Terase ajalugu

click fraud protection

Arendus terasest saab jälgida 4000 aastat rauaaja alguseni. Tõestades, et see on kõvem ja tugevam kui pronks, mis oli varem olnud enim kasutatud metall, rauda hakkas relvades ja tööriistades pronksi välja tõrjuma.

Järgneva paari tuhande aasta jooksul sõltuks toodetud raua kvaliteet sama palju olemasolevast maagist kui ka tootmismeetoditest.

17. sajandiks oli raua omadustest hästi aru saadud, kuid suurenev linnastumine Euroopas nõudis mitmekülgsemat struktuurimetalli. Ja 19. sajandiks oli raudteede laiendamisel tarbitav rauakogus metallurgid rahalise stiimuliga leida lahendus raua rabedusele ja ebaefektiivsetele tootmisprotsessidele.

Kahtlemata saavutas terase ajaloo suurim läbimurre 1856. aastal, kui Henry Bessemer arenes tõhus viis hapniku kasutamiseks raua süsinikusisalduse vähendamiseks: Kaasaegne terasetööstus oli sündinud.

Rauaajastu

Väga kõrgel temperatuuril hakkab raud omastama süsinikku, mis alandab metalli sulamistemperatuuri, mille tulemuseks on malm (2,5–4,5% süsinikku). Kõrgahjude väljatöötamine, mida hiinlased kasutasid esmakordselt 6. sajandil eKr, kuid keskajal kasutati Euroopas laiemalt, suurendas malmi tootmist.

instagram viewer

Malm on kõrgahjudest välja voolanud sulatatud raud, mis jahutatakse peakanalis ja külgnevates vormides. Suured, keskmised ja külgnevad väiksemad valuplokid sarnanesid emise ja imetavate põrsastega.

Malm on tugev, kuid kannatab süsinikusisalduse tõttu rabedust, mistõttu on see töötamiseks ja vormimiseks vähem kui ideaalne. Kui metallurgid said teadmiseks, et raua kõrge süsinikusisaldus on selle probleemi keskmes haprus, katsetasid nad uusi meetodeid süsinikusisalduse vähendamiseks raua suurendamiseks toimiv.

18. sajandi lõpuks õppisid rauatootjad, kuidas muuta malm süsinikusisaldusega sepiseks, kasutades pudingahjusid (välja töötanud Henry Cort 1784. aastal). Ahjud kuumutasid sulanud rauda, ​​mida puddlerid pidid segama pikkade aerukujuliste tööriistade abil, võimaldades hapnikul süsinikuga ühenduda ja aeglaselt eemaldada.

Kui süsinikusisaldus väheneb, suureneb raua sulamistemperatuur, mistõttu aglomeeruksid ahjus rauamassid. Need massid eemaldaks ja töötaks puddleri abil sepavasaraga, enne kui need lehtedeks või rööbasteks veeretati. Aastaks 1860 oli Suurbritannias üle 3000 pudingahju, kuid selle töö ja kütuseintensiivsus takistas seda protsessi.

Üks varasemaid terase vorme, villiteras, hakkas Saksamaal ja Inglismaal tootma 17. aastal sajandil ja see toodeti sulatatud malmi süsinikusisalduse suurendamise teel, kasutades nn tsementeerimine. Selle käigus kihiti sepistatud kangid kivikarpidesse pulbrilise söega ja kuumutati.

Umbes nädala pärast neelaks raud süsi sisaldavat süsinikku. Korduv kuumutamine jaotaks süsinikku ühtlasemalt ja pärast jahtumist oli tulemuseks villiteras. Kõrgem süsinikusisaldus muutis mulliterase palju enam töötavaks kui malm, võimaldades seda pressida või rullida.

Blisterterase tootmine edenes 1740. aastatel, kui inglise kellassepp Benjamin Huntsman üritas oma kella jaoks välja töötada kvaliteetset terast vedrud, leidis, et metalli saab sulatada savitiiglites ja rafineerida spetsiaalse vooluga tsementeerimisprotsessist lahkunud räbu eemaldamiseks taga. Tulemuseks oli tiigel ehk valatud teras. Kuid tootmiskulude tõttu kasutati nii villi kui ka valuterast kunagi ainult erirakendustes.

Selle tulemusena jäi vaakumahjudes valmistatud malm Suurbritannia industrialiseerimisel peamiseks struktuurimetalliks suurema osa 19. sajandist.

Bessemeri protsess ja tänapäevane terasetööstus

Raudteede kasv 19. sajandil nii Euroopas kui ka Ameerikas avaldas tohutut survet rauatööstusele, mis võitles endiselt ebaefektiivsete tootmisprotsessidega. Terast ei olnud konstruktsioonmetallina veel tõestatud ning toote tootmine oli aeglane ja kulukas. See oli kuni 1856. aastani, mil Henry Bessemer mõtles välja tõhusama viisi hapniku sisseviimiseks sula rauasse, et vähendada süsinikusisaldust.

Nüüd Bessemeri protsessina tuntud Bessemer kavandas pirnikujulise anuma, mida nimetatakse „muunduriks“, milles rauda sai kuumutada, samal ajal kui sulametallist läbi hapniku puhuda. Kui hapnik läbis sula metalli, reageeris see süsinikuga, vabastades süsinikdioksiidi ja saades puhtamat rauda.

