Īsa tērauda un Bessemera procesa vēsture

Domnas ķīnieši pirmo reizi izstrādāja 6. gadsimtā B. C., taču tās plašāk tika izmantotas Eiropā viduslaikos un palielināja čuguna ražošanu. Ļoti augstā temperatūrā dzelzs sāk absorbēt oglekli, kas pazemina metāla kušanas temperatūru, kā rezultātā veidojas liešana dzelzs (No 2,5 procentiem līdz 4,5 procentiem oglekļa).

Čuguns ir spēcīgs, bet tas cieš no trausluma tā oglekļa satura dēļ, padarot to mazāk nekā ideālu darbam un formēšanai. Kad metalurgi uzzināja, ka augstajam oglekļa saturam dzelzs ir galvenā problēma trausluma dēļ viņi eksperimentēja ar jaunām metodēm oglekļa satura samazināšanai, lai dzelzi iegūtu vairāk darbspējīgs.

Mūsdienu tērauda ražošana attīstījās no šīm pirmajām dzelzs ražošanas dienām un sekojošajām tehnoloģiju attīstības tendencēm.

Līdz 18. gadsimta beigām dzelzs izstrādātāji uzzināja, kā pārveidot čugunu par zema oglekļa satura kaltu dzelzi, izmantojot peldošās krāsnis, kuras izstrādāja Henrijs Korts 1784. gadā. Čuguns ir izkausēts dzelzs, kas izplūst no domnām un tiek atdzesēts galvenajā kanālā un blakus esošajās veidnēs. Tas ieguva savu nosaukumu, jo lielie, centrālie un blakus esošie mazākie lietņi atgādināja sivēnmāti un sivēnus.

Kaltas dzelzs izgatavošanai krāsnis uzsildīja izkausētu dzelzi, kas bija jāmaisa peļķēs, izmantojot garus airu formas darbarīkus, ļaujot skābeklim apvienoties un lēnām noņemt oglekli.

Samazinoties oglekļa saturam, palielinās dzelzs kušanas temperatūra, tāpēc krāsnī aglomerējas dzelzs masas. Šīs masas pirms velmēšanas loksnēs vai sliedēs ar peļķes palīdzību apstrādā ar kalšanas āmuru. Līdz 1860. gadam Lielbritānijā bija vairāk nekā 3000 kurtuvju krāsnis, taču procesu joprojām kavēja tās darbietilpība un intensitāte degvielai.

Blistera tērauds - viena no senākajām formām tērauda- sāka ražot Vācijā un Anglijā 17. gadsimtā, un to ražoja, palielinot oglekļa saturu izkausētajā čugunā, izmantojot procesu, kas pazīstams kā cementēšana. Šajā procesā kaltas dzelzs stienīšus ar akmeņogļu pulveri pārklāja ar akmeņlauztu lodēm un karsēja.

Pēc apmēram nedēļas dzelzs absorbētu ogli oglē. Atkārtota karsēšana vienmērīgāk sadalīs oglekli, un pēc atdzesēšanas rezultāts bija blistera tērauds. Lielāks oglekļa saturs padarīja blistera tēraudu daudz praktiskāku nekā čuguns, ļaujot to saspiest vai velmēt.

Blistera tērauda ražošana tika attīstīta 1740. gados, kad angļu pulksteņu izgatavotājs Bendžamins Hantsmans atklāja, ka metāls to var izkausē māla tīģelī un rafinē ar īpašu plūsmu, lai noņemtu sārņus, kurus atstāja cementēšanas process. Huntsmans centās attīstīt augstas kvalitātes tēraudu pulksteņa atsperēm. Rezultāts bija tīģelis vai lietais tērauds. Ražošanas izmaksu dēļ gan blistera, gan lietais tērauds kādreiz tika izmantoti tikai speciālos lietojumos.

Tā rezultātā liešanas krāsnīs izgatavotais čuguns 19. gadsimta lielākajā daļā palika par galveno strukturālo metālu rūpnieciski attīstītajā Lielbritānijā.

