En kort historia av stål och Bessemer-processen

Masugnar utvecklades först av kineserna under 600-talet f.Kr., men de användes mer i Europa under medeltiden och ökade produktionen av gjutjärn. Vid mycket höga temperaturer börjar järn absorbera kol, vilket sänker metallens smältpunkt, vilket resulterar i gjutning järn (2,5 procent till 4,5 procent kol).

Gjutjärn är starkt, men det lider av sprödhet på grund av dess kolhalt, vilket gör det mindre än perfekt för bearbetning och formning. När metallurgister blev medvetna om att det höga kolinnehållet i järn var centralt för problemet med sprödhet, de experimenterade med nya metoder för att minska kolinnehållet för att göra järn mer genomförbar.

Modern ståltillverkning utvecklats från dessa tidiga dagar med tillverkning av järn och efterföljande tekniska utvecklingar.

I slutet av 1700-talet lärde sig järntillverkare hur man förvandlade gjutjärn till ett smältjärn med kolsyra med pölugnar, utvecklade av Henry Cort 1784. Grisjärn är det smälta järnet som springer ut från masugnar och kyls i huvudkanalen och angränsande formar. Det fick sitt namn eftersom de stora, centrala och angränsande mindre götarna liknade en so och sugande smågrisar.

För att tillverka smidesjärn upphettade ugnarna smält järn, som måste omröras av pölar med långa årformade verktyg, vilket tillåter syre att kombinera med och långsamt ta bort kol.

När kolhalten minskar ökar järnens smältpunkt, så massor av järn skulle agglomerera i ugnen. Dessa massor skulle avlägsnas och bearbetas med en smidehammer av pölen innan de rullades i ark eller räls. År 1860 fanns det mer än 3 000 pölugnar i Storbritannien, men processen förblev hindrad av dess arbetskraft och bränsleintensitet.

Blisterstål - en av de tidigaste formerna av stål—Beganproduktion i Tyskland och England på 1600-talet och producerades genom att öka kolinnehållet i smält råjärn med en process som kallas cementering. I denna process skiktades stänger av smidesjärn med pulveriserat kol i stenlådor och värmdes.

Efter ungefär en vecka skulle järnet ta upp kolet i kolet. Upprepad uppvärmning skulle fördela kolet jämnare, och resultatet, efter kylning, var blisterstål. Det högre kolinnehållet gjorde blisterstål mycket mer användbart än rostjärn, vilket tillåter att det pressas eller rullas.

Blisterstålproduktion avancerade på 1740-talet när den engelska urmakaren Benjamin Huntsman fann att metallen kunde smälts i lerkroppar och förädlas med ett speciellt flöde för att avlägsna slagg som cementeringsprocessen lämnade kvar. Huntsman försökte utveckla ett högkvalitativt stål för sina klockfjädrar. Resultatet blev degel - eller gjutet - stål. På grund av produktionskostnaderna användes emellertid både blister och gjutstål någonsin i specialtillämpningar.

Som ett resultat förblev gjutjärn tillverkat i pöltugnar den primära strukturella metallen vid industrialisering av Storbritannien under större delen av 1800-talet.

Tillväxten av järnvägar under 1800-talet i både Europa och Amerika satte ett stort tryck på järnindustrin, som fortfarande kämpade med ineffektiva produktionsprocesser. Stål var fortfarande obevisad som strukturell metall och produktionen var långsam och kostsam. Det var fram till 1856 då Henry Bessemer kom fram till ett mer effektivt sätt att införa syre i smält järn för att minska kolhalten.

Nu känt som Bessemer-processen, designade Bessemer en päronformad behållare - kallad en omvandlare - där järn kunde värmas medan syre kunde blåsa genom den smälta metallen. När syre passerade genom den smälta metallen, reagerade den med kolet, frigör koldioxid och producerade ett mer rent järn.

Processen var snabb och billig och avlägsnade kol och kisel från järn på några minuter men led av att vara för framgångsrik. För mycket kol avlägsnades och för mycket syre återstod i slutprodukten. Bessemer var slutligen tvungen att betala tillbaka sina investerare tills han kunde hitta en metod för att öka kolinnehållet och ta bort det oönskade syre.

Ungefär samtidigt förvärvade och började den brittiska metallurgen Robert Mushet testa en förening av järn, kol och mangan—Känd som spiegeleisen. Mangan var känd för att ta bort syre från smält järn, och kolinnehållet i spiegeleisen, om det tillsattes i rätt mängder, skulle ge lösningen på Bessemers problem. Bessemer började lägga till den till sin konverteringsprocess med stor framgång.

