Od gvozdene dobe do Besersovog procesa i savremenog čelika
Era gvožđa
Na veoma visokim temperaturama, gvožđe počinje da apsorbuje ugljenik, što snižava tačku topljenja metala, što dovodi do čelika (2,5 do 4,5% ugljenika). Razvoj visokih peći, koji su prvi koristili Kinezi u 6. veku pre nove ere, ali se u Evropi još više koristi u srednjem vijeku, povećala je proizvodnju livenog gvožđa.
Sirovo gvožđe
Stakleno gvožđe koje je ispraznjeno iz visokih peći i ohlađeno na glavnom kanalu i susednim kalupima postalo je nazivano svinjskim gvožđem, jer su veliki, centralni i susedni manji ingoti izgledali kao svinjski i svinjski prasadi.
Liveno gvožde
Liveno gvožđe je jako, ali je podložno krhkosti zbog sadržaja ugljenika, čineći ga manje od idealnim za rad i oblikovanje. Kako su metalurgi postali svesni da je sadržaj ugljenika u gvožđu bio centralan za problem krhkosti, eksperimentisali su sa novim metodama za smanjenje sadržaja ugljenika kako bi se gvožđe učinilo izvodljivijim.
Kovano željezo
Do kraja XVIII vijeka, željezari su naučili kako se liveno liveno gvožđe pretvoriti u kovani gvožđe sa niskim sadržajem ugljenika pomoću peći za puding (razvio Henry Cort 1784). Peći su zagrejali rastopljenog gvožđa, koji su morali pomešati pomoću dugačkih alata koji omogućavaju kiseonik da se kombinira i polako uklanja ugljenik.
Kako se sadržaj ugljenika smanjuje, tačka topljenja gvožđa se povećava, tako da se masine gvožđa aglomerišu u peći. Ove mase bi se uklonile i radile sa kugličnim čekićem od strane puddlera pre nego što su se uveli u limove ili šine. Do 1860. godine u Britaniji je bilo preko 3000 pudridžnih peći, ali proces je i dalje ometan zbog radne snage i intenzivnosti goriva.
Blister Steel
Jedan od najranijih oblika čelika , blister čelika, započeo je proizvodnju u Nemačkoj i Engleskoj u 17. veku i proizveden je povećanjem sadržaja ugljenika u rastopljenom svinjskom željezu koristeći proces poznat kao cementiranje. U ovom procesu, kovčezi od kovanog gvožđa slojevali su prahom ugljen u kamenim kutijama i zagrejani.
Posle nedelju dana, gvožđe bi apsorbovalo ugljenik u uglju. Ponovljeno grejanje bi ravnomerno raspodijeljivalo ugljenik, a rezultat, nakon hlađenja, bio je blister čelika. Veći sadržaj ugljenika učinio je blister čelika mnogo radljivijim od gvozdenog gvožđa, omogućavajući ga da se pritisne ili valjane.
Produkcija blistera izrađena je u 1740-im, kada je engleski časovnik Benjamin Huntsman pokušavao razviti visokokvalitetni čelik za svoje izvore satelita, otkrio da se metali mogu rastopiti u glinenim loncima i rafinisati sa posebnim fluksom kako bi se uklonila zrna koja je proces cementacije napustio iza. Rezultat je bio lonac ili liveni čelik. Ali, zbog troškova proizvodnje, i blister i liveni čelik se samo koristi u specijalnim aplikacijama.
Kao rezultat toga, liveno gvožđe napravljeno u pećima za pudinge ostalo je primarni strukturni metal u industrijalizaciji Britanije tokom većine 19. veka.
Proces Bessemer i savremeni čelik
Rast železničkih pruga tokom 19. veka u Evropi i Americi stvorio je veliki pritisak na industriju gvožđa, koji se još uvijek bori sa neefikasnim proizvodnim procesima. Čelik još uvek nije bio dokazan kao strukturni metal, a proizvodnja je bila spora i skupa. To je bilo do 1856. godine kada je Henry Bessemer došao na efikasniji način da uvede kiseonik u rastopljeno gvožđe da bi smanjio sadržaj ugljenika.
Sada poznat kao Bessemerov proces, Bessemer je dizajnirao krušastu posudu - nazvanu "pretvarač" - u kojem se gvožđe moglo zagrijati dok bi se kiseonik mogao odvesti kroz staljeni metal. Kako je kiseonik prošao kroz rastopljeni metal, reagovao bi sa ugljenikom, oslobađajući ugljen-dioksid i stvarajući čistije gvožđe.
Proces je bio brz i jeftin, uklanjajući ugljenik i silicij od gvožđa za nekoliko minuta, ali je pretrpeo da bude suviše uspješan.
Previše ugljenika je uklonjeno i previše kisika je ostalo u finalnom proizvodu. Bessemer je na kraju morao otplatiti svoje investitore sve dok ne pronađe metod za povećanje sadržaja ugljenika i uklanjanje neželjenog kiseonika.
Otprilike u isto vrijeme, britanski metalurg Robert Muset stekao je i započeo testiranje jedinjenja od gvožđa, ugljenika i mangana - poznatog kao spiegeleisen. Za magnezijante je poznato da uklanjaju kiseonik iz rastopljenog gvožđa i sadržaj ugljenika u spiegeleisenu ako se doda u odgovarajućim količinama, obezbediće rješenje Bessemerovim problemima. Bessemer je sa velikim uspehom započeo dodavanje u proces konverzije.
