhlíka a odstránenie nežiaduceho kyslíka.

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 sa pridá v správnych množstvách, by poskytol riešenie Bessemerových problémov. Bessemer ho s veľkým úspechom pridal do procesu premeny.

Jeden problém zostal. Bessemerovi sa nepodarilo nájsť spôsob, ako odstrániť fosfor - škodlivú nečistotu, ktorá spôsobuje krehkosť ocele - z jeho konečného produktu. Preto sa mohli použiť iba rudy bez fosforu zo Švédska a Walesu.

V roku 1876 Welshman Sidney Gilchrist Thomas prišiel s riešením pridaním chemicky bázického tavidla - vápenca - k Bessemerovmu procesu. Vápenec čerpal fosfor z surového železa do trosky, čo umožnilo odstránenie nežiaduceho prvku.

Táto inovácia znamenala, že železná ruda odkiaľkoľvek na svete by sa mohla nakoniec použiť na výrobu ocele. Niet divu, že náklady na výrobu ocele začali výrazne klesať. Ceny oceľovej železnice medzi rokmi 1867 a 1884 poklesli o viac ako 80 percent, čím sa začal rast svetového oceliarskeho priemyslu.

V šesťdesiatych rokoch 20. storočia nemecký inžinier Karl Wilhelm Siemens ďalej rozšíril výrobu ocele vytvorením procesu otvoreného krbu. Takto sa vyrobila oceľ zo surového železa vo veľkých plytkých peciach.

Pri vysokých teplotách na spaľovanie prebytočného uhlíka a iných nečistôt sa proces spoliehal na vyhrievané tehlové komory pod krbom. Regeneračné pece neskôr využívali výfukové plyny z pece na udržanie vysokých teplôt v tehlových komorách pod nimi.

Táto metóda umožňovala výrobu oveľa väčších množstiev (50 - 100 metrických ton v jednej peci), periodické testovanie roztavenej ocele, aby mohla byť vyrobená tak, aby spĺňala konkrétne špecifikácie, a použitie oceľového šrotu ako surového materiálu Materiál. Aj keď samotný proces bol omnoho pomalší, do roku 1900 bol proces Bessemerov proces nahradený otvoreným ohniskom.

Revolúcia vo výrobe ocele, ktorá poskytla lacnejší a kvalitnejší materiál, bola mnohými obchodníkmi považovaná za investičnú príležitosť. Kapitalisti konca 19. Storočia vrátane Andrew Carnegie a Charles Schwab, investoval a zarobil milióny (miliardy v prípade Carnegie) v oceliarskom priemysle. US Steel Corporation v Carnegie, založená v roku 1901, bola prvou spoločnosťou, ktorá kedy ocenila viac ako 1 miliardu dolárov.

Hneď po prelome storočia bola navrhnutá elektrická oblúková pec Paula Heroulta (EAF), ktorá prechádza elektrický prúd cez nabitý materiál, čo má za následok exotermickú oxidáciu a teploty až do 3 272 stupňov Fahrenheita (1 800 stupňov Celzia), čo je viac ako dostatočné na zahriatie ocele výroby.

EAF, ktoré sa pôvodne používali na výrobu špeciálnych ocelí, rástli v používaní a druhá svetová vojna sa používala na výrobu oceľových zliatin. Nízke investičné náklady spojené so zriaďovaním závodov na výrobu EAF im umožnili konkurovať hlavným americkým výrobcom, ako je US Steel Corp. a Bethlehem Steel, najmä v uhlíkových oceliach alebo dlhých výrobkoch.

Pretože EAF dokážu vyrobiť oceľ zo 100 percentného šrotu alebo studeného železa, je potrebná menšia energia na jednotku výroby. Na rozdiel od základných kyslíkových krbu sa operácie môžu zastaviť a začať s malými pridruženými nákladmi. Z týchto dôvodov sa výroba prostredníctvom EAF stabilne zvyšuje už viac ako 50 rokov a od roku 2017 predstavovala asi 33 percent celosvetovej výroby ocele.

Väčšina globálnej výroby ocele - asi 66 percent - sa vyrába v zariadeniach na základné kyslík. Vývoj metódy na oddelenie kyslíka od dusíka v priemyselnom meradle v 60. rokoch umožnil významné pokroky vo vývoji pecí na základné kyslík.

Základné kyslíkové pece vyfukujú kyslík do veľkého množstva roztaveného železa a oceľového šrotu a dokážu dokončiť nabíjanie oveľa rýchlejšie ako metódy s otvoreným ohňom. Veľké plavidlá s obsahom až 350 ton železa môžu dokončiť konverziu na oceľ za menej ako jednu hodinu.

Nákladová efektívnosť výroby kyslíkovej ocele spôsobila, že otvorené továrne na krbu boli nekonkurenčné, a po príchode výroby kyslíkovej ocele v 60. rokoch 20. storočia sa operácie s otvoreným ohňom začali uzatvárať. Posledné otvorené ohnisko v USA bolo zatvorené v roku 1992 a v Číne, posledné zatvorené v roku 2001.

_zdroj:

_{Spoerl, Joseph S. Stručná história výroby železa a ocele. Vysoká škola Saint Anselm.}

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

_{Svetová asociácia ocele. Webové stránky: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Kovy v službe človeka. 11. vydanie (1998).}