Ett problem återstod. Bessemer hade inte hittat ett sätt att ta bort fosfor - en skadlig orenhet som gör stål sprött - från hans slutprodukt. Följaktligen kunde endast fosforfria malmer från Sverige och Wales användas.

1876 ​​kom Welshman Sidney Gilchrist Thomas med en lösning genom att lägga till ett kemiskt grundläggande flöde - kalksten - till Bessemer-processen. Kalkstenen drog fosfor från råjärnet in i slaggen, vilket möjliggjorde att det oönskade elementet kunde tas bort.

Denna innovation innebar att järnmalm från var som helst i världen äntligen kunde användas för att tillverka stål. Inte överraskande började stålproduktionskostnaderna sjunka betydligt. Priserna för stålskenor sjönk mer än 80 procent mellan 1867 och 1884, vilket inledde tillväxten av världens stålindustri.

På 1860-talet förbättrade den tyska ingenjören Karl Wilhelm Siemens stålproduktionen ytterligare genom att han skapade den öppna härdprocessen. Detta producerade stål från rostjärn i stora grunda ugnar.

Genom att använda höga temperaturer för att bränna bort överskott av kol och andra föroreningar förlitade sig processen på uppvärmda tegelkamrar under eldstaden. Regenerativa ugnar använde senare avgaser från ugnen för att upprätthålla höga temperaturer i tegelkamrarna nedan.

Denna metod möjliggjorde produktion av mycket större mängder (50-100 ton i en ugn), periodisk testning av det smälta stålet så att det skulle kunna tillverkas för att uppfylla särskilda specifikationer och användningen av skrotstål som en råvara material. Även om själva processen var mycket långsammare, hade den öppna härdprocessen fram till 1900 i hög grad ersatt Bessemer-processen.

Revolutionen inom stålproduktion som gav billigare material av högre kvalitet erkändes av många affärsmän i dag som en investeringsmöjlighet. Kapitalister i slutet av 1800-talet, inklusive Andrew Carnegie och Charles Schwab, investerade och tjänade miljoner (miljarder för Carnegie) i stålindustrin. Carnegies US Steel Corporation, grundat 1901, var det första företaget som någonsin värderats till mer än 1 miljard dollar.

Strax efter sekelskiftet designades Paul Heroults elektriska bågeugn (EAF) för att leda en elektrisk ström genom laddat material, vilket resulterar i exoterm oxidation och temperaturer upp till 3,272 grader Fahrenheit (1 800 grader Celsius), mer än tillräckligt för att värma stål produktion.

Ursprungligen användes för specialstål, växte EAF i användning och under andra världskriget användes för tillverkning av stållegeringar. De låga investeringskostnaderna för att etablera EAF-fabrik gjorde det möjligt för dem att konkurrera med de stora amerikanska tillverkarna som US Steel Corp. och Bethlehem Steel, särskilt i kolstål eller långa produkter.

Eftersom EAF: er kan producera stål från 100 procent skrot - eller kall järnhaltigt foder, behövs mindre energi per produktionsenhet. I motsats till grundläggande syreeldar, kan man också stoppa och starta med små kostnader. Av dessa skäl har produktionen via EAF ökat stadigt i mer än 50 år och stod för cirka 33 procent av den globala stålproduktionen, från och med 2017.

Huvuddelen av den globala stålproduktionen - cirka 66 procent - produceras i basiska syreanläggningar. Utvecklingen av en metod för att separera syre från kväve i industriell skala på 1960-talet möjliggjorde stora framsteg i utvecklingen av grundläggande syreugnar.

Grundläggande syreugnar blåser syre i stora mängder smält järn och skrotstål och kan utföra en laddning mycket snabbare än öppen spismetoder. Stora fartyg som håller upp till 350 ton järn kan fullborda omvandlingen till stål på mindre än en timme.

Kostnadseffektiviteten för syrestålsframställning gjorde att öppen eldfabriker var konkurrenskraftiga och efter tillkomsten av syrestålsframställning på 1960-talet började öppen spisstjänster att stängas. Den sista anläggningen med öppen spis i USA stängdes 1992 och i Kina stängdes den sista 2001.

_källor:

_{Spoerl, Joseph S. En kort historia om järn- och stålproduktion. Saint Anselm College.}

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

_{World Steel Association. Hemsida: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metaller i tjänsten av människan. 11: e upplagan (1998).}