Kratka povijest čelika i Bessemerov proces

Visoke peći Kinezi su prvi razvili u 6. stoljeću prije Krista, ali oni su se u Europi raširenije koristili tijekom srednjeg vijeka i povećali proizvodnju lijevanog željeza. Pri vrlo visokim temperaturama željezo počinje apsorbirati ugljik, što smanjuje talište metala, što rezultira lijevanjem željezo (2,5 do 4,5 posto ugljika).

Lijevano željezo je snažno, ali trpi krhkost zbog sadržaja ugljika, što ga čini manje nego idealnim za rad i oblikovanje. Kao što su metalurzi postali svjesni da je visoki udio ugljika u željezu središnji problem ovog problema krhkost, eksperimentirali su s novim metodama za smanjenje sadržaja ugljika kako bi više željeza povećali obradiv.

moderan proizvodnje čelika razvio se od tih ranih dana izrade željeza i daljnjih razvoja tehnologije.

Krajem 18. stoljeća proizvođači željeza naučili su kako pretvoriti liveno željezo u kovano željezo s niskim udjelom ugljika pomoću peći za puding, koje je razvio Henry Cort 1784. Svinjsko željezo je rastaljeno željezo koje se troši iz visokih peći i hladi se u glavnom kanalu i susjednim kalupima. Ime je dobio po tome što su veliki, središnji i susjedni manji ingoti nalikovali prasićima i sisama.

Da bi se napravilo kovano željezo, peći su zagrijavale rastaljeno željezo koje je valjalo miješati lopovima koristeći dugačke alate u obliku vesla, omogućujući kisiku da se kombinira i polako uklanja ugljik.

Kako se sadržaj ugljika smanjuje, povećava se talište željeza, pa bi mase željeza aglomerirale u peći. Te bi se mase lovcima uklonile i radile čekićem za kovanje prije nego što bi ih valjali u plahte ili tračnice. Do 1860. u Britaniji je postojalo više od 3.000 lovačkih peći, ali proces je i dalje ometao njegova radna snaga i intenzivnost goriva.

Čelik od blistera - jedan je od najranijih oblika željezo—Počela je proizvodnja u Njemačkoj i Engleskoj u 17. stoljeću, a dobivena je povećanjem sadržaja ugljika u rastaljenom svinjskom željezu korištenjem postupka poznatog kao cementacija. U tom su se procesu šipke od kovanog željeza slojile drvenim ugljenom u prahu u kamenim kutijama i grijale.

Nakon otprilike tjedan dana, željezo bi apsorbiralo ugljik u drvenom uglju. Ponovno grijanje ravnomjernije bi raspodijelilo ugljik, a rezultat je, nakon hlađenja, čelik koji je pretvoren u blister. Veći udio ugljika čini čelik od blistera mnogo obradivim od sirovog željeza, omogućavajući mu prešanje ili kotrljanje.

Proizvodnja blistera od čelika napredovala je 1740-ih, kada je engleski proizvođač satova Benjamin Huntsman otkrio da metal može rastopiti u glinenim posudama i rafinirati posebnim fluksom kako bi se uklonila šljaka koju je ostao postupak cementiranja. Huntsman je pokušavao razviti visokokvalitetni čelik za svoje opruge na satu. Rezultat je bio liveni čelik. Zbog troškova proizvodnje, međutim, blister i lijevani čelik ikada su korišteni samo u specijalnim aplikacijama.

Kao rezultat toga, lijevano željezo napravljeno u lončanim pećima ostalo je osnovni konstrukcijski metal u industrializaciji Britanije tokom većeg dijela 19. stoljeća.

Rast željeznica tijekom 19. stoljeća i u Europi i u Americi vršio je veliki pritisak na željeznu industriju koja se i dalje borila s neučinkovitim proizvodnim procesima. Čelik je i dalje bio nedokazan kao konstrukcijski metal, a proizvodnja je bila sporo i skupo. To je bilo sve do 1856. godine, kada je Henry Bessemer smislio djelotvorniji način uvođenja kisika u rastaljeno željezo radi smanjenja sadržaja ugljika.

Sada poznat kao Bessemerov postupak, Bessemer je konstruirao spremnik u obliku kruške - koji se naziva pretvaračem - u kojem se željezo moglo zagrijavati, a kisik se mogao istopiti kroz rastaljeni metal. Kako je kisik prolazio kroz rastaljeni metal, on bi reagirao s ugljikom, oslobađajući ugljični dioksid i stvarajući čistije željezo.

Proces je bio brz i jeftin, uklanjajući ugljik i silicij iz željeza u nekoliko minuta, ali je pretjerano uspješan. Uklonjeno je previše ugljika, a previše kisika je ostalo u konačnom proizvodu. Bessemer je na kraju morao otplatiti svoje ulagače dok nije mogao pronaći metodu za povećanje sadržaja ugljika i uklanjanje neželjenog kisika.

Otprilike u isto vrijeme britanski metalurg Robert Mushet nabavio je i počeo ispitivati ​​spoj željeza, ugljika i mangan—Upoznat kao spiegeleisen. Za mangan je bilo poznato da uklanja kisik iz rastaljenog željeza, a sadržaj ugljika u spiegeleisenu, ako se doda u pravim količinama, pružio bi rješenje Bessemerovim problemima. Bessemer ga je započeo dodavati u procesu pretvorbe s velikim uspjehom.

