История стали

Развитие стали можно проследить за 4000 лет до начала железного века. Оказалось, что железо тверже и прочнее, чем бронза, которая ранее была наиболее широко используемым металлом, и теперь оно начало вытеснять бронзу в оружии и инструментах.

В следующих случаях: Однако через несколько тысяч лет качество производимого железа будет зависеть как от доступной руды, так и от методов производства.

К 17 веку свойства железа были хорошо поняты, но растущая урбанизация в Европе требовала более универсального конструкционного металла. А к XIX веку количество железа, потребляемого расширением железных дорог, дало металлургам финансовый стимул найти решение проблемы хрупкости железа и неэффективных производственных процессов.

Тем не менее, несомненно, самый большой прорыв в истории стали произошел в 1856 году, когда Генри Бессемер разработал эффективный способ использования кислорода для снижения содержания углерода в чугуне: зародилась современная сталелитейная промышленность.

Эпоха железа

При очень высоких температурах железо начинает поглощать углерод, что снижает температуру плавления металла, в результате чего образуется чугун (от 2,5 до 4,5% углерода ). Развитие доменных печей, впервые использованных китайцами в 6 веке до нашей эры, но более широко используемых в Европе в средние века, увеличило производство чугуна.

Чугун – это жидкий чугун, выходящий из доменных печей и охлаждаемый в основном канале и прилегающих к нему изложницах. Большие, центральные и прилегающие меньшие слитки напоминали свиноматку и поросят-сосунков.

Чугун прочный, но страдает хрупкостью из-за содержания углерода, что делает его менее прочным. чем идеально подходит для работы и формовки. Когда металлурги осознали, что высокое содержание углерода в железе является центральным элементом проблемы хрупкости, они экспериментировали с новыми методами снижения содержания углерода, чтобы сделать железо более пригодным для обработки.

К концу 18 века производители чугуна научились превращать чугун в кованое железо с низким содержанием углерода с помощью пудлинговых печей (разработанных Генри Корт в 1784 году). В печах нагревается расплавленный чугун, который необходимо перемешивать в лужах с использованием длинных веслообразных инструментов, позволяя кислороду соединяться с углеродом и медленно удалять его.

Как содержание углерода уменьшается, температура плавления железа увеличивается, поэтому массы железа будут агломерироваться в печи. Эти массы удалялись и обрабатывались кузнечным молотком у лужи перед тем, как свернуть их в листы или рельсы. К 1860 году в Великобритании насчитывалось более 3000 печей для пудлинга, но процесс оставался затрудненным из-за трудоемкости и расхода топлива.

Одна из самых ранних форм стали, Черновая сталь, производство которой началось в Германии и Англии в 17 веке, производилась путем увеличения содержания углерода в расплавленном чугуне с использованием процесса, известного как цементация.. В этом процессе прутки из кованого железа наслоились порошкообразным углем в каменных ящиках и нагревались.

Примерно через неделю железо поглотило углерод из уголь. При повторном нагреве углерод распределяется более равномерно, и в результате после охлаждения получается черновая сталь. Более высокое содержание углерода сделало черновую сталь намного более пригодной для обработки, чем чугун, что позволило ее прессовать или прокатывать.

Производство черновой стали развивалось в 1740-х годах, когда английский часовщик Бенджамин Хантсман, пытаясь разработать высококачественную сталь для своих часовых пружин, обнаружил, что металл можно плавить в глиняных тиглях и обрабатывать специальным флюсом для удаления шлака, оставшегося после процесса цементирования. В результате получился тигель или литая сталь. Но из-за стоимости производства и черновая, и литая сталь когда-либо использовались только для специальных целей.

В результате остался чугун, изготовленный в пудлинговых печах. основной конструкционный металл в индустриализации Британии на протяжении большей части XIX века.

Бессемеровский процесс и современное производство стали

Рост производства железные дороги в 19 веке как в Европе, так и в Америке оказали огромное давление на металлургическую промышленность, которая все еще боролась с неэффективными производственными процессами. Сталь все еще не использовалась в качестве конструкционного металла, а производство продукта было медленным и дорогостоящим. Так было до 1856 года, когда Генри Бессемер придумал более эффективный способ введения кислорода в расплавленное железо для уменьшения содержания углерода.

Теперь известный как Бессемеровский процесс. Бессемер сконструировал сосуд в форме груши, называемый «конвертером», в котором можно было нагревать железо, а через расплавленный металл можно было продувать кислород. Когда кислород проходит через расплавленный металл, он реагирует с углеродом, выделяя диоксид углерода и производя более чистое железо.