Dzelzceļu pieaugums 19. gadsimtā gan Eiropā, gan Amerikā izdarīja lielu spiedienu uz dzelzs rūpniecību, kas joprojām cīnījās ar neefektīviem ražošanas procesiem. Tērauds joprojām nebija pierādīts kā strukturāls metāls, un ražošana bija lēna un dārga. Tas bija līdz 1856. gadam, kad Henrijs Bessemers nāca klajā ar efektīvāku paņēmienu skābekļa ievadīšanai izkausētā dzelžā, lai samazinātu oglekļa saturu.

Tagad pazīstams kā Bessemera process, Bessemers projektēja bumbierveida tvertni - to dēvēja par pārveidotāju -, kurā varēja sildīt dzelzi, bet caur izkausēto metālu varēja izpūst skābekli. Caur izkusušo metālu skābeklis reaģēja ar oglekli, atbrīvojot oglekļa dioksīdu un iegūstot tīrāku dzelzi.

Process bija ātrs un lēts, dažu minūšu laikā no dzelzs noņemot oglekli un silīciju, taču cieta no tā, ka tas bija pārāk veiksmīgs. Pārāk daudz oglekļa tika noņemts, un galaproduktā palika pārāk daudz skābekļa. Galu galā Bessemeram bija jāatmaksā ieguldītājiem, līdz viņš varēja atrast metodi oglekļa satura palielināšanai un nevēlamā skābekļa noņemšanai.

Aptuveni tajā pašā laikā britu metalurgs Roberts Mušets iegādājās un sāka testēt dzelzs, oglekļa un metāna savienojumu mangāns—Nezināms kā spiegeleisen. Bija zināms, ka mangāns noņem skābekli no izkusušās dzelzs, un oglekļa saturs spiegeleisen, ja to pievieno pareizos daudzumos, sniegtu risinājumu Bessemera problēmām. Bessemers sāka to pievienot savam pārveidošanas procesam ar lieliem panākumiem.

Palika viena problēma. Bessemers nebija atradis veidu, kā no sava gala produkta noņemt fosforu - kaitīgu piemaisījumu, kas padara tēraudu trauslu. Tādējādi no Zviedrijas un Velsas varēja izmantot tikai rūdas, kas nesatur fosforu.

1876. gadā velsietis Sidnijs Gilhrists Tomass nāca klajā ar risinājumu, Bessemera procesam pievienojot ķīmiski pamatīgu plūsmu - kaļķakmeni. Kaļķakmens no čuguna fosfora ievilka sārņos, ļaujot noņemt nevēlamo elementu.

Šis jauninājums nozīmēja, ka tērauda ražošanā beidzot var izmantot dzelzsrūdu no jebkuras vietas pasaulē. Nav pārsteidzoši, ka tērauda ražošanas izmaksas sāka ievērojami samazināties. Tērauda dzelzceļa cenas no 1867. līdz 1884. gadam kritās par vairāk nekā 80 procentiem, izraisot pasaules tērauda rūpniecības izaugsmi.

1860. gados vācu inženieris Kārlis Vilhelms Siemens vēl vairāk uzlaboja tērauda ražošanu, izveidojot atklātā pavarda procesu. Tas ražoja tēraudu no čuguna lielās seklajās krāsnīs.

Izmantojot augstu temperatūru, lai sadedzinātu lieko oglekli un citus piemaisījumus, process balstījās uz apsildāmām ķieģeļu kamerām zem pavarda. Reģeneratīvās krāsnis vēlāk izmantoja izplūdes gāzes no krāsns, lai uzturētu augstu temperatūru zemāk esošajās ķieģeļu kamerās.

Šī metode ļāva periodiski testēt daudz lielākus apjomus (50–100 tonnas vienā krāsnī) kausēta tērauda, ​​lai to varētu izgatavot tā, lai tas atbilstu konkrētām specifikācijām, un tērauda lūžņu kā izejvielu izmantošanu materiāls. Lai arī pats process bija daudz lēnāks, līdz 1900. gadam atklātais pavarda process lielā mērā bija aizstājis Bessemera procesu.

