Demir Çağından Bessemer Sürecine ve Modern Çelik Üretmeye
Demir Dönemi
Çok yüksek sıcaklıklarda demir, metalin erime noktasını düşüren karbonu emmeye başlar ve bu da dökme demir (% 2.5 ila 4.5 karbon) ile sonuçlanır. İlk olarak Çinliler tarafından M.Ö. 6. yüzyılda kullanılan, ancak Orta Çağ'da Avrupa'da daha yaygın olarak kullanılan yüksek fırınların gelişimi, dökme demir üretimini artırdı.
Dökme demir
Yüksek fırınlardan çıkan ve ana kanalda ve bitişik kalıplarda soğutulan erimiş demir, pik demir olarak adlandırıldı çünkü büyük, merkezi ve bitişik daha küçük külçeler bir domuz yavruya benziyordu.
Dökme demir
Dökme demir kuvvetlidir ancak karbon içeriği nedeniyle kırılganlıktan muzdariptir, bu da onu çalışma ve şekillendirme için ideal olandan daha az yapar. Metalurjistler demirdeki yüksek karbon içeriğinin kırılganlık probleminin merkezinde olduğunun farkına vardıklarında, demiri daha kullanışlı hale getirmek için karbon içeriğini azaltmak için yeni yöntemler denediler.
Dövme demir
Demirciler, 18. yüzyılın sonlarına doğru, dökme pik demiri düşük karbonlu bir ferforje demirine dönüştürmeyi öğrendi (1784'te Henry Cort tarafından geliştirilen). Fırınlar erimiş demir ısıtılmış, bu da uzun süre oar şeklindeki aletler kullanılarak puddler ile karıştırılmalı ve oksijenin karbon ile birleşmesi ve yavaşça ayrılması sağlanır .
Karbon içeriği azaldıkça, ütünün erime noktası artar, böylece fırında demir yığınları birikecektir. Bu kütleler kaldırılacak ve yaprak ya da raylara sarılmadan önce su birikintisi tarafından bir çekiç çekiçle çalışılacaktır. 1860'a gelindiğinde, İngiltere'de 3000'den fazla su birikintisi vardı, ancak bu süreç emek ve yakıt yoğunluğu nedeniyle engellenmişti.
Blister Çelik
Çeliklerin en eski biçimlerinden biri olan blister çelik, 17. yüzyılda Almanya ve İngiltere'de üretime başlamış ve sementasyon olarak bilinen bir yöntem kullanarak erimiş pik demir içindeki karbon içeriğini artırarak üretilmiştir. Bu süreçte, ferforje demir çubukları taş kutularda toz kömür ile kaplandı ve ısıtıldı.
Yaklaşık bir hafta sonra demir, kömürdeki karbonu emer. Tekrarlanan ısıtma, karbonu daha eşit bir şekilde dağıtır ve sonuç, soğuduktan sonra, blister çeliktir. Daha yüksek karbon muhtevası, blister çeliği, pik demirden çok daha fazla işlenebilir kılarak, preslenmesini veya yuvarlanmasını sağladı.
İngiliz saat yapımcısı Benjamin Huntsman, saat yayları için yüksek kaliteli bir çelik geliştirmeye çalışırken 1740'larda gelişmiş olan blister çelik üretimi, kil potalarında erimiş metalin eritilebileceğini ve sementasyon sürecinin bıraktığı cürufu gidermek için özel bir akı ile rafine edildiğini keşfetti. arkasında. Sonuç pota ya da dökme çelikti. Ancak üretim maliyeti nedeniyle, hem blister hem de dökme çelik sadece özel uygulamalarda kullanıldı.
Sonuç olarak, 19. yüzyılın büyük bir bölümünde İngiltere'nin sanayileşmesinde birincil yapısal metal, dökme fırınlarda yapılan dökme demir olarak kaldı.
Bessemer Süreci ve Modern Çelik Üretimi
Hem Avrupa hem de Amerika'da 19. yüzyılda demiryollarının büyümesi, hala verimsiz üretim süreçleriyle mücadele eden demir endüstrisine büyük baskı yaptı. Çelik hala yapısal bir metal olarak kanıtlanmamıştı ve üretim yavaş ve maliyetliydi. 1856 yılına kadar, Henry Bessemer, karbon içeriğini azaltmak için oksijeni erimiş demir içine sokmanın daha etkili bir yolunu buldu.
Bessemer Süreci olarak bilinen Bessemer, eriyik metalden oksijen üflenirken ütünün ısıtılabildiği “dönüştürücü” olarak adlandırılan armut biçimli bir hazne tasarladı. Oksijen, erimiş metalden geçerken, karbon ile tepkimeye girerek karbon dioksiti açığa çıkarır ve daha saf bir demir üretir.
Süreç hızlı ve ucuzdu, karbon ve silisyumu demirden birkaç dakika içinde giderdi, ancak çok başarılı olmaktan acı çekti.
Çok fazla karbon çıkarıldı ve son üründe çok fazla oksijen kaldı. Bessemer sonuçta karbon içeriğini artırmak ve istenmeyen oksijeni kaldırmak için bir yöntem bulana kadar yatırımcılarını geri ödemek zorunda kaldı.
Aynı zamanda, İngiliz metalurjist Robert Mushet, spiegeleisen olarak bilinen bir demir, karbon ve manganez bileşiğini denedi ve test etmeye başladı. Manganezin erimiş demirden oksijeni uzaklaştırdığı ve doğru miktarlarda eklendiğinde spiegeleisen içindeki karbon içeriğinin, Bessemer'in problemlerine çözüm sağlayacağı biliniyordu. Bessemer, dönüşüm sürecine büyük bir başarı ile eklemeye başladı.
