O scurtă istorie a oțelului

Furnalele au fost dezvoltate pentru prima oară de către chinezi în secolul al VI-lea, dar au fost mai utilizate pe scară largă în Europa în Evul Mediu și au crescut producția de fontă. La temperaturi foarte ridicate, fierul incepe sa absoarba carbonul, ceea ce scade punctul de topire al metalului, rezultand fonta (2,5% pana la 4,5% carbon).

Fonta este puternică, dar suferă de fragilitate datorită conținutului de carbon, făcându-l mai puțin decât ideal pentru lucru și modelare. Pe măsură ce metalurgii au conștientizat că conținutul ridicat de carbon în fier era esențial pentru problema fragilității, ei au experimentat metode noi de reducere a conținutului de carbon pentru a face ferul mai eficient.

Producția modernă de oțel a evoluat de la începutul zilei de fabricare a fierului și de evoluția ulterioară a tehnologiei.

Fier forjat

Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, feronerii au învățat cum să transforme fonta turnată într-un fier forjat cu conținut redus de carbon, folosind cuptoare de băltoace, dezvoltate de Henry Cort în 1784. Fierul de fier este fierul topit, care este lăsat în furnițe și răcit în principal canal și matrițe adiacente. A luat numele, deoarece lingourile mari, centrale și adiacente semanau cu o scroafă și purceii care sugeau.

Pentru a face fier forjat, cuptoarele au încălzit fierul topit care a trebuit să fie agitat de băutoare folosind unelte lungi în formă de vierme, permițând oxigenului să se combine cu și să îndepărteze lent carbonul.

Pe măsură ce conținutul de carbon scade, punctul de topire al fierului crește, astfel încât masele de fier se vor aglomera în cuptor. Aceste mase vor fi îndepărtate și lucrate cu un ciocan forjat de către puddler înainte de a fi laminate în foi sau șine. Până în 1860, în Marea Britanie existau mai mult de 3.000 de cuptoare, însă procesul a rămas îngreunat de munca și intensitatea combustibilului.

Blister Steel

Blisterul oțel - una dintre cele mai vechi forme de oțel - a început producția în Germania și Anglia în secolul al XVII-lea și a fost produs prin creșterea conținutului de carbon în fonta topită topită folosind un proces cunoscut sub denumirea de cimentare. În acest proces, barele din fier forjat au fost stratificate cu cărbune pulverizat în cutii de piatră și încălzite.

După aproximativ o săptămână, fierul va absorbi carbonul din cărbune. Încălzirea repetată ar distribui carbonul mai uniform, iar rezultatul, după răcire, a fost oțelul blister. Conținutul ridicat de carbon a făcut din oțelul blister mult mai eficient decât fonta, permițându-i să fie presată sau laminată.

Producția de oțel în blister a avansat în anii 1740 când ceasornicarul englez Benjamin Huntsman a constatat că metalul ar putea fi topit în creuzeți de lut și rafinat cu un flux special pentru a îndepărta zgura pe care procesul de cimentare l-a lăsat în urmă. Huntsman încerca să dezvolte oțel de înaltă calitate pentru izvoarele sale de ceas. Rezultatul a fost creuzetul sau oțelul turnat. Din cauza costului de producție, totuși, atât blisterul, cât și oțelul turnat au fost folosite doar în aplicații de specialitate.

Ca rezultat, fonta fabricată în cuptoarele de băltoace a rămas metalul structural principal în industrializarea Marii Britanii în cea mai mare parte a secolului al XIX-lea.

Procesul Bessemer și modernizarea oțelului

Creșterea căilor ferate în timpul secolului al XIX-lea, atât în ​​Europa cât și în America, a pus o presiune puternică asupra industriei de fier, care încă se confrunta cu procese ineficiente de producție. Oțelul nu a fost încă dovedit ca un metal structural, iar producția era lentă și costisitoare. Asta a fost până în 1856 când Henry Bessemer a venit cu o modalitate mai eficientă de a introduce oxigen în fierul topit pentru a reduce conținutul de carbon.

Acum, cunoscut sub numele de Procesul Bessemer, Bessemer a proiectat un recipient în formă de pară - numit convertor - în care fierul ar putea fi încălzit în timp ce oxigenul ar putea fi suflat prin metalul topit. Când oxigenul trecea prin metalul topit, ar reacționa cu carbonul, eliberând dioxidul de carbon și producând un fier mai pur.

Procesul a fost rapid și ieftin, eliminând carbonul și siliciul din fier în câteva minute, dar a suferit de prea mult succes. Prea mult carbon a fost eliminat și prea mult oxigen a rămas în produsul final. În cele din urmă, Bessemer a trebuit să-și plătească investitorii până a găsit o metodă de creștere a conținutului de carbon și de eliminare a oxigenului nedorit.

În același timp, metalurgistul britanic Robert Mushet a achiziționat și a început să testeze un compus de fier, carbon și mangan - cunoscut ca spiegeleisen. Manganul era cunoscut că îndepărtează oxigenul din fierul topit, iar conținutul de carbon din spiegeleisen, dacă este adăugat în cantitățile potrivite, ar oferi soluția problemelor lui Bessemer. Bessemer a început să îl adauge la procesul său de conversie cu mare succes.