Tērauda ražošanas revolūcija, kas nodrošināja lētāku, augstākas kvalitātes materiālu, daudzi mūsdienu biznesmeņi atzina par ieguldījumu iespēju. 19. gadsimta beigu kapitālisti, ieskaitot Endrjū Kārnegiju un Kārlis Šveiks, ieguldīja un nopelnīja miljonus (Kārnegi gadījumā miljardus) tērauda rūpniecībā. Kārnegi ASV tērauda korporācija, kas dibināta 1901. gadā, bija pirmā korporācija, kas jebkad novērtēta vairāk nekā miljarda dolāru vērtībā.

Tieši pēc gadsimtu mijas Pola Heroulta elektriskā loka krāsns (EAF) tika izstrādāta, lai caur lādētu materiālu izietu elektrisko strāvu, kas izraisa eksotermisku oksidāciju un temperatūru līdz 3,272 grādiem pēc Fārenheita (1800 grādiem pēc Celsija), kas ir vairāk nekā pietiekami, lai sasildītu tēraudu produkcija.

Sākotnēji tos lietojot speciāliem tēraudiem, EAF pieauga un līdz Otrajam pasaules karam tika izmantoti tērauda sakausējumu ražošanā. Zemās investīciju izmaksas, kas saistītas ar EAF rūpnīcu izveidošanu, ļāva viņiem konkurēt ar lielākajiem ASV ražotājiem, piemēram, US Steel Corp. un Betlēmes tērauds, īpaši oglekļa tēraudos vai garos izstrādājumos.

Tā kā EAF var ražot tēraudu no 100 procentiem metāllūžņu vai auksto melno metālu padeves, uz vienu ražošanas vienību ir nepieciešams mazāk enerģijas. Atšķirībā no pamata skābekļa pavardēm, operācijas var arī apturēt un sākt ar nelielām saistītām izmaksām. Šo iemeslu dēļ ražošana, izmantojot EAF, ir stabili pieaugusi vairāk nekā 50 gadus, un, sākot ar 2017. gadu, tā veidoja aptuveni 33 procentus no pasaules tērauda ražošanas apjoma.

Lielākā daļa pasaules tērauda ražošanas - aptuveni 66 procenti - tiek ražoti pamata skābekļa ražošanas iekārtās. Septiņdesmitajos gados, attīstot metodi skābekļa atdalīšanai no slāpekļa rūpnieciskā mērogā, ļāva panākt ievērojamus panākumus pamata skābekļa krāšņu attīstībā.

Pamata skābekļa krāsnis sakausē skābekli lielos daudzumos izkausēta dzelzs un metāllūžņos, un tas daudz ātrāk var pabeigt lādiņu nekā ar atvērtu kamīnu saistītas metodes. Lieli kuģi, kuros ir līdz 350 metriskajām tonnām dzelzs, mazāk nekā vienā stundā var pilnībā pārveidot par tēraudu.

Skābekļa tērauda ražošanas izmaksu efektivitāte padarīja atvērto kamīnu rūpnīcas nekonkurētspējīgas, un pēc skābekļa tērauda ražošanas parādīšanās 1960. gados atvērtās pavarda darbības sāka slēgt. Pēdējais atvērta tipa kamīns ASV tika slēgts 1992. gadā un Ķīnā, pēdējais tika slēgts 2001. gadā.

_Avoti:

_{Spoerls, Džozefs S. Dzelzs un tērauda ražošanas īsa vēsture. Sent Anselmas koledža.}

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

_{Pasaules tērauda asociācija. Vietne: www.steeluniversity.org}

_{Iela, Artūrs. & Aleksandrs, W. O. 1944. Metāli cilvēka kalpošanā. 11. izdevums (1998).}