Jedan problem je ostao. Bessemer nije pronašao način uklanjanja fosfora - štetne nečistoće čine čelik krhkim - od njegovog krajnjeg proizvoda. Shodno tome, mogu se koristiti samo rude bez fosfora iz Švedske i Velsa.
Godine 1876. Welshman Sidney Gilchrist Thomas je došao do rešenja dodajući hemijski osnovni fluks-krečnjak za proces Bessemer. Valcer je izvadio fosfor iz gvožđa u šljunku, omogućavajući uklanjanju neželjenog elementa.
Ova inovacija je značila da, na kraju, željezna ruda iz bilo kog dela svijeta može se koristiti za čelika. Nije iznenađujuće što su se troškovi proizvodnje čelika počeli znatno smanjivati. Cene željezničke železnice padale su više od 80% između 1867. i 1884. godine, kao rezultat novih tehnika proizvodnje čelika, iniciranje rasta svetske čelične industrije.
Proces otvorenog hita:
Tokom šezdesetih godina nemački inžinjer Karl Wilhelm Siemens dodatno je povećao proizvodnju čelika kroz stvaranje procesa otvorenog ognjišta. Proces otvorenog ognjišta proizveo je čelik od gvožđa u velikim plitkim pećima.
Koristeći visoke temperature da spaljuju višak ugljenika i druge nečistoće, proces se oslanjao na ogrevane opečne komore ispod ognjišta. Regenerativne peći kasnije su koristile izduvne gasove iz peći da bi održale visoke temperature u opekarskim komorama ispod.
Ovim metodom omogućeno je proizvodnju mnogo većih količina (50-100 metričkih tona se moglo proizvesti u jednoj peći), periodično testiranje staljenog čelika tako da se može napraviti da ispuni određene specifikacije i upotrebu otpadnog čelika kao sirovine . Iako je sam proces bio mnogo sporiji, do 1900. godine proces otvorenog ognjišta je u velikoj mjeri zamijenio proces Bessemer-a.
Rođenje industrije čelika:
Revolucija u proizvodnji čelika koja je obezbedila jeftiniji, kvalitetniji materijal, priznali su mnogi privrednici dana kao investiciona prilika. Kapitalisti krajem XIX veka, uključujući Andrew Carnegie i Charles Schwab, uložili su i napravili milione (milijarde u slučaju Carnegie) u čeličnoj industriji. Carnegieova US Steel Corporation, osnovana 1901. godine, bila je prva korporacija koja je ikada pokrenuta u vrijednosti od preko milijardu dolara.
Električni ložni peći Čelik:
Posle preloma veka došlo je do drugog razvoja koji bi imao snažan uticaj na evoluciju proizvodnje čelika. Elektrolučna peć Paul Heroult (EAF) dizajnirana je da prođe električnu struju kroz napunjen materijal, što dovodi do eksotermne oksidacije i temperature do 3272 ° F (1800 ° C), više nego dovoljno za zagrevanje proizvodnje čelika.
Prvobitno korišćeni za specijalne čelike, EAF su rasli u upotrebi i, do Drugog svetskog rata, koriste se za proizvodnju čeličnih legura. Niski investicioni troškovi uključeni u osnivanje EAF mlinova omogućili su im da se takmiče sa velikim američkim proizvođačima poput US Steel Corp. i Betlehem Steel, posebno u ugljeničnim čelikima ili dugim proizvodima.
Zbog toga što EAF mogu proizvoditi čelik od 100% otpadnih ili hladnih gvožđa, potrebno je manje energije po jedinici proizvodnje. Za razliku od osnovnih ognjišta za kiseonik, operacije se takođe mogu zaustaviti i započeti sa malo povezanim troškovima. Iz tih razloga, proizvodnja preko EAF-a se stalno povećava već više od 50 godina i sada čini oko 33% globalne proizvodnje čelika.
Kisik čelik:
Većina globalne proizvodnje čelika - oko 66% - sada se proizvodi u osnovnim postrojenjima kiseonika. Razvoj metoda razdvajanja kiseonika iz azota na industrijskom nivou u 1960-im omogućio je veliki napredak u razvoju osnovnih kiseoničnih peći.
Osnovne kiseonične peći udišu kiseonik u velike količine staljenog gvožđa i otpadnog čelika i mogu mnogo više brzo napuniti nego otvorene metode grejanja. Veliki brodovi koji drže do 350 metričkih tona gvožđa mogu završiti konverziju u čelik za manje od jednog sata.
Efikasnost troškova proizvodnje čeličnih kiseonika učinila je fabrike otvorenim gorivom nekonkurentnim i, nakon dolaska kiseonikom u 1960-ih godina, operacije na otvorenom polju počele su da se zatvaraju. Zadnji otvoreni objekat u SAD zatvoren je 1992. godine iu Kini 2001. godine.
Izvori:
Spoerl, Joseph S. Kratka istorija proizvodnje gvožđa i čelika . College of Saint Anselm.
Dostupno: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Svetska asocijacija čelika. Internet stranica: www.steeluniversity.org
Ulica, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metali u službi čovjeka . 11. izdanje (1998).