Кратка история на стоманата и процеса на Бесемер

Доменните пещи са разработени за първи път от китайците през VI век пр.н.е., но те са били по-широко използвани в Европа през Средновековието и увеличават производството на чугун. При много високи температури желязото започва да абсорбира въглерода, което понижава точката на топене на метала, което води до отливане желязо (2,5% до 4,5% въглерод).

Чугунът е силен, но страда от крехкост поради съдържанието си на въглерод, което го прави по-малко от идеален за работа и оформяне. След като металурзите станаха наясно, че високото съдържание на въглерод в желязото е централно за проблема крехкост, те експериментираха с нови методи за намаляване на съдържанието на въглерод, за да направят желязото повече приложима.

модерен за производство на стомана еволюира от тези ранни дни на производството на желязо и последващи разработки в технологиите.

До края на 18 век производителите на желязо научават как да трансформират чугун в ковано желязо с ниско съдържание на въглерод с помощта на пещи за пудинг, разработени от Хенри Корт през 1784 година. Чугунът е разтопеното желязо, което се изчерпва от доменните пещи и се охлажда в основния канал и прилежащите му форми. Той получи името си, защото големите, централни и прилежащи по-малки слитъци наподобяват прасета за свине и кърмене.

За да направят ковано желязо, пещите нагряват разтопено желязо, което трябва да се разбърква от локви с помощта на дълги инструменти с форма на гребла, което позволява на кислорода да се комбинира и бавно да отстранява въглерода.

С намаляването на съдържанието на въглерод точката на топене на желязото се увеличава, така че маси от желязо ще се агломерират в пещта. Тези маси ще бъдат премахнати и работещи с ковачен чук от локвата, преди да бъдат навити в чаршафи или релси. Към 1860 г. във Великобритания има повече от 3000 пещи за пулверизация, но процесът остава възпрепятстван от трудовата и горивната интензивност.

Блистерна стомана - една от най-ранните форми на стомана—Почна производството в Германия и Англия през 17 век и се получава чрез увеличаване на съдържанието на въглерод в разтопен чугун, използвайки процес, известен като циментиране. В този процес баровете от ковано желязо бяха слоени с прах от дървени въглища в каменни кутии и се нагреваха.

След около седмица желязото ще абсорбира въглерода в въглен. Многократното нагряване би разпределило въглерода по-равномерно, а резултатът след охлаждане беше блистерна стомана. По-високото съдържание на въглерод прави блистерната стомана много по-работеща от чугун, което позволява нейното пресоване или валцуване.

Производството на блистерни стомани напредна през 1740-те, когато английският часовникар Бенджамин Хънтсман установи, че металът може да се разтопи в глинени тигели и да се рафинира със специален флюс, за да се отстрани шлаката, която процесът на циментация оставя след себе си. Хънтсман се опитваше да разработи висококачествена стомана за своите пружини на часовника. Резултатът беше тигел - или чугунена стомана. Поради производствените разходи обаче, както блистерите, така и чугунните стомани са били използвани винаги в специални приложения.

В резултат на това чугунът, направен в пещи за остатъци, остава основният структурен метал в индустриализираната Великобритания през по-голямата част от 19-ти век.

Ръстът на железопътните пътища през 19 век както в Европа, така и в Америка оказва голям натиск върху желязопромишлеността, която все още се бори с неефективните производствени процеси. Стоманата все още беше недоказана като конструкционен метал и производството беше бавно и скъпо. Това беше до 1856 г., когато Хенри Бесемер измисли по-ефективен начин за въвеждане на кислород в разтопено желязо, за да намали съдържанието на въглерод.

Сега известен като Bessemer Process, Bessemer е проектирал крушовиден съд - наричан конвертор - в който желязото може да се нагрява, докато кислородът може да се изпуска през разтопения метал. Докато кислородът преминава през разтопения метал, той ще реагира с въглерода, освобождавайки въглероден диоксид и произвеждайки по-чисто желязо.

Процесът беше бърз и евтин, отстранявайки въглерод и силиций от желязо за няколко минути, но страдаше от твърде успех. Прекалено много въглерод се отстранява и в крайния продукт остава твърде много кислород. В крайна сметка Бесемер трябваше да изплати на инвеститорите си, докато не намери метод за увеличаване на съдържанието на въглерод и премахване на нежелания кислород.

Приблизително по същото време британският металург Робърт Мушет придоби и започна да изпитва съединение от желязо, въглерод и манган—Известен като spiegeleisen. Известно е, че манганът премахва кислорода от разтопеното желязо и съдържанието на въглерод в spiegeleisen, ако се добави в правилните количества, ще осигури решението на проблемите на Бесемер. Бесемер започна да го добавя към процеса на конверсия с голям успех.

