Krátká historie oceli a Bessemerova procesu

Vysoké pece byly nejprve vyvinuty Číňany v 6. století B.C., ale oni byli více široce používaní v Evropě během středověku a zvýšili výrobu litiny. Při velmi vysokých teplotách začne železo absorbovat uhlík, což snižuje teplotu tání kovu, což má za následek odlévání žehlička (2,5 až 4,5 procenta uhlíku).

Litina je silná, ale kvůli svému obsahu uhlíku trpí křehkostí, díky čemuž je méně vhodná pro práci a tvarování. Jak si metalurgové uvědomili, že vysoký obsah uhlíku v železe byl ústředním bodem problému křehkost, experimentovali s novými metodami snižování obsahu uhlíku za účelem výroby železa více proveditelné.

Moderní výroba oceli se vyvinul z těchto raných dob výroby železa a následného vývoje technologií.

Koncem 18. století se výrobci železa naučili, jak přeměnit lité surové železo na kované železo s nízkým obsahem uhlíku pomocí loupacích pecí, které vyvinul Henry Cort v roce 1784. Surové železo je roztavené železo, které je vytékáno z vysokých pecí a ochlazováno v hlavním kanálu a sousedních formách. Název dostal, protože velké, střední a sousedící menší ingoty připomínaly prasnice a sací prasátka.

Při výrobě kujného železa pece zahřívaly roztavené železo, které muselo míchat louží pomocí dlouhých nástrojů ve tvaru vesla, což umožnilo kyslíku kombinovat se s uhlíkem a pomalu jej odstraňovat.

S klesajícím obsahem uhlíku roste teplota tání železa, takže se v peci hromadí množství železa. Tyto masy by se odstranily a pracovaly s kovářským kladivem u kaluží před tím, než se převálcovaly do plechů nebo kolejnic. V roce 1860 existovalo v Británii více než 3 000 pudingových pecí, ale tento proces byl i nadále omezován náročností práce a paliva.

Blistrová ocel - jedna z nejranějších forem ocel—Výroba bobů v Německu a Anglii v 17. století a byla vyrobena zvýšením obsahu uhlíku v roztaveném surovém železe pomocí procesu známého jako cementace. V tomto procesu byly tyče z tepaného železa vrstveny práškovým uhlím v kamenných bednách a zahřívány.

Asi po týdnu by železo absorbovalo uhlík v dřevěném uhlí. Opakované zahřívání by rozdělovalo uhlí rovnoměrněji a výsledkem po ochlazení byla blistrová ocel. Díky vyššímu obsahu uhlíku byla blistrová ocel mnohem lépe zpracovatelná než surové železo, což umožnilo její lisování nebo válcování.

Výroba oceli v blistrech pokročila ve 40. letech 20. století, kdy anglický hodinář Benjamin Huntsman zjistil, že kov může být roztaven v hliněných kelímcích a rafinován speciálním tavidlem, aby se odstranila struska, kterou cementační proces zanechal. Huntsman se pokoušel vyvinout pro své hodinové pružiny kvalitní ocel. Výsledkem byl kelímek - nebo litý - ocel. Vzhledem k výrobním nákladům se však blistrová i litá ocel používaly jen ve speciálních aplikacích.

Výsledkem bylo, že litina vyráběná v loužních peci zůstala primárním strukturálním kovem v industrializaci Británie po většinu 19. století.

Růst železnic během 19. století v Evropě i Americe vyvíjel velký tlak na železářský průmysl, který stále zápasil s neefektivními výrobními procesy. Ocel byla stále neprokázaná jako konstrukční kov a výroba byla pomalá a nákladná. To bylo až do roku 1856, kdy Henry Bessemer přišel s účinnějším způsobem zavádění kyslíku do roztaveného železa, aby se snížil obsah uhlíku.

Nyní známý jako Bessemerův proces, Bessemer navrhl hruškovitou nádobu - označovanou jako konvertor -, ve které bylo možné zahřívat železo, zatímco kyslík mohl být vháněn roztaveným kovem. Jak kyslík procházel roztaveným kovem, reagoval by s uhlíkem, uvolňoval oxid uhličitý a produkoval čistější železo.

Proces byl rychlý a levný, odstranil uhlík a křemík ze železa během několika minut, ale trpěl přílišným úspěchem. Bylo odstraněno příliš mnoho uhlíku a v konečném produktu zůstalo příliš mnoho kyslíku. Bessemer nakonec musel splatit své investory, dokud nenašel způsob, jak zvýšit obsah uhlíku a odstranit nežádoucí kyslík.

Přibližně ve stejnou dobu britský hutník Robert Mushet získal a začal zkoušet směs železa, uhlíku a mangan- známé jako spiegeleisen. Bylo známo, že mangan odstraňuje kyslík z roztaveného železa a obsah uhlíku ve spiegeleisen, pokud se přidá ve správných množstvích, by poskytl řešení Bessemerových problémů. Bessemer jej začal s velkým úspěchem přidávat do procesu přeměny.