Ostao je jedan problem. Bessemer nije uspio pronaći način da iz svog krajnjeg proizvoda ukloni fosfor - štetnu nečistoću koja čelik čini krhkim. Stoga bi se mogle koristiti samo rude bez fosfora iz Švedske i Walesa.

1876. Welshman Sidney Gilchrist Thomas smislio je rješenje dodavanjem kemijski osnovnog fluksa - vapnenca - Bessemerovom procesu. Vapnenac je iz sirovog željeza izvlačio fosfor u šljaku, omogućavajući uklanjanje neželjenih elemenata.

Ova inovacija značila je da se željezna ruda iz bilo kojeg mjesta na svijetu konačno može upotrijebiti za izradu čelika. Nije iznenađujuće što su se troškovi proizvodnje čelika počeli znatno smanjivati. Cijene čeličnih željeznica pale su više od 80 posto između 1867. i 1884., što je pokrenulo rast svjetske industrije čelika.

U 1860-im, njemački inženjer Karl Wilhelm Siemens još je više poboljšao proizvodnju čelika kroz stvaranje postupka na otvorenom ognjištu. To je proizvelo čelik od sirovog željeza u velikim plitkim pećima.

Koristeći visoke temperature za spaljivanje viška ugljika i drugih nečistoća, postupak se oslanjao na grijane komore od opeke ispod ognjišta. Regenerativne peći kasnije su koristile ispušne plinove iz peći za održavanje visokih temperatura u komorama od cigle ispod.

Ova metoda omogućila je proizvodnju mnogo većih količina (50-100 tona u jednoj peći), periodična ispitivanja rastaljenog čelika, tako da se on može ispuniti posebnim specifikacijama i upotrebom otpadnog čelika kao sirovog materijal. Iako je sam proces bio mnogo sporiji, proces otvorenog ognjišta do 1900. godine uvelike je zamijenio Bessemerov proces.

Revolucija u proizvodnji čelika koja je pružala jeftiniji i kvalitetniji materijal prepoznali su mnogi današnji gospodarstvenici kao investicijsku priliku. Kapitalisti s kraja 19. stoljeća, uključujući Andrew Carnegie i Charles Schwab, uložio i zaradio milijune (milijarde u slučaju Carnegieja) u industriji čelika. Carnegiejeva američka korporacija čelika, osnovana 1901, bila je prva korporacija koja je ikada vrijedna više od milijarde dolara.

Neposredno nakon prijelaza stoljeća, Paul Heroult električna lučna peć (EAF) dizajnirana je za prolazak električne struje kroz nabijeni materijal, što rezultira egzotermnom oksidacijom i temperaturama do 3.272 stupnja Farenheita (1.800 stupnjeva Celzija), više nego dovoljno za zagrijavanje čelika proizvodnja.

Prvobitno korišteni za specijalne čelike, EAF-ovi su se povećavali i u Drugom svjetskom ratu koristili su se za proizvodnju čeličnih legura. Niski troškovi ulaganja u osnivanju mlinova EAF-a omogućili su im da se natječu s glavnim američkim proizvođačima poput US Steel Corp. i Betlehemi čelik, posebno u ugljičnim čelikom ili dugim proizvodima.

Budući da EAF-ovi mogu proizvesti čelik iz stopostotne sirovine - ili hladnog željeza - potrebno je manje energije po jedinici proizvodnje. Za razliku od osnovnih ognjišta za kisik, operacije se mogu zaustaviti i započeti s malo povezanih troškova. Iz tih razloga, proizvodnja preko EAF-a neprestano se povećava više od 50 godina i čini oko 33 posto globalne proizvodnje čelika, od 2017. godine.

Većina globalne proizvodnje čelika - oko 66 posto - proizvodi se u osnovnim postrojenjima za kisik. Razvoj metode za odvajanje kisika od dušika u industrijskim razmjerima 1960-ih godina omogućio je značajan napredak u razvoju osnovnih peći za kisik.

Osnovne peći za kisik puše kisik u velikim količinama rastaljenog željeza i otpadnog čelika i mogu napuniti punjenje mnogo brže od metoda otvorenog ognjišta. Velike posude u kojima se nalazi do 350 metričkih tona željeza mogu završiti pretvaranje u čelik za manje od jednog sata.

Isplativost proizvodnje kisika od čelika učinila je tvornice otvorenih ognjišta nekonkurentnima, a nakon pojave proizvodnje čelika s kisikom u 1960-ima, operacije na otvorenom ognjištu počele su se zatvarati. Posljednji pogon otvorenog ognjišta u SAD-u zatvoren je 1992. i u Kini, a posljednji je zatvoren 2001. godine.

_izvori:

_{Spoerl, Joseph S. Kratka povijest proizvodnje željeza i čelika. Saint Anselm College.}

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

_{Svjetska udruga čelika. Web stranica: www.steeluniversity.org}

_{Ulica, Arthure. & Alexander, W. O. 1944. Metali u službi čovjeka. 11. izdanje (1998).}