Процесс был быстрым и недорогим, удаление углерода и кремния из железа за считанные минуты, но оказалось слишком успешным. Было удалено слишком много углерода, а в конечном продукте осталось слишком много кислорода. В конечном итоге Бессемеру пришлось расплачиваться со своими инвесторами, пока он не нашел способ увеличить содержание углерода и удалить нежелательный кислород.

Примерно в то же время британский металлург Роберт Мушет приобрел и начал испытывать соединение железа, углерода и марганца, известное как spiegeleisen. Было известно, что марганец удаляет кислород из расплавленного железа, и содержание углерода в spiegeleisen, если его добавлять в правильных количествах, могло бы решить проблемы Бессемера. Бессемер с большим успехом начал добавлять его в свой процесс преобразования.

Осталась одна проблема. Бессемеру не удалось найти способ удалить фосфор, вредную примесь, которая делает сталь хрупкой, из своего конечного продукта. Следовательно, можно было использовать только бесфосфорную руду из Швеции и Уэльса..

В 1876 году валлиец Сидней Гилкрист Томас предложил решение, добавив химически основной флюс, известняк, к бессемеровскому процессу. Известняк извлекал фосфор из чугуна в шлак, позволяя удалить нежелательный элемент.

Это нововведение означало, что, наконец, железная руда из любой точки мир можно использовать для производства стали. Неудивительно, что затраты на производство стали начали значительно снижаться. В период с 1867 по 1884 год цены на стальные рельсы упали более чем на 80% в результате внедрения новых технологий производства стали, положивших начало развитию мировой сталелитейной промышленности.

Мартеновский процесс

В 1860-х годах немецкий инженер Карл Вильгельм Сименс усовершенствовал производство стали, создав мартеновский процесс. В мартеновском процессе из передельного чугуна в больших неглубоких печах производилась сталь.

В процессе с использованием высоких температур для сжигания избыточного углерода и других примесей использовались обогреваемые кирпичные камеры под очагом. Позднее в регенеративных печах использовались выхлопные газы из печи для поддержания высоких температур в кирпичных камерах ниже.

Этот метод позволял производить гораздо большие количества (50- 100 метрических тонн может быть произведено в одной печи), периодические испытания жидкой стали, чтобы она могла быть изготовлена ​​в соответствии с конкретными спецификациями, и использование стального лома в качестве сырья. Хотя сам процесс был намного медленнее, к 1900 году мартеновский процесс в основном заменил бессемеровский.

Рождение черной металлургии

Революция в производстве стали, которая позволила получить более дешевый и качественный материал, была признана многими бизнесменами того времени возможностью для инвестиций. Капиталисты конца 19 века, в том числе Эндрю Карнеги и Чарльз Шваб, инвестировали и заработали миллионы (миллиарды в случае Карнеги) в сталелитейную промышленность. US Steel Corporation Карнеги, основанная в 1901 году, была первой из когда-либо созданных корпораций стоимостью более одного миллиарда долларов.

Производство стали с электродуговыми печами

Сразу после рубежа веков произошло еще одно событие, которое оказало сильное влияние на развитие производства стали. Электродуговая печь Пола Эру (EAF) была разработана для пропускания электрического тока через загруженный материал, что приводит к экзотермическому окислению и температурам до 3272 ° F (1800 ° C), более чем достаточного для нагрева производимой стали.

Первоначально использовавшиеся для производства специальных сталей, ДСП стали широко использоваться, а ко Второй мировой войне использовались для производства стальных сплавов. Низкие инвестиционные затраты на создание ЭДП позволили им конкурировать с крупными производителями США, такими как US Steel Corp. и Bethlehem Steel, особенно в углеродистой стали или сортовом прокате..

Поскольку в ЭДП можно производить сталь из 100% лома или холодных черных металлов, требуется меньше энергии на единицу продукции. В отличие от кислородных очагов, операции также можно останавливать и запускать с небольшими затратами. По этим причинам производство с использованием ЭДП стабильно увеличивается на протяжении более 50 лет и в настоящее время составляет около 33% мирового производства стали.

Кислородное производство стали

Большая часть мирового производства стали, около 66%, в настоящее время производится на базовых кислородных установках – разработка метода отделения кислорода от азота в промышленных масштабах в 1960-х годах позволила добиться значительных успехов в разработке Основные кислородные печи.

Основные кислородные печи продувают кислородом большие количества жидкого чугуна и стального лома и могут завершить загрузку намного быстрее, чем мартеновские методы. Большие сосуды, вмещающие до 350 метрических тонн чугуна, могут завершить конверсию в сталь менее чем за час.

Экономическая эффективность кислородного производства стали на мартеновских заводах неконкурентоспособные, и с появлением кислородного производства стали в 1960-х гг. мартеновские производства начали закрываться. Последний мартеновский объект в США был закрыт в 1992 году, а в Китае – в 2001 году.

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий