Historien om stål

Fra jernalder til lysbueovner

Buena Vista Images / Getty Images

Utviklingen av stål kan spores tilbake 4000 år til begynnelsen av jernalderen. Viser seg å være hardere og sterkere enn bronse, som tidligere hadde vært det mest brukte metallet, jern begynte å fortrenge bronse i våpen og verktøy.

I de påfølgende få tusen årene vil imidlertid kvaliteten på produsert jern avhenge like mye av tilgjengelig malm som av produksjonsmetodene.

På 1600-tallet var jernets egenskaper godt forstått, men økende urbanisering i Europa krevde et mer allsidig strukturelt metall. Og på 1800-tallet ble mengden jern konsumert av utvidede jernbaner metallurger med det økonomiske insentivet til å finne en løsning på jernets sprøhet og ineffektive produksjonsprosesser.

Det største gjennombruddet i stålhistorien kom uten tvil i 1856 da Henry Bessemer utviklet en effektiv måte å bruke oksygen for å redusere karboninnholdet i jern: Den moderne stålindustrien ble født.

Jernets æra

Ved svært høye temperaturer begynner jern å absorbere karbon, noe som senker metallets smeltepunkt, noe som resulterer i støpejern (2,5 til 4,5 % karbon). Utviklingen av masovner, først brukt av kineserne på 600-tallet f.Kr., men mer utbredt i Europa under middelalderen, økte produksjonen av støpejern.

Råjern er smeltet jern som renner ut av masovnene og avkjøles i hovedkanalen og tilstøtende støpeformer. De store, sentrale og tilstøtende mindre blokkene lignet en purke og diende smågriser.

Støpejern er sterkt, men lider av sprøhet på grunn av karboninnholdet, noe som gjør det mindre enn ideelt for arbeid og forming. Etter hvert som metallurger ble klar over at det høye karboninnholdet i jern var sentralt for problemet med sprøhet, eksperimenterte de med nye metoder for å redusere karboninnholdet for å gjøre jern mer brukbart.

På slutten av 1700-tallet lærte jernprodusenter hvordan man forvandler støpejern til et smijern med lavt karboninnhold ved hjelp av puddlingovner (utviklet av Henry Cort i 1784). Ovnene varmet opp smeltet jern, som måtte røres av pytter ved hjelp av lange, åreformede verktøy, slik at oksygen kunne kombineres med og sakte fjerne karbon.

Når karboninnholdet synker, øker jernets smeltepunkt, slik at jernmasser vil agglomerere i ovnen. Disse massene ville bli fjernet og bearbeidet med en smiehammer av pytten før de ble rullet inn i ark eller skinner. I 1860 var det over 3000 puddlingovner i Storbritannia, men prosessen forble hindret av arbeids- og drivstoffintensiteten.

En av de tidligste formene for stål, blisterstål, startet produksjonen i Tyskland og England på 1600-tallet og ble produsert ved å øke karboninnholdet i smeltet råjern ved å bruke en prosess kjent som sementering. I denne prosessen ble stenger av smijern lagt lagvis med pulverisert kull i steinkasser og varmet opp.

Etter omtrent en uke ville jernet absorbere karbonet i trekullet. Gjentatt oppvarming ville fordele karbon jevnere og resultatet, etter avkjøling, ble blemmestål. Det høyere karboninnholdet gjorde blisterstål mye mer brukbart enn råjern, slik at det kunne presses eller rulles.

Blisterstålproduksjonen avanserte på 1740-tallet da den engelske urmakeren Benjamin Huntsman, mens han prøvde å utvikle høykvalitetsstål for sine klokkefjærer, fant ut at metallet kunne smeltes i leirdigler og raffineres med en spesiell fluss for å fjerne slagg som sementeringsprosessen etterlot seg. . Resultatet ble en smeltedigel, eller støpt stål. Men på grunn av produksjonskostnadene ble både blisterstål og støpt stål bare noen gang brukt i spesialapplikasjoner.

Som et resultat forble støpejern laget i puddlingovner det primære strukturelle metallet i industrialiseringen av Storbritannia i løpet av det meste av 1800-tallet.

Bessemer-prosessen og moderne stålproduksjon

Veksten av jernbaner i løpet av 1800-tallet i både Europa og Amerika la et enormt press på jernindustrien, som fortsatt slet med ineffektive produksjonsprosesser. Stål var fortsatt uprøvd som et strukturelt metall og produksjonen av produktet var treg og kostbar. Det var til 1856 da Henry Bessemer kom opp med en mer effektiv måte å introdusere oksygen i smeltet jern for å redusere karboninnholdet.

Nå kjent som Bessemer-prosessen, designet Bessemer en pæreformet beholder, referert til som en 'omformer' der jern kunne varmes opp mens oksygen kan blåses gjennom det smeltede metallet. Når oksygen passerte gjennom det smeltede metallet, ville det reagere med karbonet, frigjøre karbondioksid og produsere et mer rent jern.

Prosessen var rask og billig, og fjernet karbon og silisium fra jern i løpet av få minutter, men led av å være for vellykket. For mye karbon ble fjernet, og for mye oksygen ble igjen i sluttproduktet. Bessemer måtte til slutt betale tilbake investorene sine til han kunne finne en metode for å øke karboninnholdet og fjerne det uønskede oksygenet.

