Μια σύντομη ιστορία του χάλυβα και η διαδικασία Bessemer

Οι υψικάμινοι αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά από τους Κινέζους τον 6ο αιώνα π.Χ., αλλά χρησιμοποιήθηκαν ευρύτερα στην Ευρώπη κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα και αύξησαν την παραγωγή χυτοσιδήρου. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, ο σίδηρος αρχίζει να απορροφά τον άνθρακα, ο οποίος μειώνει το σημείο τήξης του μετάλλου, με αποτέλεσμα το χυτό σίδερο (2,5% έως 4,5% άνθρακα).

Ο χυτοσίδηρος είναι ισχυρός, αλλά υποφέρει από ευθριπτότητα λόγω της περιεκτικότητάς του σε άνθρακα, καθιστώντας τον λιγότερο από ιδανικό για εργασία και διαμόρφωση. Όπως οι μεταλλουργοί έλαβαν γνώση ότι η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα στον άνθρακα ήταν κεντρική στο πρόβλημα ευθραυστότητας, πειραματίστηκαν με νέες μεθόδους για τη μείωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα για να κάνουν περισσότερο το σίδηρο πρακτικός.

Μοντέρνο παραγωγή χάλυβα εξελίχθηκε από αυτές τις πρώτες ημέρες της παραγωγής σιδήρου και των επακόλουθων εξελίξεων στην τεχνολογία.

Μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα, οι σιδηρόδρομοι έμαθαν πώς να μετατρέψουν το χυτοσίδηρο χυτοσιδήρου σε σφυρήλατο σίδηρο χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα χρησιμοποιώντας κάμινους που αναπτύχθηκαν από τον Henry Cort το 1784. Ο χυτοσίδηρος είναι ο τετηγμένος σίδηρος που εξέρχεται από υψικαμίνους και ψύχεται στον κύριο δίαυλο και τα παρακείμενα καλούπια. Πήρε το όνομά του επειδή οι μεγάλες, κεντρικές και παρακείμενες μικρότερες ράβδους μοιάζουν με χοιρομητέρα και θηλάζοντα χοιρίδια.

Για να φτιάξουν σφυρήλατο σίδερο, οι κλίβανοι θερμαίνονται λιωμένο σίδερο, ο οποίος έπρεπε να αναδεύεται από λακκούβες χρησιμοποιώντας μακριές εργαλειομηχανές, που επιτρέπουν στο οξυγόνο να συνδυάζεται και να απομακρύνει αργά τον άνθρακα.

Καθώς μειώνεται η περιεκτικότητα σε άνθρακα, αυξάνεται το σημείο τήξης του σιδήρου, οπότε οι μάζες σιδήρου θα συσσωματώνονται στον κλίβανο. Αυτές οι μάζες θα απομακρυνθούν και θα επεξεργαστούν με ένα σφύριγμα σφυρηλάτησης από το λακκούβα, πριν να κυληθούν σε φύλλα ή ράγες. Μέχρι το 1860, στη Βρετανία υπήρχαν περισσότεροι από 3.000 κάμινοι, αλλά η διαδικασία παρέμεινε παρεμπόδιση της εργασίας και της έντασης καυσίμων.

Κυψέλη χάλυβα - μια από τις πρώτες μορφές του ατσάλι-Παραγωγή στην Γερμανία και την Αγγλία τον 17ο αιώνα και παράγεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα σε λιωμένο χυτοσίδηρο χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως τσιμεντοποίηση. Σε αυτή τη διαδικασία, οι ράβδοι από σφυρήλατο σίδηρο στρωματοποιήθηκαν με κάρβουνο σε σκόνη σε πέτρινα κιβώτια και θερμάνθηκαν.