Jeden problém zůstal. Bessemerovi se nepodařilo najít způsob, jak odstranit fosfor - škodlivou nečistotu, která způsobuje křehkost oceli - z jeho konečného produktu. V důsledku toho bylo možné použít pouze rudy bez fosforu ze Švédska a Walesu.

V 1876 Welshman Sidney Gilchrist Thomas přišel s řešením tím, že přidá k Bessemer procesu chemicky základní tok - vápenec. Vápenec vtáhl fosfor ze surového železa do strusky, což umožnilo odstranit nežádoucí prvek.

Tato inovace znamenala, že železnou rudu odkudkoli na světě bylo možné konečně použít k výrobě oceli. Není divu, že náklady na výrobu oceli začaly výrazně klesat. Ceny ocelové železnice mezi lety 1867 a 1884 klesly o více než 80 procent, což zahájilo růst světového ocelářského průmyslu.

V šedesátých letech 20. století německý inženýr Karl Wilhelm Siemens dále rozšířil výrobu oceli vytvořením procesu otevřeného krbu. Tím byla vyrobena ocel ze surového železa ve velkých mělkých pecích.

Při použití vysokých teplot k spálení přebytečného uhlíku a jiných nečistot se proces spoléhal na vyhřívané cihlové komory pod krbem. Regenerační pece později používaly výfukové plyny z pece, aby udržovaly vysoké teploty v cihelných komorách pod nimi.

Tato metoda umožňovala výrobu mnohem větších množství (50 - 100 metrických tun v jedné peci), periodické testování roztavené oceli, aby mohla být vyrobena tak, aby vyhovovala konkrétním specifikacím, a použití šrotu jako surového materiálu materiál. Ačkoli proces sám o sobě byl mnohem pomalejší, do roku 1900 proces otevřeného krbu z velké části nahradil Bessemerův proces.

Revoluce ve výrobě oceli, která poskytla levnější a kvalitnější materiál, byla mnoha obchodníky uznána jako investiční příležitost. Kapitalisté konce 19. století, včetně Andrew Carnegie a Charles Schwab, investoval a vydělal miliony (v případě Carnegie miliardy) v ocelářském průmyslu. Carnegie's US Steel Corporation, založená v roce 1901, byla první společností, která kdy ocenila více než 1 miliardu dolarů.

Těsně po přelomu století byla elektrická oblouková pec Paul Heroult (EAF) navržena tak, aby procházela elektrický proud přes nabitý materiál, výsledkem je exotermická oxidace a teploty až 3 272 stupňů Fahrenheita (1 800 stupňů Celsia), více než dostatečné pro ohřev oceli Výroba.

Zpočátku používané pro speciální oceli, EAFs rostl v použití a během druhé světové války byly použity pro výrobu ocelových slitin. Nízké investiční náklady na zřízení mlýnů EAF jim umožnily konkurovat hlavním americkým výrobcům, jako je US Steel Corp. a Bethlehem Steel, zejména v uhlíkových ocelích nebo dlouhých výrobcích.

Protože EAF mohou vyrábět ocel ze 100% šrotu - nebo studeného železa -, je zapotřebí méně energie na jednotku produkce. Na rozdíl od základních kyslíkových krbu mohou být operace zastaveny a zahájeny s malými souvisejícími náklady. Z těchto důvodů výroba přes EAF neustále roste více než 50 let a od roku 2017 představuje asi 33 procent celosvětové výroby oceli.

Většina celosvětové výroby oceli - asi 66 procent - se vyrábí v základních kyslíkových zařízeních. Vývoj metody pro oddělení kyslíku od dusíku v průmyslovém měřítku v 60. letech umožnil významné pokroky ve vývoji základních kyslíkových pecí.

Základní kyslíkové pece vyfukují kyslík do velkého množství roztaveného železa a šrotu a mohou nabíjet mnohem rychleji než metody s otevřeným ohněm. Velká plavidla s kapacitou až 350 tun železa mohou dokončit přeměnu na ocel za méně než jednu hodinu.

Nákladová efektivita výroby kyslíkové oceli způsobila, že otevřené továrny na výrobu krbu byly nekonkurenceschopné, a po nástupu výroby kyslíkové oceli v 60. letech se začaly uzavírat operace na otevřeném ohništi. Poslední zařízení s otevřeným krbem v USA bylo uzavřeno v roce 1992 a v Číně, poslední zařízení bylo uzavřeno v roce 2001.

_Zdroje:

_{Spoerl, Joseph S. Stručná historie výroby železa a oceli. Saint Anselm College.}

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

_{Světová ocelářská asociace. Webová stránka: www.steeluniversity.org}

_{Ulice, Arthure. & Alexander, W. Ó. 1944. Kovy ve službě člověka. 11. vydání (1998).}