Protsess oli kiire ja odav, eemaldades süsinikku ja räni mõne minuti jooksul rauast, kuid kannatas liiga edukalt. Liiga palju süsinikku eemaldati ja lõpptootes jäi liiga palju hapnikku. Bessemer pidi lõpuks investoritele raha tagasi maksma, kuni ta leidis meetodi süsinikusisalduse suurendamiseks ja soovimatu hapniku eemaldamiseks.

Umbes samal ajal omandas Briti metallurg Robert Mushet raua, süsiniku ja mangaan, tuntud kui spiegeleisen. Teada oli, et mangaan eemaldab sulatatud rauast hapniku ja Spiegeleiseni süsinikusisaldus, kui seda õiges koguses lisada, annaks lahenduse Bessemeri probleemidele. Bessemer hakkas seda oma pöördumisprotsessi väga edukalt lisama.

Üks probleem jäi alles. Bessemeril ei õnnestunud leida viisi fosfori - kahjuliku lisandi, mis muudab terase hapraks, eemaldamiseks oma lõpptoodangust. Järelikult tohib kasutada ainult Rootsist ja Walesist pärit fosforivaba maaki.

1876. aastal pakkus kõmri mees Sidney Gilchrist Thomas lahenduse, lisades Bessemeri protsessile keemiliselt aluselise lubjakivi. Lubjakivi tõmbas toormalmilt räbu fosforit, võimaldades soovimatu elemendi eemaldada.

See uuendus tähendas, et lõpuks sai terase valmistamiseks kasutada kõikjalt maailmast pärit rauamaaki. Pole üllatav, et terase tootmiskulud hakkasid märkimisväärselt vähenema. Terasrööpa hinnad langesid aastatel 1867–1884 uute terasetootmistehnikate tulemusel üle 80%, käivitades maailma terasetööstuse kasvu.

Avatud koldeprotsess

1860. aastatel suurendas Saksa insener Karl Wilhelm Siemens terasetootmist veelgi, luues avatud koldeprotsessi. Avatud koldeprotsessi käigus toodeti malmist suurtes madalates ahjudes terast.

Kõrgel temperatuuril liigse süsiniku ja muude lisandite põletamiseks kasutatav protsess tugines kolde all asuvatele kuumutatud telliskambritele. Regeneratiivsed ahjud kasutasid hiljem ahju heitgaase, et hoida allpool asuvatest telliskambritest kõrgeid temperatuure.

See meetod võimaldas toota perioodiliselt palju suuremaid koguseid (ühes ahjus oli võimalik toota 50–100 tonni) sulaterase katsetamine, et see vastaks konkreetsetele spetsifikatsioonidele, ja vanaraua kasutamine toorena materjal. Kuigi protsess ise oli palju aeglasem, oli 1900. aastaks Bessemeri protsessi asendanud avatud koldega protsess.

Terasetööstuse sünd

Terasetootmise revolutsiooni, mis pakkus odavamat ja kvaliteetsemat materjali, tunnustasid paljud tolleaegsed ärimehed investeerimisvõimalusena. 19. sajandi lõpu kapitalistid, sealhulgas Andrew Carnegie ja Charles Schwab, investeerisid ja teenisid terasetööstusse miljoneid (Carnegie puhul miljardeid). Carnegie 1901. aastal asutatud USA teraskorporatsioon oli esimene kunagi alustatud ettevõte, mille väärtus oli üle miljardi dollari.

Elektrikaarahju terasetootmine

Vahetult pärast sajandivahetust toimus veel üks areng, millel oleks tugev mõju terasetootmise arengule. Paul Heroulti elektrikaarahi (EAF) oli kavandatud juhtima elektrivoolu läbi laetud materjali, mille tulemuseks oli eksotermiline oksüdeerumine ja temperatuur kuni 3272°F (1800°C), enam kui piisav terase tootmise soojendamiseks.

Algselt eriteraste jaoks kasutati EAF-sid üha enam ja II maailmasõja ajaks kasutati neid terasesulamite tootmiseks. EAF-i tehaste rajamisega seotud madalad investeerimiskulud võimaldasid neil konkureerida USA suuremate tootjatega, nagu näiteks US Steel Corp. ja Betlehemi teras, eriti süsinikterasest või pikkadest toodetest.

Kuna EAF-id suudavad toota terast 100% jäägist või külmast raudsöödast, on tootmisühiku kohta vaja vähem energiat. Erinevalt elementaarsetest hapnikuküttekolletest saab töö peatada ja alustada vähese kuluga. Nendel põhjustel on tootmine EAFide kaudu pidevalt kasvanud üle 50 aasta ja moodustab nüüd umbes 33% kogu maailma terasetoodangust.

Hapniku terasetootmine

Suurem osa ülemaailmsest terasetoodangust, umbes 66%, toodetakse nüüd hapniku põhirajatistes - meetodi väljatöötamine 1960. aastatel võimaldas tööstuslikus ulatuses eraldada hapnik lämmastikust, võimaldades olulisi edusamme aluselise hapniku väljatöötamisel ahjud.

Põhihapnikuahjud puhuvad hapnikku suurtes kogustes sula rauas ja vanametallis ning suudavad laengu täita palju kiiremini kui avatud koldega meetodid. Suured laevad, mis mahutavad kuni 350 tonni rauda, ​​saavad teraseks muundamise lõpule viia vähem kui ühe tunniga.

Hapniku terasetootmise kulutõhusus muutis avatud koldetehased konkurentsivõimetuks ja pärast hapnikuterase tootmise tekkimist 1960. aastatel hakkasid koldetööd sulgema. Viimane avatud kamin USA-s suleti 1992. aastal ja Hiina 2001. aastal.

instagram story viewer