Μετά από περίπου μια εβδομάδα, ο σίδηρος απορροφά τον άνθρακα στον άνθρακα. Η επαναλαμβανόμενη θέρμανση θα κατανείμει τον άνθρακα πιο ομοιόμορφα και το αποτέλεσμα, μετά την ψύξη, ήταν ο χάλυβας με κυψέλες. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα καθιστούσε το χαλυβουργείο πολύ πιο λειτουργικό από το χυτοσίδηρο, επιτρέποντάς του να πιεστεί ή να κυληθεί.

Η παραγωγή μπλίστερ χάλυβα προχώρησε στη δεκαετία του 1740 όταν ο αγγλικός ρολόι Benjamin Huntsman διαπίστωσε ότι το μέταλλο θα μπορούσε να λειωθούν σε πήλινα χωνευτήρια και να καθαριστούν με ειδική ροή για να απομακρυνθεί η σκωρία που άφησε πίσω της τη διαδικασία τσιμεντοποίησης. Ο Huntsman προσπαθούσε να αναπτύξει έναν υψηλής ποιότητας χάλυβα για τις ρολογιού του. Το αποτέλεσμα ήταν χωνευτήρι ή χυτοχάλυβας. Λόγω του κόστους παραγωγής, ωστόσο, τόσο η κυψέλη όσο και ο χυτός χάλυβας χρησιμοποιήθηκαν ποτέ μόνο σε εφαρμογές ειδικότητας.

Ως αποτέλεσμα, ο χυτοσίδηρος που κατασκευάστηκε σε φούρνους με λοφίο παρέμεινε το κύριο δομικό μέταλλο στην εκβιομηχάνιση της Βρετανίας κατά το μεγαλύτερο μέρος του 19ου αιώνα.

Η ανάπτυξη των σιδηροδρόμων κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αμερική, άσκησε μεγάλη πίεση στη βιομηχανία σιδήρου, η οποία εξακολουθούσε να αγωνίζεται με αναποτελεσματικές παραγωγικές διαδικασίες. Ο χάλυβας δεν ήταν ακόμη αποδεδειγμένος ως δομικό μέταλλο και η παραγωγή ήταν αργή και δαπανηρή. Αυτό ήταν μέχρι το 1856 όταν ο Henry Bessemer κατέληξε σε έναν πιο αποτελεσματικό τρόπο εισαγωγής οξυγόνου στον τετηγμένο σίδηρο για τη μείωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα.

Τώρα γνωστή ως η διαδικασία Bessemer, η Bessemer σχεδίασε ένα δοχείο σχήματος αχλαδιού - που αναφέρεται ως μετατροπέας - στο οποίο μπορεί να θερμαίνεται ο σίδηρος ενώ το οξυγόνο θα μπορούσε να διοχετευθεί μέσω του τηγμένου μετάλλου. Καθώς το οξυγόνο διέρχεται από το τετηγμένο μέταλλο, θα αντιδράσει με τον άνθρακα, απελευθερώνοντας διοξείδιο του άνθρακα και παράγοντας έναν πιο καθαρό σίδηρο.

Η διαδικασία ήταν γρήγορη και ανέξοδη, αφαιρώντας άνθρακα και πυρίτιο από σίδηρο σε λίγα λεπτά, αλλά υπέφερε από την υπερβολική επιτυχία. Έχει απομακρυνθεί πάρα πολύ άνθρακας και παρέμεινε υπερβολικό οξυγόνο στο τελικό προϊόν. Ο Bessemer τελικά έπρεπε να επιστρέψει τους επενδυτές του μέχρι να βρει μια μέθοδο για να αυξήσει την περιεκτικότητα σε άνθρακα και να αφαιρέσει το ανεπιθύμητο οξυγόνο.

Την ίδια περίπου εποχή, ο Βρετανός μεταλλουργός Robert Mushet απέκτησε και άρχισε να δοκιμάζει μια ένωση σιδήρου, άνθρακα και μαγγάνιο-Γνωστή ως spiegeleisen. Το μαγγάνιο ήταν γνωστό ότι απομάκρυνε οξυγόνο από τον τετηγμένο σίδηρο και η περιεκτικότητα του άνθρακα στο spiegeleisen, αν προστεθεί στις σωστές ποσότητες, θα παρείχε τη λύση στα προβλήματα του Bessemer. Ο Bessemer άρχισε να το προσθέτει στη διαδικασία μετατροπής του με μεγάλη επιτυχία.

