Kratka zgodovina jekla in Bessemerjev postopek

Kitajci so prvi razvili Kitajci v 6. stoletju pred našim štetjem, vendar so jih v Evropi v srednjem veku bolj uporabljali in povečali proizvodnjo litega železa. Pri zelo visokih temperaturah začne železo absorbirati ogljik, kar znižuje tališče kovine, kar ima za posledico lito železo (2,5 do 4,5 odstotka ogljika).

Lito železo je močno, vendar zaradi svoje vsebnosti ogljika trpi krhkost, zaradi česar je manj kot idealno za delo in oblikovanje. Ko so metalurgi spoznali, da je visoka vsebnost ogljika v železu ključnega pomena za problem krhkost, eksperimentirali so z novimi metodami za zmanjšanje vsebnosti ogljika, da bi železo naredili več izvedljiv.

Sodobna jeklarstvo se je razvil iz teh zgodnjih dni pridobivanja železa in kasnejših razvojnih tehnologij.

Že v poznem 18. stoletju so se izdelovalci železa naučili, kako pretvoriti lito surovo železo v nizkoogljično kovano železo s pomočjo peči za luženje, ki jih je leta 1784 razvil Henry Cort. Surovo železo je staljeno železo, ki ga zmanjka plavžev in hladi v glavnem kanalu in sosednjih kalupih. Ime je dobila po tem, da so veliki, osrednji in sosednji manjši ingoti spominjali na svinje in dojilje.

Za izdelavo kovanega železa so peči segrevale staljeno železo, ki so ga mešali luže z dolgimi orodji v obliki vesla, kar je omogočilo, da se kisik kombinira in počasi odstrani ogljik.

Ko se vsebnost ogljika zmanjšuje, se tališče železa povečuje, zato bi mase železa aglomerirale v peči. Te mase bi lužnik odstranil in obdeloval s kovalnim kladivom, preden so ga zavili v rjuhe ali tirnice. Do leta 1860 je bilo v Veliki Britaniji več kot 3000 peči za luže, vendar je postopek še naprej oviral njegova delovna sila in intenzivnost goriva.

Pretisno jeklo - ena najzgodnejših oblik jeklo—Počelo se je v Nemčiji in Angliji v 17. stoletju, pridobivali pa so ga s povečanjem vsebnosti ogljika v staljenem surovem železu s postopkom, imenovanim cementacija. V tem postopku so bile palice iz kovanega železa v kamnitih škatlah obložene z ogljem v prahu in ogrevane.

Po približno enem tednu bi železo absorbiralo ogljik v oglju. Ponavljajoče segrevanje bi enakomerneje porazdelilo ogljik, rezultat pa je bil po ohlajanju blister jeklo. Večja vsebnost ogljika je pretisno jeklo naredila veliko bolj uporabno kot surovo železo, kar omogoča njegovo stiskanje ali valjanje.

Proizvodnja jekla iz pretisnega omota je napredovala v 1740-ih, ko je angleški urar Benjamin Huntsman ugotovil, da kovina lahko se stopijo v glinenih lončkih in oplemenitijo s posebnim tokom, da se odstrani žlindra, ki jo je pustil postopek cementacije. Huntsman je poskušal razviti visokokakovostno jeklo za svoje vzmetne ure. Rezultat je bilo lončeno - ali lito - jeklo. Zaradi stroškov proizvodnje pa sta bila tako mehurček kot lito jeklo kadar koli uporabljena le v specialnih aplikacijah.

Kot rezultat tega je lito železo, izdelano v lončenih pečeh, ostalo večji del strukturne kovine v industrializaciji Velike Britanije v večjem delu 19. stoletja.

Rast železnic v Evropi in Ameriki je v 19. stoletju močno pritiskala na železarsko industrijo, ki se je še vedno borila z neučinkovitimi proizvodnimi procesi. Jeklo je bilo še vedno nedokazano kot strukturna kovina in proizvodnja je bila počasna in draga. To je bilo do leta 1856, ko je Henry Bessemer izumil učinkovitejši način za vnašanje kisika v staljeno železo za zmanjšanje vsebnosti ogljika.

Zdaj znan kot Bessemerjev postopek, Bessemer je zasnoval hruško v obliki hruške - imenovano pretvornik -, v kateri je bilo mogoče segrevati železo, medtem ko se skozi staljeno kovino lahko piha kisik. Ko bo kisik tekel skozi staljeno kovino, bo ta reagiral z ogljikom, pri tem pa se sproščal ogljikov dioksid in ustvaril bolj čisto železo.

Postopek je bil hiter in poceni, saj so ogljik in silicij iz železa odstranili v nekaj minutah, vendar je bil preveč uspešen. Odstranimo preveč ogljika in v končnem izdelku je ostalo preveč kisika. Bessemer je moral na koncu odplačati svoje vlagatelje, dokler ni našel metode za povečanje vsebnosti ogljika in odstranjevanje neželenega kisika.

Približno ob istem času je britanski metalurg Robert Mushet nabavil in začel preizkušati spojino železa, ogljika in mangan- znan kot spiegeleisen. Za mangan je bilo znano, da odstranjuje kisik iz staljenega železa, vsebnost ogljika v spiegeleisenu pa, če bi ga dodali v pravih količinah, bi rešila težave Bessemerja. Bessemer ga je z velikim uspehom začel dodajati v svoj postopek pretvorbe.

