Terase ja besemeri protsessi lühike ajalugu

Kõrgahjud töötasid hiinlased välja esmakordselt 6. sajandil B. C., kuid Euroopas kasutati neid keskajal laialdasemalt ja see suurendas malmi tootmist. Väga kõrgetel temperatuuridel hakkab raud absorbeerima süsinikku, mis alandab metalli sulamistemperatuuri, mille tulemuseks on valamine rauda (2,5 protsenti kuni 4,5 protsenti süsinikku).

Malm on tugev, kuid selle süsinikusisalduse tõttu on see habras, mistõttu on see töötamiseks ja vormimiseks vähem kui ideaalne. Kui metallurgid said teada, et raua kõrge süsinikusisaldus on keskne probleem rabedust, katsetasid nad süsinikusisalduse vähendamise uusi meetodeid, et rauda rohkem saada toimiv.

Kaasaegne terasetööstus arenes nendest rauavalmistamise algusaegadest ja hilisematest tehnoloogia arengutest.

18. sajandi lõpuks õppisid rauatöötajad Henry Corti poolt 1784. aastal välja töötatud malmist malmi ümbertöötlemiseks madala süsinikusisaldusega sepistatud rauaks. Malm on sularaud, mis on kõrgahjudest otsa saanud ja jahutatud põhikanalis ning külgnevates vormides. See sai oma nime, kuna suured, kesksed ja külgnevad väiksemad valuplokid meenutasid emise ja põrsaste põrsaid.

Sepistatud raua tootmiseks kuumutasid ahjud sularauda, ​​mida pudrumasinad pidid segama pikkade aerukujuliste tööriistade abil, võimaldades hapnikul süsinikuga ühendada ja aeglaselt eemaldada.

Kui süsiniku sisaldus väheneb, suureneb raua sulamistemperatuur, mistõttu raua massid aglomeeruvad. Need massid eemaldatakse ja enne kui lehtedeks või rööbasteks rullimist töödeldakse, töötab see sepikojaga. 1860. aastaks oli Suurbritannias rohkem kui 3000 pukseahju, kuid protsessi takistas endiselt selle tööjõud ja kütusemahukus.

Blisterteras - üks varasemaid vorme teras- alustati tootmist Saksamaal ja Inglismaal 17. sajandil ning selle tootmiseks suurendati sulatatud malmi süsinikusisaldust, kasutades tsementeerimisprotsessi. Selle protsessi käigus kihiti sepistatud rauavardad kivikarpidesse pulbrilise söega ja kuumutati.

Umbes nädala pärast absorbeerib raud süsi süsinikku. Korduv kuumutamine jaotaks süsiniku ühtlasemalt ja tulemuseks oli pärast jahutamist blisterteras. Suurem süsinikusisaldus tegi blisterterase palju paremini töödeldavaks kui malm, võimaldades seda pressida või valtsida.

Blisterterase tootmine edenes 1740. aastatel, kui inglise kellassepp Benjamin Huntsman leidis, et metall võib sulatatakse savi tiiglites ja rafineeritakse spetsiaalse räbustiga, et eemaldada räbu, mille tsementeerimisprotsess maha jättis. Huntsman üritas oma kellavedrude jaoks välja töötada kvaliteetset terast. Tulemuseks oli tiigel või valatud teras. Tootmiskulude tõttu kasutati nii blistrit kui ka valatud terast siiski ainult erialarakendustes.

Selle tulemusel püsis Suurbritannia industrialiseerimisel primaarseks struktuurmetalliks suuremas osas 19. sajandist malm.

Raudteede kasv 19. sajandil nii Euroopas kui ka Ameerikas avaldas suurt survet rauatööstusele, mis oli endiselt hädas ebatõhusate tootmisprotsessidega. Teras oli endiselt konstruktsioonmetallina tõestamata ning tootmine oli aeglane ja kulukas. See oli kuni aastani 1856, kui Henry Bessemer pakkus välja tõhusama viisi hapniku sisestamiseks sulatatud rauda, ​​et vähendada süsiniku sisaldust.

Nüüd tuntud kui Bessemeri protsess, konstrueeris Bessemer pirnikujulise mahuti - konverteriks -, milles rauda võiks kuumutada ja hapnikku läbi sulametalli puhuda. Kui hapnik läbib sulametalli, reageerib see süsinikuga, vabastades süsinikdioksiidi ja andes puhtama raua.

Protsess oli kiire ja odav, eemaldades rauast süsiniku ja räni vaid mõne minutiga, kuid kannatanud liiga eduka tööna. Liiga palju süsinikku eemaldati ja lõpptootes oli liiga palju hapnikku. Lõpuks pidi Bessemer oma investoritele tagasi maksma, kuni ta leidis meetodi süsinikusisalduse suurendamiseks ja soovimatu hapniku eemaldamiseks.

Umbes samal ajal omandas ja hakkas katsetama Briti metallurg Robert Mushet raua, süsiniku ja metalli ühendit mangaan- tuntud kui spiegeleisen. Mangaan eemaldas teadaolevalt sula rauast hapniku ja õigetes kogustes lisatud süsiniku sisaldus spiegeleisenis annaks lahenduse Bessemeri probleemidele. Bessemer hakkas seda väga edukalt oma muundamisprotsessi lisama.