Ένα πρόβλημα παρέμεινε. Ο Bessemer απέτυχε να βρει έναν τρόπο απομάκρυνσης του φωσφόρου - μια επιβλαβή πρόσμειξη που κάνει το χάλυβα εύθραυστο - από το τελικό του προϊόν. Κατά συνέπεια, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μόνο μεταλλεύματα άνευ φωσφόρου από τη Σουηδία και την Ουαλία.

Το 1876 ο Welshman Sidney Gilchrist Thomas ήρθε με ένα διάλυμα προσθέτοντας μια χημικά βασική ροή-ασβεστόλιθο-στη διαδικασία Bessemer. Ο ασβεστόλιθος έβγαλε φωσφόρο από το χυτοσίδηρο στη σκωρία, επιτρέποντας την απομάκρυνση του ανεπιθύμητου στοιχείου.

Αυτή η καινοτομία σήμαινε ότι το σιδηρομετάλλευμα από οπουδήποτε στον κόσμο θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χάλυβα. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το κόστος παραγωγής χάλυβα άρχισε να μειώνεται σημαντικά. Οι τιμές των χαλύβδινων σιδηροδρόμων μειώθηκαν περισσότερο από 80 τοις εκατό μεταξύ 1867 και 1884, ξεκινώντας την ανάπτυξη της παγκόσμιας χαλυβουργίας.

Στη δεκαετία του 1860, ο Γερμανός μηχανικός Karl Wilhelm Siemens ενίσχυσε περαιτέρω την παραγωγή χάλυβα μέσω της δημιουργίας της διαδικασίας ανοιχτής εστίας. Αυτό παρήγαγε χάλυβα από χυτοσίδηρο σε μεγάλους αβαθείς φούρνους.

Χρησιμοποιώντας υψηλές θερμοκρασίες για την καύση του πλεονάζοντος άνθρακα και άλλων ακαθαρσιών, η διαδικασία βασίστηκε σε θερμαινόμενους θαλάμους τούβλων κάτω από την εστία. Οι αναγεννητικοί κλίβανοι χρησιμοποίησαν αργότερα τα καυσαέρια από τον κλίβανο για να διατηρήσουν τις υψηλές θερμοκρασίες στους θαλάμους τούβλου κατωτέρω.

Αυτή η μέθοδος επέτρεψε την παραγωγή πολύ μεγαλύτερων ποσοτήτων (50-100 μετρικούς τόνους σε έναν κλίβανο), περιοδικές δοκιμές του τετηγμένου χάλυβα, έτσι ώστε να μπορεί να γίνει σύμφωνα με συγκεκριμένες προδιαγραφές και τη χρήση χαλύβδινων απορριμμάτων ως πρώτων υλών υλικό. Αν και η ίδια η διαδικασία ήταν πολύ πιο αργή, μέχρι το 1900 η διαδικασία της ανοιχτής εστίας αντικατέστησε σε μεγάλο βαθμό τη διαδικασία του Bessemer.

Η επανάσταση στην παραγωγή χάλυβα που παρείχε φθηνότερο, υψηλής ποιότητας υλικό, αναγνωρίστηκε από πολλούς επιχειρηματίες της ημέρας ως επενδυτική ευκαιρία. Οι καπιταλιστές του τέλους του 19ου αιώνα, συμπεριλαμβανομένων των Andrew Carnegie και Charles Schwab, επένδυσε και έκανε εκατομμύρια (δισεκατομμύρια στην περίπτωση της Carnegie) στη χαλυβουργία. Η αμερικανική εταιρεία χάλυβα της Carnegie, που ιδρύθηκε το 1901, ήταν η πρώτη εταιρεία που είχε ποτέ αποτιμηθεί σε περισσότερα από 1 δισ. Δολάρια.

