Az acél és a Bessemer folyamat rövid története

A nagyolvasztókemencéket a kínaiak először a 6. században fejlesztették ki, ám Európában a középkorban szélesebb körben alkalmazták, és fokozta az öntöttvas termelését. Nagyon magas hőmérsékleten a vas elkezdi a szén felvételét, ami csökkenti a fém olvadáspontját, és öntvényt eredményez Vas (2,5–4,5% szén).

Az öntöttvas erős, de szenetlensége szenved széntartalma miatt, ezért kevésbé ideális a megmunkáláshoz és az alakításhoz. Ahogy a kohászok tudomásul vették, hogy a magas széntartalom a vasban központi jelentőségű a törékeny, új módszerekkel kísérleteztek a széntartalom csökkentésére annak érdekében, hogy a vas még több legyen megmunkálható.

Modern acélgyártás a vaskészítés korai napjaiból és a későbbi technológiai fejlesztésekből fejlődött ki.

A 18. század végére a vasgyártók megtanultak, hogyan öntött öntöttvasat alacsony széntartalmú kovácsoltvasmá alakíthatják pudingkemencékkel, Henry Cort fejlesztette ki 1784-ben. Nyersvas az olvadt vas, amely kifogyott a nagyolokból és lehűtve van a főcsatorna és a szomszédos öntőformák között. Azért kapta a nevét, mert a nagy, középső és szomszédos kisebb rúd kocára és szopós malacokra hasonlított.

Kovácsoltvas készítéséhez a kemencék melegített olvadt vasat hevítettek, amelyet hosszú, evezős alakú szerszámok segítségével a pelyhereknek kellett keverniük, lehetővé téve az oxigén összekapcsolását és a szén lassú eltávolítását.

A széntartalom csökkenésével a vas olvadáspontja növekszik, így a vas tömege agglomerálódik a kemencében. Ezeket a tömegeket eltávolítják, és egy kovácskalapáccsal megmunkálják a pocsolya előtt, mielőtt lapokra vagy sínekre gördítik. 1860-ra Nagy-Britanniában már több mint 3000 kovácskemence volt, de a folyamatot továbbra is akadályozta munkaerő és üzemanyag-intenzitás.

Buborékfólia - az egyik legkorábbi forma acél-- Németországban és Angliában kezdődött a 17. században, és az olvadt nyersvas széntartalmának a cementálással ismert eljárás alkalmazásával történő növelésével állították elő. Ebben az eljárásban a kovácsoltvas rudakat porfaszénnel kődobozokba rétegezték és melegítették.

Körülbelül egy hét múlva a vas elnyelné a szenet a szénben. Az ismételt hevítés egyenletesebben osztja el a szént, és az eredmény lehűlés után buborékfólia lesz. A magasabb széntartalom miatt a hólyagok acélja sokkal működőképesebbé vált, mint a nyersvas, lehetővé téve annak sajtolását vagy hengerlését.

A hólyagok acélgyártása az 1740-es években haladt tovább, amikor az angol órás gyártó, Benjamin Huntsman rájött, hogy a fém képes az agyagtégelyekbe el kell olvasztani és speciális folyadékkal finomítani, hogy eltávolítsák a salakot, amelyet a cementálási folyamat hátrahagyott. Huntsman próbált kiváló minőségű acélt fejleszteni az órarugóinak. Az eredmény tégely vagy öntött acél volt. A gyártási költségek miatt azonban mind a buborékfóliát, mind az öntött acélt csak speciális alkalmazásokban használták fel.

Ennek eredményeként a 19. század nagy részében a pocsolyakemencékben előállított öntöttvas továbbra is az elsődleges szerkezeti fém volt Nagy-Britanniában az iparosodás során.

A vasutak növekedése a 19. században Európában és Amerikában egyaránt nagy nyomást gyakorolt ​​a vasiparra, amely továbbra is küzdött a nem hatékony termelési folyamatokkal. Az acél szerkezeti fémként továbbra sem bizonyított, a gyártás lassú és költséges. 1856-ig volt, amikor Henry Bessemer hatékonyabb módszert dolgozott ki az oxigén bevezetésére az olvadt vasba a széntartalom csökkentése érdekében.

A Bessemer, a mai nevén Bessemer-folyamat néven ismert, körte alakú tartályt alakított ki - amely átalakítónak nevezik -, amelyben a vas melegíthető, miközben az oxigén az olvadt fémön keresztül átfújható. Amint az oxigén áthalad az olvadt fémön, reakcióba lép a szénnel, felszabadítva a széndioxidot, és tisztább vas képződik.

A folyamat gyors és olcsó volt, néhány perc alatt eltávolította a szén és a szilícium a vasból, de túlságosan sikeresnek bizonyult. Túl sok szén került eltávolításra, és túl sok oxigén maradt a végtermékben. Bessemernek végül vissza kellett fizetnie befektetőit, amíg nem talált módszert a széntartalom növelésére és a nem kívánt oxigén eltávolítására.

Körülbelül ugyanabban az időben a brit kohász, Robert Mushet megszerezte és megkezdte a vas, szén és fém vegyület tesztelését mangán- spiegeleisen néven ismert. A mangánról ismert, hogy eltávolítja az oxigént az olvadt vasból, és ha a megfelelő mennyiségben adják hozzá a spiegeleisen széntartalmát, akkor megoldást nyújtanak Bessemer problémáira. Bessemer nagy sikerrel kezdett hozzá hozzáadni az átalakítási folyamatához.