Ostala je ena težava. Bessemer ni uspel najti načina, da bi iz svojega končnega izdelka odstranil fosfor - škodljivo nečistočo, zaradi katere je jeklo krhko. Posledično je bilo mogoče uporabiti le rude brez fosforja iz Švedske in Walesa.

Leta 1876 je Welshman Sidney Gilchrist Thomas iznašel rešitev z dodajanjem kemično bazičnega toka - apnenca - Bessemerjevemu postopku. Apnenec je črpal fosfor iz surovega železa v žlindro, kar je omogočilo odstranitev neželenega elementa.

Ta inovacija je pomenila, da je mogoče železovo rudo kjer koli na svetu končno uporabiti za izdelavo jekla. Ni presenetljivo, da so se stroški proizvodnje jekla začeli znatno zmanjševati. Cene jeklenih železnic so se med letoma 1867 in 1884 znižale za več kot 80 odstotkov, kar je spodbudilo rast svetovne jeklarske industrije.

V 1860-ih je nemški inženir Karl Wilhelm Siemens še bolj okrepil proizvodnjo jekla s svojim ustvarjanjem procesa odprtega ognjišča. To je jeklo iz surovega železa v velikih plitvih pečeh.

Z visokimi temperaturami za zgorevanje odvečnega ogljika in drugih nečistoč se je postopek opiral na ogrevane komore opeke pod ognjiščem. Regenerativne peči so pozneje uporabljale izpušne pline iz peči za vzdrževanje visokih temperatur v opečnih komorah spodaj.

Ta metoda je omogočala proizvodnjo veliko večjih količin (50-100 ton v eni peči), občasno preskušanje staljenega jekla, tako da je mogoče izpolnjevati posebne zahteve in uporabo odpadnega jekla kot surovo material. Čeprav je bil sam postopek precej počasnejši, je do leta 1900 postopek na odprtem ognju v veliki meri nadomestil Bessemerjev proces.

Revolucijo v proizvodnji jekla, ki je zagotavljala cenejši in kakovostnejši material, so mnogi današnji gospodarstveniki prepoznali kot naložbeno priložnost. Kapitalisti poznega 19. stoletja, vključno z Andrejem Carnegiejem in Charles Schwab, vlagali in zaslužili milijone (milijarde v primeru Carnegieja) v jeklarski industriji. Carnegiejeva US Steel Corporation, ustanovljena leta 1901, je bila prva korporacija, ki je bila kdaj ocenjena na več kot milijardo dolarjev.

Takoj po prelomu stoletja je bila zasnovana električna obločna peč Paul Heroult (EAF), da prenaša električni tok skozi napolnjen material, kar ima za posledico eksotermično oksidacijo in temperature do 3.272 stopinj Fahrenheita (1.800 stopinj Celzija), več kot dovolj za segrevanje jekla proizvodnja.

Prvotno uporabljeni za specialna jekla, so se EAF-ji povečali, druga svetovna vojna pa se je uporabljala za proizvodnjo jeklenih zlitin. Nizki naložbeni stroški, povezani z ustanovitvijo obratov EAF, so jim omogočili konkurenco glavnim ameriškim proizvajalcem, kot je US Steel Corp. in Betlehemsko jeklo, zlasti v ogljikovih jeklih ali dolgih izdelkih.

Ker lahko EAF proizvajajo jeklo iz 100-odstotnega ostanka ali hladnega železa, je potrebno manj energije na enoto proizvodnje. V nasprotju z osnovnimi ognjišči za kisik se lahko operacije tudi ustavijo in začnejo z malo povezanimi stroški. Iz teh razlogov je proizvodnja prek EAF stalno več kot 50 let in je od leta 2017 predstavljala približno 33 odstotkov svetovne proizvodnje jekla.

Večina svetovne proizvodnje jekla - približno 66 odstotkov - se proizvaja v osnovnih kisikovih napravah. Razvoj metode za ločevanje kisika od dušika v industrijskem obsegu v šestdesetih letih prejšnjega stoletja je omogočil velik napredek pri razvoju osnovnih kisikovih peči.

Osnovne kisikove peči vpihujejo kisik v velike količine staljenega železa in ostankov jekla in napolnijo lahko hitreje kot metode na prostem. Velika plovila, ki vsebujejo do 350 metrskih ton železa, lahko končajo pretvorbo v jeklo v manj kot eni uri.

Zaradi stroškovne učinkovitosti proizvodnje kisika iz jeklenk so tovarne na prostem postale nekonkurenčne in po pojavu proizvodnje jeklenk iz kisika v šestdesetih letih so se začele operacije zaprti. Zadnji objekt v ZDA je bil zaprt leta 1992 in na Kitajskem, zadnji pa leta 2001.

_Viri:

_{Spoerl, Joseph S. Kratka zgodovina proizvodnje železa in jekla. Saint Anselm College.}

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

_{Svetovno združenje jekla. Spletna stran: www.steeluniversity.org}

_{Ulica, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Kovine v službi človeka. 11. izdaja (1998).}