Üks probleem jäi. Bessemer ei suutnud leida viisi fosfori - kahjuliku lisandi, mis muudab terase rabedaks - eemaldamiseks oma lõpptootes. Järelikult sai kasutada ainult Rootsist ja Walesist pärit fosforivabu maagid.

1876. aastal jõudis Welshman Sidney Gilchrist Thomas lahenduseni, lisades Bessemeri protsessi keemiliselt aluselise voo - lubjakivi. Paekivi juhtis malmist fosforit räbu, võimaldades soovimatu elemendi eemaldada.

See uuendus tähendas, et rauamaaki mis tahes maailmast saab lõpuks kasutada terase tootmiseks. Pole üllatav, et terasetootmiskulud hakkasid märkimisväärselt vähenema. Terasraudtee hinnad langesid aastatel 1867–1884 enam kui 80 protsenti, mis käivitas kogu maailma terasetööstuse kasvu.

1860. aastatel edendas saksa insener Karl Wilhelm Siemens terase tootmist veelgi, luues avatud kolde protsessi. Nii toodeti terasest malmist suurtes madalates ahjudes.

Kasutades kõrgeid temperatuure liigse süsiniku ja muude lisandite põletamiseks, tugines protsess ahju all olevatele kuumutatud tellistest kambritele. Regeneratiivsetes ahjudes kasutati hiljem ahju heitgaase kõrge temperatuuri hoidmiseks allpool asuvates telliskambrites.

See meetod võimaldas toota palju suuremaid koguseid (50–100 tonni ühes ahjus), perioodilisi katseid sulatatud terasest, nii et seda saaks valmistada vastavaks konkreetsetele spetsifikatsioonidele, ja vanaraua kasutamist toormena materjal. Ehkki protsess ise oli palju aeglasem, oli 1900. aastaks avatud kütteprotsess suuresti Bessemeri protsessi asendanud.

Terasetootmise revolutsioon, mis pakkus odavamat, kvaliteetsemat materjali, tunnistasid paljud tänapäeva ärimehed investeerimisvõimalusena. 19. sajandi lõpu kapitalistid, sealhulgas Andrew Carnegie ja Charles Schwab, investeeris ja teenis miljoneid (Carnegie puhul miljardeid) terasetööstusesse. Carnegie 1901. aastal asutatud USA teraseettevõte oli esimene korporatsioon, mille väärtus oli kunagi üle miljardi dollari.

Vahetult pärast sajandivahetust kavandati Paul Heroult'i elektrikaarahju (EAF) elektrivoolu viimiseks läbi laetud materjali, mille tulemuseks on eksotermiline oksüdatsioon ja temperatuur kuni 3 272 Fahrenheiti kraadi (1800 kraadi Celsiuse järgi), enam kui piisav terase kuumutamiseks tootmine.

Algselt spetsiaalsete teraste jaoks kasutatavate EAF-de kasutamine kasvas ja Teise maailmasõja ajal kasutati neid terasesulamite tootmiseks. EAF-i tehaste rajamisega seotud madalad investeerimiskulud võimaldasid neil võistelda selliste USA suuremate tootjatega nagu US Steel Corp. ja Bethlehem Steel, eriti süsinikterastes või pikkades toodetes.

Kuna EAF-id suudavad toota terast 100-protsendiliselt vanaraua või külmmetallide toormest, on ühe toodanguühiku kohta vaja vähem energiat. Vastupidiselt põhilistele hapnikuahjudele saab operatsioone ka lõpetada ja alustada väikeste kaasnevate kuludega. Nendel põhjustel on EAFide kaudu toodetud toodang pidevalt kasvanud enam kui 50 aastat ja moodustas 2017. aasta seisuga umbes 33 protsenti kogu terasetoodangust.

Suurem osa ülemaailmsest terasetoodangust - umbes 66 protsenti - toodetakse põhilistes hapnikujaamades. Hapniku ja lämmastiku eraldamise meetodi väljatöötamine tööstuslikul skaalal 1960. aastatel võimaldas peamisi edusamme põhiliste hapnikuahjude väljatöötamisel.

Põhilised hapnikuahjud puhutavad hapniku suures koguses sularauda ja vanarauda ning need saavad laetuse täita palju kiiremini kui avatud ahju meetodid. Suured laevad, milles on kuni 350 tonni rauda, ​​saavad teraseks muundamise lõpule viia vähem kui ühe tunniga.

Hapnikusisaldusega terasevalmistamise kuluefektiivsus muutis avatud ahjuvabrikud konkurentsivõimetuks ja pärast hapnikusisaldusega terasetootmise tulekut 1960. aastatel hakati sulgema koldetooteid. Viimane lahtise tulega hoone USAs suleti 1992. aastal ja Hiinas, viimane suleti 2001. aastal.

_Allikad:

_{Spoerl, Joseph S. Raua ja terase tootmise lühiajalugu. Saint Anselmi kolledž.}

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

_{Maailma Teraseühendus. Veebisait: www.steeluniversity.org}

_{Tänav, Arthur. & Alexander, W. O 1944. Metallid inimese teenistuses. 11. väljaanne (1998).}