Az egyik probléma megmaradt. Bessemernek nem sikerült megtalálnia a módját, hogy a foszfort - egy ártalmas szennyeződést, amely acélt törékennyé tesz - távolítsa el a végtermékéből. Következésképpen csak Svédországból és Walesből származó foszformentes ércek használhatók.

1876-ban Welshman Sidney Gilchrist Thomas megoldást talált azzal, hogy kémiailag bázikus folyadékot - mészkövet - adott a Bessemer-folyamathoz. A mészkő az öntöttvasból a salakba foszfort vezetött, lehetővé téve a nem kívánt elem eltávolítását.

Ez az újítás azt jelentette, hogy a világ bármely részéből származó érc végül felhasználható acélgyártáshoz. Nem meglepő, hogy az acélgyártási költségek jelentősen csökkentek. Az acélvasút árai több mint 80 százalékkal estek 1867 és 1884 között, ami a világ acéliparának növekedését indította el.

Az 1860-as években a német Karl Wilhelm Siemens mérnök tovább fejlesztette az acéltermelést a nyílt kandallófolyamat létrehozásával. Ez acél nyersvasból készült nagy sekélyes kemencékben.

Magas hőmérsékleten a fölösleges szén és más szennyeződések elégetésére használtuk a folyamatot a kandalló alatti fűtött téglakamrákra. A regenerációs kemencék később a kemencéből származó kipufogógázokat használták az alacsony téglakamra magas hőmérséklete fenntartására.

Ez a módszer lehetővé tette sokkal nagyobb mennyiségek előállítását (50–100 tonna egy kemencében), időszakos tesztelést megolvasztott acélból, így az előállítható bizonyos előírásoknak és az acélhulladék nyersanyagként történő felhasználására anyag. Bár maga a folyamat sokkal lassabb volt, 1900-ra a nyitott kandallófolyamat nagyrészt felváltotta a Bessemer folyamatát.

Az acélgyártás forradalmát, amely olcsóbb, jobb minőségű anyagot nyújtott, a napjaink számos üzletembere befektetési lehetőségnek ismerte el. Század végi kapitalisták, köztük Andrew Carnegie és Charles Schwab, milliókat (Carnegie esetében milliárdok) fektetett be az acéliparba. A Carnegie 1901-ben alapított amerikai acélvállalata volt az első olyan társaság, amelyet valaha több mint 1 milliárd dollárra becsültek.

Közvetlenül a századforduló után Paul Heroult elektromos ívkemencéjét (EAF) úgy tervezték, hogy egy elektromos áramot továbbítson a töltött anyagon, exoterm oxidációt és 3272 Fahrenheit fok (1800 Celsius fok) hőmérsékleti hőmérsékletet eredményez, több mint elegendő az acél melegítéséhez Termelés.

A kezdetben speciális acélokhoz használt EAF-k használatát növelték, és a II. Világháborúban acélötvözetek gyártására használták. Az EAF-malmok felállításához kapcsolódó alacsony beruházási költségek lehetővé tették számukra, hogy versenyezzenek az olyan nagy amerikai gyártókkal, mint az US Steel Corp. és a Bethlehem Steel, különösen a szénacélban vagy hosszú termékekben.

Mivel az EAF-k acéltermelést tudnak előállítani 100% -ban hulladékból - vagy hideg vas-alapanyagból -, termelési egységre kevesebb energiára van szükség. Az alapvető oxigén kandallókkal ellentétben a mûveletek szintén leállíthatók és kevés kapcsolódó költséggel elindíthatók. Ezen okok miatt az EAF-on keresztül történő termelés több mint 50 éve folyamatosan növekszik, és 2017-től a globális acéltermelés mintegy 33% -át tette ki.

A globális acéltermelés nagy részét - körülbelül 66% -át - alapvető oxigénüzemekben állítják elő. Az 1960-as években az oxigén és a nitrogén ipari szintű elválasztására szolgáló módszer kifejlesztése jelentős előrelépést tett lehetővé az alapvető oxigénkemencék fejlesztésében.

Az alapvető oxigénkemencék nagy mennyiségű olvadt vasba és acélhulladékba fújják az oxigént, és sokkal gyorsabban töltik be a töltést, mint a nyílt kandallós módszerek. A nagyméretű, legfeljebb 350 tonnás vastartalmú hajók egy órán belül teljes mértékben acéllá alakulhatnak.

Az oxigén acélgyártás költséghatékonysága miatt a nyitott kandallós gyárak nem váltak versenyképessé, és az oxigén acélgyártás 1960-as években történt megjelenése után a nyitott kandallóval végzett műveletek bezártak. Az Egyesült Államokban az utolsó nyitott kandallóval ellátott létesítmény 1992-ben és Kínában zárult, az utóbbi pedig 2001-ben zárult be.

_Forrás:

_{Spoerl, Joseph S. A vas- és acélgyártás rövid története. Saint Anselm Főiskola.}

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

_{Acél Világszövetség. Weboldal: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Fémek az ember szolgálatában. 11. kiadás (1998).}