O problemă a rămas. Bessemer nu a reușit să găsească o cale de îndepărtare a fosforului - o impuritate dăunătoare care face oțelul fragil - de la produsul final. În consecință, pot fi utilizate numai minereuri fără fosfor din Suedia și Țara Galilor.

În 1876, Welshman Sidney Gilchrist Thomas a venit cu o soluție prin adăugarea unui calcar bazic chimic - procesului Bessemer. Piatra de calcar a scos fosforul din fontă în zgură, permițând îndepărtarea elementului nedorit.

Această inovație a însemnat că minereul de fier de oriunde din lume ar putea fi folosit în final pentru fabricarea oțelului. Fara a fi surprinzator, costurile de productie din otel au inceput sa scada in mod semnificativ. Prețurile pentru șinele de oțel au scăzut cu mai mult de 80% între 1867 și 1884, inițiind o creștere a industriei siderurgice mondiale.

Procesul Open Hearth

În anii 1860, inginerul german Karl Wilhelm Siemens a îmbunătățit și mai mult producția de oțel prin crearea procesului de vierme deschisă.Acest lucru a produs oțel din fontă în cuptoare mari de mică adâncime.

Folosind temperaturi ridicate pentru a arde excesul de carbon și alte impurități, procesul sa bazat pe cărămizi încălzite sub vatră. Cuptoarele regeneratoare au folosit mai târziu gazele de evacuare din cuptor pentru a menține temperaturile înalte în camerele de cărămidă de mai jos.

Această metodă permite producerea unor cantități mult mai mari (50-100 de tone într-un cuptor), testarea periodică a oțelului topit, astfel încât să poată fi realizată pentru a îndeplini anumite specificații, precum și utilizarea oțelului rezidual ca materie primă. Deși procesul în sine a fost mult mai lent, până în 1900 procesul de vierme deschis a înlocuit în mare măsură procesul Bessemer.

Nașterea industriei siderurgice

Revoluția în producția de oțel, care a furnizat material mai ieftin, de calitate superioară, a fost recunoscută de mulți oameni de afaceri ai zilei ca o oportunitate de investiție. Capitaliștii de la sfârșitul secolului al XIX-lea, inclusiv Andrew Carnegie și Charles Schwab, au investit și au făcut milioane în industria siderurgică (miliarde în cazul lui Carnegie). Carnegie, US Steel Corporation, fondată în 1901, a fost prima corporație vreodată evaluată la peste 1 miliard de dolari.

Cuptor cu arc electric

Chiar după sfârșitul secolului, cuptorul cu arc electric al lui Paul Heroult (EAF) a fost proiectat să treacă un curent electric prin intermediul unui material încărcat, rezultând o oxidare exotermă și temperaturi de până la 3.272 grade Fahrenheit (1.800 grade Celsius), mai mult decât suficient pentru a încălzi oțelul producție.

Inițial utilizat pentru oțelurile de specialitate, EAF-urile au crescut și în timpul celui de-al doilea război mondial au fost utilizate pentru fabricarea aliajelor de oțel. Costul redus al investițiilor implicat în înființarea fabricilor EAF le-a permis să concureze cu principalii producători americani, precum US Steel Corp și Bethlehem Steel, în special în oțelurile de carbon sau produsele lungi.

Deoarece EAF pot produce oțel din resturi de 100 procente sau furaje feroase la rece, este nevoie de mai puțină energie pe unitate de producție. Spre deosebire de vetrele de oxigen de bază, operațiunile pot fi oprite și pornite cu un cost redus asociat. Din aceste motive, producția prin EAF a crescut constant de peste 50 de ani și a reprezentat aproximativ 33% din producția globală de oțel, începând din 2017.

Oxigenarea oțelului

Majoritatea producției globale de oțel - de aproximativ 66% - este produsă în instalațiile de oxigen de bază. Dezvoltarea unei metode de separare a oxigenului de azot la scară industrială în anii 1960 a permis avansuri majore în dezvoltarea cuptoarelor cu oxigen de bază.

Cuptoarele de oxigen de bază aruncă oxigen în cantități mari de fier topit și oțel rezidual și pot completa o încărcătură mult mai rapid decât metodele open-vatră. Navele mari care dețin până la 350 de tone metale de fier pot transforma conversia în oțel în mai puțin de o oră.

Eficiența costurilor fabricării oțelului de oxigen a făcut ca fabricile de vesela deschise să fie necompetitive și, ca urmare a apariției producției de oxigen de oxigen în anii 1960, operațiunile de încălzire deschisă au început să se închidă. Ultima instalație de gătit deschis din S.U.A. a fost închisă în 1992 și în China, ultima fiind închisă în 2001.

_surse:

_{Spoerl, Joseph S. O scurtă istorie a producției de fier și oțel . Colegiul Saint Anselm.}

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

_{Asociația Mondială a Oțelului. Site web: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metalele din serviciul omului . Ediția a 11-a (1998).}