Een korte geschiedenis van staal

Hoe ontwikkelde de staalfabriek zich van zijn wortels bij het maken van ijzer? Laten we eens kijken naar de geschiedenis van staal.

Iron Age

Bij zeer hoge temperaturen begint ijzer koolstof te absorberen, waardoor het smeltpunt van het metaal wordt verlaagd, wat resulteert in gietijzer (2,5 tot 4,5% koolstof). De ontwikkeling van hoogovens, die voor het eerst door de Chinezen in de 6e eeuw voor Christus werden gebruikt, maar die in de Middeleeuwen grotendeels in Europa werden gebruikt, verhoogde de productie van gietijzer.

Varken ijzer

Gegolfd ijzer, dat uit de hoogoven was gelopen en afgekoeld in het hoofdkanaal en aangrenzende schimmels, werd genoemd als ijzer omdat de grote, centrale en aangrenzende kleinere ingots lijken op een zaaien en zuigende biggen.

Gietijzer

Gietijzer is sterk maar lijdt aan bretelheid door het koolstofgehalte ervan, waardoor het minder geschikt is om te werken en te vormen. Als metallurgisten zich realiseerden dat het hoge koolstofgehalte in ijzer centraal was bij het probleem van bretleness, experimenteerden zij met nieuwe methoden om het koolstofgehalte te verminderen om ijzer meer werkbaar te maken.

Smeedijzer

In de late 18de eeuw leerden ijzerhouders hoe om gietijzeren ijzer te omzetten in een koudgewicht smeedijzer met behulp van plasputten (ontwikkeld door Henry Cort in 1784). De ovens verwarmen gesmolten ijzer, dat door puddlers werd geroerd, met behulp van lange ei-vormige gereedschappen, waardoor zuurstof in combinatie met koolstof en langzaam kan worden verwijderd.

Als het koolstofgehalte afneemt, neemt het smeltpunt van ijzer toe, zodat ijzermassa's in de oven zouden agglomereren. Deze massa's worden verwijderd en gewerkt met een smeedhamer door de poedel voordat ze in lakens of rails worden gerold. In 1860 waren er in Groot-Brittannië meer dan 3000 plasputten, maar het proces bleef verhinderd door zijn arbeid en brandstofintensiviteit.

Blisterstaal

Een van de vroegste vormen van staal, blisterstaal, begon in de 17e eeuw in Duitsland en Engeland te produceren en werd geproduceerd door het verhogen van het koolstofgehalte in gesmolten ijzer met behulp van een proces bekend als cementering. In dit proces werden smeedijzeren gelaagd met poederkool in steenkisten en verwarmd.

Na ongeveer een week zou het ijzer de koolstof in de houtskool absorberen. Herhaalde verwarming zou koolstof gelijkmatig verdelen en het resultaat, na afkoeling, was blisterstaal. De hogere koolstofgehalte maakte blisterstaal veel werkbaarder dan het ijzer, waardoor het kan worden gedrukt of gerold.

Blisterstaalproductie ontwierp in de 1740's toen de Engelse klokmaker Benjamin Huntsman tijdens het proberen om een ​​hoogwaardig staal voor zijn klokveren te ontwikkelen, bleek dat het metaal in kleiskruisjes zou kunnen smelten en geraffineerd worden met een speciale flux om slakken te verwijderen die de cementatie proces achtergelaten.Het resultaat was smelt- of gietstaal. Maar door de productiekosten werd alleen blister en gietstaal ooit gebruikt in speciale toepassingen.

Als gevolg hiervan bleef gietijzeren gemaakt in plaswagens het belangrijkste structurele metaal in het industrialiseren van Groot-Brittannië gedurende het grootste deel van de 19e eeuw.

De Bessemer Process en Modern Steelmaking

De groei van spoorwegen in de 19e eeuw in zowel Europa en Amerika legde grote druk op de ijzerindustrie, die nog steeds moeite had met inefficiënte productieprocessen. Staal was nog steeds niet beproefd als een structureel metaal en de productie was langzaam en duur. Dat was tot 1856 toen Henry Bessemer een effectievere manier heeft om zuurstof in gesmolten ijzer te introduceren om de koolstofgehalte te verminderen.

Bessemer, dat nu bekend staat als het Bessemer-proces, ontwierp Bessemer een peervormige houder - aangeduid als een 'converter' waarin ijzer verhit kon worden, terwijl zuurstof door het gesmolten metaal zou kunnen blazen. Naarmate zuurstof door het gesmolten metaal ging, zou het reageren met de koolstof, kooldioxide vrijgeven en een meer zuiver ijzer produceren.

Het proces was snel en goedkoop, het verwijderen van koolstof en silicium uit ijzer in een kwestie van minuten, maar leed te succesvol.

Te veel koolstof werd verwijderd en te veel zuurstof bleef in het eindproduct. Bessemer moest uiteindelijk zijn beleggers terugbetalen totdat hij een methode kon vinden om het koolstofgehalte te verhogen en de ongewenste zuurstof te verwijderen.

Op ongeveer hetzelfde tijdstip verwierf en begon de Britse metallurgist Robert Mushet een verbinding van ijzer, koolstof en mangaan, bekend als Spiegeleisen . Mangaan was bekend om zuurstof uit gesmolten ijzer te verwijderen en het koolstofgehalte in de spiegelbeveiliging, indien toegevoegd in de juiste hoeveelheden, zou de oplossing voor Bessemer's problemen bieden. Bessemer begon het met succes bij zijn conversieproces toe te voegen.