Omtrent samtidig kjøpte og begynte den britiske metallurgen Robert Mushet å teste en forbindelse av jern, karbon og mangan , kjent som spiegeleisen. Mangan var kjent for å fjerne oksygen fra smeltet jern og karboninnholdet i speiljernet, hvis tilsatt i riktige mengder, ville gi løsningen på Bessemers problemer. Bessemer begynte å legge den til sin konverteringsprosess med stor suksess.

Ett problem gjensto. Bessemer hadde ikke klart å finne en måte å fjerne fosfor, en skadelig urenhet som gjør stål sprøtt, fra sluttproduktet hans. Følgelig kunne kun fosforfri malm fra Sverige og Wales brukes.

I 1876 kom walisiske Sidney Gilchrist Thomas opp med løsningen ved å tilsette en kjemisk grunnleggende fluss, kalkstein, til Bessemer-prosessen. Kalksteinen trakk fosfor fra råjernet inn i slagget, slik at det uønskede elementet ble fjernet.

Denne innovasjonen betydde at endelig kunne jernmalm fra hvor som helst i verden brukes til å lage stål. Ikke overraskende begynte stålproduksjonskostnadene å synke betydelig. Prisene for stålskinne falt mer enn 80 % mellom 1867 og 1884, som et resultat av de nye stålproduksjonsteknikkene, som startet veksten av verdens stålindustri.

Den åpne ildsted-prosessen

På 1860-tallet forbedret den tyske ingeniøren Karl Wilhelm Siemens stålproduksjonen ytterligere gjennom sin opprettelse av prosessen med åpen ild. Åpen ildprosess produserte stål fra råjern i store grunne ovner.

Prosessen, som brukte høye temperaturer for å brenne av overflødig karbon og andre urenheter, var avhengig av oppvarmede mursteinskamre under ildstedet. Regenerative ovner brukte senere eksosgasser fra ovnen for å opprettholde høye temperaturer i mursteinskamrene nedenfor.

Denne metoden tillot produksjon av mye større mengder (50-100 tonn kunne produseres i en ovn), periodisk testing av det smeltede stålet slik at det kunne lages for å møte spesielle spesifikasjoner og bruk av skrapstål som råmateriale . Selv om selve prosessen var mye langsommere, i 1900, hadde den åpne ildstedet først og fremst erstattet Bessemer-prosessen.

Stålindustriens fødsel

Revolusjonen innen stålproduksjon som ga billigere materialer av høyere kvalitet, ble anerkjent av mange forretningsmenn på den tiden som en investeringsmulighet. Kapitalister på slutten av 1800-tallet, inkludert Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerte og tjente millioner (milliarder i Carnegies tilfelle) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, grunnlagt i 1901, var det første selskapet som noen gang ble lansert til en verdi av over én milliard dollar.

Elektrisk lysbueovn Stålproduksjon

Like etter århundreskiftet skjedde en annen utvikling som ville ha sterk innflytelse på utviklingen av stålproduksjonen. Paul Heroults elektriske lysbueovn (EAF) ble designet for å føre en elektrisk strøm gjennom ladet materiale, noe som resulterer i eksoterm oksidasjon og temperaturer opp til 3272 ° F (1800 ° C), mer enn tilstrekkelig til å varme opp stålproduksjon.

Opprinnelig brukt til spesialstål, vokste EAF-er i bruk og ble etter andre verdenskrig brukt til produksjon av stållegeringer. De lave investeringskostnadene involvert i å sette opp EAF-fabrikker tillot dem å konkurrere med de store amerikanske produsentene som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, spesielt innen karbonstål eller lange produkter.

Fordi EAF-er kan produsere stål fra 100 % skrap, eller kald jernholdig fôr, er det nødvendig med mindre energi per produksjonsenhet. I motsetning til grunnleggende oksygenildsteder, kan operasjoner også stoppes og startes med en liten tilknyttet kostnad. Av disse grunnene har produksjonen via EAF-er økt jevnt og trutt i over 50 år og utgjør nå omtrent 33 % av den globale stålproduksjonen.

Oksygen stålproduksjon

Størstedelen av den globale stålproduksjonen, omtrent 66 %, produseres nå i basiske oksygenanlegg - utviklingen av en metode for å skille oksygen fra nitrogen i industriell skala på 1960-tallet tillot store fremskritt i utviklingen av basiske oksygenovner.

Grunnleggende oksygenovner blåser oksygen inn i store mengder smeltet jern og skrapstål og kan fullføre en ladning mye raskere enn metoder med åpen ild. Store fartøyer med opptil 350 tonn jern kan fullføre konverteringen til stål på mindre enn én time.

Kostnadseffektiviteten til oksygenstålfremstilling gjorde fabrikker med åpen ild ukonkurransedyktige, og etter fremkomsten av oksygenstålproduksjon på 1960-tallet begynte operasjoner med åpen ild å stenge. Det siste åpne ildstedet i USA stengte i 1992 og Kina i 2001.