Остана един проблем. Бесемер не успя да намери начин да премахне фосфора - вредно примес, който прави стоманата чуплива - от крайния му продукт. Следователно могат да се използват само руди без фосфор от Швеция и Уелс.

През 1876 г. Уелсман Сидни Гилкрист Томас предлага решение, като добавя химически основен флюс - варовик - към процеса на Бесемер. Варовикът извлича фосфор от чугуна в шлаката, което позволява премахването на нежелания елемент.

Тази иновация означаваше, че най-накрая желязна руда може да бъде използвана за производството на стомана. Не е изненадващо, че разходите за производство на стомана започнаха значително да намаляват. Цените на стоманената железопътна линия спаднаха с над 80 процента между 1867 и 1884 г., което даде началото на растежа на световната стоманодобивна промишленост.

През 1860 г. немският инженер Карл Вилхелм Сименс допълнително подобрява производството на стомана чрез създаването на процеса на открито огнище. Това произвежда стомана от чугун в големи плитки пещи.

Използвайки високи температури за изгаряне на излишния въглерод и други примеси, процесът разчита на отопляеми тухлени камери под огнището. По-късно регенеративните пещи използваха отработените газове от пещта за поддържане на високи температури в тухлените камери по-долу.

Този метод позволи производството на много по-големи количества (50-100 метрични тона в една пещ), периодични изпитвания от разтопената стомана, така че тя да може да бъде изпълнена с конкретни спецификации и използването на скрап като необработена стомана материал. Въпреки че самият процес е много по-бавен, до 1900 г. процесът на открито огнище до голяма степен замества процеса на Бесемер.

Революцията в производството на стомана, която предостави по-евтин и по-качествен материал, беше призната от много бизнесмени на деня като инвестиционна възможност. Капиталистите от края на 19 век, включително Андрю Карнеги и Чарлз Шваб, инвестира и направи милиони (милиарди в случая с Карнеги) в стоманодобивната промишленост. US Steel Corporation, основана през 1901 г. на Carnegie, беше първата корпорация, оценена някога на повече от 1 милиард долара.

Точно след началото на века електрическата дъгова пещ на Paul Heroult (EAF) е проектирана да пропуска електрически ток през зареден материал, което води до екзотермично окисляване и температури до 3 272 градуса по Фаренхайт (1800 градуса по Целзий), повече от достатъчни за загряване на стомана производство.

Първоначално използван за специални стомани, EAF нараства в употреба и от Втората световна война се използва за производството на стоманени сплави. Ниските инвестиционни разходи, свързани с създаването на фабрики за ЕЗФ, им позволиха да се конкурират с големите американски производители като US Steel Corp. и Витлеемска стомана, особено във въглеродни стомани или дълги продукти.

Тъй като ЕАФ могат да произвеждат стомана от 100-процентов скрап - или студено железен - фураж, е необходима по-малко енергия за единица продукция. За разлика от основните кислородни огнища, операциите също могат да бъдат спрени и да започнат с малко свързани разходи. Поради тези причини производството през EAF непрекъснато се увеличава повече от 50 години и представлява около 33 процента от световното производство на стомана към 2017 г.

По-голямата част от световното производство на стомана - около 66 процента - се произвежда в основни кислородни съоръжения. Разработването на метод за отделяне на кислород от азот в индустриален мащаб през 60-те години на миналия век дава възможност за сериозен напредък в развитието на основни кислородни пещи.

Основните кислородни пещи издухват кислород в големи количества стопено желязо и скрап и могат да изпълнят зареждане много по-бързо от методите на открито огнище. Големите съдове, съдържащи до 350 метрични тона желязо, могат да завършат преобразуването в стомана за по-малко от един час.

Ефективността на разходите за производство на кислородна стомана направи фабриките за отваряне на огнища неконкурентоспособни и след появата на производство на кислородна стомана през 60-те години, операциите на открито огнище започнаха да се затварят. Последното съоръжение на открито огнище в САЩ затвори през 1992 г. и в Китай, последното затворено през 2001 г.

_{Източници:}

_{Спорър, Джоузеф С. Кратка история на производството на желязо и стомана. Колеж Сен Анселм.}

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

_{Световната стоманена асоциация. Уебсайт: www.steeluniversity.org}

_{Улица, Артур. & Alexander, W. О. 1944. Метали в служба на човека. 11-то издание (1998).}