Er is nog een probleem. Bessemer had een manier gevonden om fosfor te verwijderen - een schadelijke onzuiverheid die stalen bros maakt - van zijn eindproduct. Bijgevolg kunnen alleen fosforvrije erts uit Zweden en Wales gebruikt worden.

In 1876 kwam Welshman Sidney Gilchrist Thomas door de toevoeging van een chemisch basisch vloeibaar kalksteen aan de oplossing van het Bessemer proces. De kalksteen trok fosfor uit het ijzer in de slag, waardoor het ongewenste element verwijderd kon worden.

Deze innovatie betekende dat uiteindelijk ijzererts van overal ter wereld gebruikt kan worden om staal te maken. Niet verrassend begonnen de staalproductiekosten aanzienlijk te dalen. De prijzen voor staalstaal daalden tussen 1867 en 1884 meer dan 80%, door de nieuwe staalproductie technieken, die de groei van de werelds staalindustrie begonnen.

Het Open Haardproces:

In de jaren 1860 verbeterde de Duitse ingenieur Karl Wilhelm Siemens de staalproductie door zijn creatie van het openhaardsproces. Het openhaardproces produceerde staal uit roestijzer in grote ondiepe ovens.

Met hoge temperaturen om overtollig koolstof en andere onzuiverheden te verbranden, was het proces gebaseerd op verwarmde bakstenen kamers onder de haard.Regeneratieve ovens hebben later uitlaatgassen uit de oven gebruikt om hoge temperaturen in de bakstenenkamers onder te houden.

Deze methode is toegestaan ​​voor de productie van veel grotere hoeveelheden (50-100 ton kan in één oven worden geproduceerd), periodiek testen van het gesmolten staal, zodat het kan worden gemaakt om aan specifieke specificaties te voldoen en het gebruik van schrootstaal als een grondstof. Hoewel het proces zelf veel langzamer was, had het openhaardsproces in 1900 het Bessemer-proces grotendeels vervangen.

Geboorte van de Staalindustrie:

De revolutie in de staalproductie die goedkoper materiaal van hogere kwaliteit leverde, werd door veel zakenlieden van de dag erkend als een investeringsgeleentheid. Kapitalisten uit de late 19de eeuw, waaronder Andrew Carnegie en Charles Schwab, hebben in de staalindustrie miljoenen (miljarden in Carnegie) geïnvesteerd. Carnegie's US Steel Corporation, opgericht in 1901, was het eerste bedrijf dat ooit gelanceerd werd op meer dan een miljard dollar.

Electric Arc Furnace Steelmaking:

Net na de eeuwwisseling is er nog een ontwikkeling ontstaan ​​die een sterke invloed zou hebben op de evolutie van de staalproductie. De elektrische boogoven van Paul Heroult (EAF) was ontworpen om een ​​elektrische stroom door geladen materiaal door te geven, wat resulteerde in exotherme oxidatie en temperaturen tot 3272 ° F (1800 ° C), meer dan voldoende om de productie van staal te verhitten.

Aanvankelijk gebruikt voor speciaalstaal, werden EAF's in gebruik en werden deze door de Tweede Wereldoorlog gebruikt voor de productie van staallegeringen. De lage investeringskosten bij het opzetten van EAF-molen lieten hen concurreren met de grote Amerikaanse producenten, zoals US Steel Corp. en Bethlehem Steel, vooral in koolstofstaal of lange producten.

Omdat EAF's staal kunnen produceren van 100% schroot- of koude ferro-voeding, is minder energie per productie-eenheid nodig. In tegenstelling tot basis zuurstofhaardjes, kunnen ook bewerkingen worden gestopt en begonnen met weinig geassocieerde kosten. Om deze redenen is de productie via EAF's steeds meer dan 50 jaar gestegen en bedraagt ​​nu ongeveer 33% van de wereldwijde staalproductie.

Oxygen Steelmaking:

De meerderheid van de wereldwijde staalproductie - ongeveer 66% - wordt nu geproduceerd in basis zuurstoffaciliteiten. De ontwikkeling van een methode voor het scheiden van zuurstof uit stikstof op industriële schaal in de jaren zestig liet grote vooruitgang op in de ontwikkeling van basis-zuurstofovens.

Basische zuurstofovens blazen zuurstof in grote hoeveelheden gesmolten ijzer en schrootstaal en kunnen een lading veel sneller voltooien dan openhaardmethoden. Grote schepen die tot 350 ton ijzer bevatten, kunnen in minder dan een uur de omzetting naar staal afronden.

De kosteneffectiviteit van zuurstofstaalvorming maakte openhaardfabrieken niet competitief en na de komst van zuurstofstaalvorming in de jaren 1960 begon de openhaardwerkingen te sluiten. De laatste openhaard faciliteit in de VS is in 1992 gesloten en in China in 2001.

_Bronnen:

_{Spoerl, Joseph S. Een korte geschiedenis van ijzer- en staalproductie . Saint Anselm College.}

_{Beschikbaar: // www. anselm. edu / homepage / dbanach / h-Carnegie-staal. htm}

_{De World Steel Association. Website: www. steeluniversity. org}

_{Straat, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metalen in de Dienst van de Mens . 11e editie (1998).}