Αμέσως μετά την αλλαγή του αιώνα, ο φούρνος ηλεκτρικού τόξου του Paul Heroult (EAF) σχεδιάστηκε για να περάσει ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω φορτισμένου υλικού, με αποτέλεσμα την εξώθερμη οξείδωση και τις θερμοκρασίες μέχρι 3.272 βαθμούς Φαρενάιτ (1.800 βαθμούς Κελσίου), περισσότερο από επαρκείς για τη θέρμανση του χάλυβα παραγωγή.

Αρχικά χρησιμοποιημένος για ειδικούς χάλυβες, τα EAF αυξήθηκαν κατά τη χρήση και κατά τον Β 'Παγκόσμιο Πόλεμο χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή κραμάτων χάλυβα. Το χαμηλό επενδυτικό κόστος που συνεπάγεται η δημιουργία εργοστασίων EAF τους επέτρεψε να ανταγωνίζονται τους μεγαλύτερους παραγωγούς των ΗΠΑ, όπως η US Steel Corp. και Bethlehem Steel, ειδικά σε χάλυβες άνθρακα ή μακρά προϊόντα.

Επειδή τα ΕΑF μπορούν να παράγουν χάλυβα από 100 τοις εκατό θραύσματα ή ψυχρή σιδήρου, απαιτείται λιγότερη ενέργεια ανά μονάδα παραγωγής. Σε αντίθεση με τις βασικές εστίες οξυγόνου, οι λειτουργίες μπορούν επίσης να σταματήσουν και να ξεκινήσουν με μικρό σχετικό κόστος. Για τους λόγους αυτούς, η παραγωγή μέσω των ΕΑΕ αυξάνεται σταθερά για περισσότερο από 50 χρόνια και αντιπροσωπεύει περίπου το 33% της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα από το 2017.

Η πλειοψηφία της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα - περίπου 66% - παράγεται σε βασικές εγκαταστάσεις οξυγόνου. Η ανάπτυξη μιας μεθόδου για τον διαχωρισμό του οξυγόνου από το άζωτο σε βιομηχανική κλίμακα στη δεκαετία του 1960 επέτρεψε σημαντικές προόδους στην ανάπτυξη βασικών κλιβάνων οξυγόνου.

Οι βασικοί κλίβανοι οξυγόνου διοχετεύουν οξυγόνο σε μεγάλες ποσότητες τετηγμένου σιδήρου και θραύσματα χάλυβα και μπορούν να ολοκληρώσουν ένα φορτίο πολύ πιο γρήγορα από τις μεθόδους ανοιχτής εστίας. Μεγάλα σκάφη που περιέχουν μέχρι 350 τόνους σιδήρου μπορούν να ολοκληρώσουν τη μετατροπή τους σε χάλυβα σε λιγότερο από μία ώρα.

Η αποτελεσματικότητα του κόστους παραγωγής χάλυβα οξυγόνου καθιστούσε τα εργοστάσια ανοιχτής εστίας μη ανταγωνιστικά και, μετά την εμφάνιση της παραγωγής χάλυβα οξυγόνου στη δεκαετία του 1960, άρχισαν να κλείνουν οι ανοιχτές εστίες. Η τελευταία εγκατάσταση ανοιχτής εστίας στις ΗΠΑ έκλεισε το 1992 και στην Κίνα, η τελευταία έκλεισε το 2001.

_Πηγές:

_{Spoerl, Joseph S. Σύντομη ιστορία της παραγωγής σιδήρου και χάλυβα. Το κολλέγιο Saint Anselm.}

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

_{Η παγκόσμια ένωση χάλυβα. Δικτυακός τόπος: www.steeluniversity.org}

_{Οδός, Άρθουρ. & Alexander, W. Ο. 1944. Μέταλλα στην υπηρεσία του ανθρώπου. 11η έκδοση (1998).}