Bir problem kaldı. Bessemer, son ürününden fosforu (çelik kırılgan hale getiren zararlı bir kirliliği) çıkarmak için bir yol bulamadı. Sonuç olarak, sadece İsveç ve Galler'den fosforsuz cevherler kullanılabilir.
1876'da Welshman Sidney Gilchrist Thomas, Bessemer sürecine kimyasal olarak temel bir akı - kireç taşı ekleyerek çözümle geldi. Kireçtaşı, fosforu, pik demirden cürufa fırlatır ve istenmeyen elemanın çıkarılmasına izin verir.
Bu yenilik, dünyanın her yerinden demir cevherinin çelik yapmak için kullanılabileceği anlamına geliyordu. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, çelik üretim maliyetleri önemli ölçüde azalmaya başladı. Çelik çelik fiyatları, yeni çelik üretim tekniklerinin bir sonucu olarak, dünya çelik endüstrisinin büyümesini başlatarak 1867 ve 1884 yılları arasında% 80'den fazla düşüş gösterdi.
Açık Ocak Süreci:
1860'lı yıllarda, Alman mühendis Karl Wilhelm Siemens, açık ocak sürecinin yaratılmasıyla çelik üretimini daha da geliştirdi. Açık ocak süreci, büyük sığ fırınlarda pik demirden çelik üretmiştir.
Aşırı karbon ve diğer safsızlıkları yakmak için yüksek sıcaklıklar kullanmak, işlem kalıbın altındaki ısıtılmış tuğla odalarına dayanıyordu. Rejeneratif fırınlar daha sonra aşağıdaki tuğla odalarındaki yüksek sıcaklıkları korumak için fırından çıkan egzoz gazlarını kullandılar.
Bu yöntem çok daha büyük miktarlarda (bir fırında 50-100 metrik ton) üretilebilmesini, erimiş çeliğin periyodik olarak test edilmesini ve böylece belirli özelliklerin ve ham çelik gibi hurda çelik kullanımının sağlanabilmesini sağlamıştır. . Sürecin kendisi çok daha yavaş olmasına rağmen, 1900 yılına kadar açık ocak süreci, büyük ölçüde Bessemer sürecinin yerini almıştır.
Çelik Sektörünün Doğuşu:
Daha ucuz ve daha kaliteli malzeme sağlayan çelik üretimindeki devrim, günümüzün birçok iş adamı tarafından bir yatırım fırsatı olarak kabul edildi. Andrew Carnegie ve Charles Schwab'ın da aralarında bulunduğu 19. yüzyılın kapitalistleri, çelik endüstrisine milyonlarca dolar (Carnegie örneğinde milyarlarca dolar) yatırım yaptı ve yaptılar. Carnegie'nin 1901'de kurduğu US Steel Corporation, 1 milyar doları aşan ilk şirket oldu.
Elektrik Ark Ocağı Çelik üretimi:
Yüzyılın başlangıcından hemen sonra, çelik üretiminin evrimi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olacak başka bir gelişme meydana geldi. Paul Heroult'un elektrik ark ocağı (EAF), ekzotermik oksidasyona ve 3272 ° F'ye (1800 ° C) kadar sıcaklıklara yol açarak, çelik üretimini ısıtmak için yeterli olan bir elektrik akımı geçirerek şarjlı malzemeden geçecek şekilde tasarlanmıştır.
Başlangıçta özel çelikler için kullanılan EAF'ler kullanımda büyüdü ve II. Dünya Savaşı tarafından çelik alaşımlarının üretimi için kullanıldı. EAF fabrikalarının kurulumundaki düşük yatırım maliyeti, ABD Steel Corp. ve Bethlehem Steel gibi büyük Amerikan üreticileri, özellikle karbon çelikler veya uzun ürünler ile rekabet etmelerini sağladı.
EAF'ler% 100 hurda ya da soğuk demir içeren yemden çelik üretebildiğinden, birim üretim başına daha az enerji gereklidir. Bazik oksijen ocaklarının aksine, operasyonlar da az ilgili maliyetle durdurulabilir ve başlatılabilir. Bu nedenlerden ötürü, EAF'ler üzerinden üretim 50 yıldan beri sürekli olarak artmaktadır ve şu anda küresel çelik üretiminin yaklaşık% 33'ünü oluşturmaktadır.
Oksijen Çelik üretimi:
Küresel çelik üretiminin çoğunluğu - yaklaşık% 66 - şimdi temel oksijen tesislerinde üretiliyor. 1960'larda endüstriyel ölçekte nitrojeni ayırmak için bir yöntemin geliştirilmesi, temel oksijen fırınlarının geliştirilmesinde büyük ilerlemeler sağladı.
Temel oksijen fırınları, oksijeni büyük miktarlarda erimiş demir ve hurda çeliğine üfler ve açık ocak yöntemlerinden çok daha hızlı bir şekilde şarj edebilirler. 350 metreye kadar demir içeren büyük gemiler, bir saatten daha kısa sürede çeliğe dönüşümü tamamlayabilirler.
Oksijen çelik üretiminin maliyet etkinliği açık ocak fabrikalarını rekabete aykırı hale getirdi ve 1960'larda oksijen üretiminin başlamasının ardından açık ocak operasyonları kapanmaya başladı. ABD'deki son açık ocak tesis 1992'de ve Çin'de 2001'de kapandı.
Kaynaklar:
Spoerl, Joseph S. Demir ve Çelik Üretiminin Kısa Tarihi . Aziz Anselm Koleji.
Uygun: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Dünya Çelik Birliği. Web sitesi: www.steeluniversity.org
Sokak Arthur. & Alexander, WO 1944. İnsanın Hizmetindeki Metaller . 11. Baskı (1998).