O scurtă istorie a oțelului și a procesului Bessemer

Cuptoarele explozive au fost dezvoltate pentru prima dată de chinezi în secolul VI î.C., dar au fost mai utilizate pe scară largă în Europa în Evul Mediu și au crescut producția de fontă. La temperaturi foarte ridicate, fierul începe să absoarbă carbonul, ceea ce scade punctul de topire al metalului, rezultând turnare fier (2,5% până la 4,5% carbon).

Fonta este puternică, dar suferă de fragilitate datorită conținutului de carbon, ceea ce o face mai puțin decât ideală pentru lucru și modelare. Pe măsură ce metalurgiștii au devenit conștienți de faptul că conținutul ridicat de carbon din fier a fost esențial pentru problema fragilitate, au experimentat noi metode pentru reducerea conținutului de carbon pentru a face fier mai mult funcțional.

Modern producția de oțel a evoluat din aceste zile de început în realizarea fierului și a evoluțiilor ulterioare ale tehnologiei.

Până la sfârșitul secolului 18, producătorii de fier au învățat cum să transforme fontă într-un fier forjat cu conținut scăzut de carbon, folosind cuptoare de baltă, dezvoltate de Henry Cort în 1784. Fierul de porc este fierul topit, care este eliminat din cuptoarele explozive și răcit în canalul principal și în formele alăturate. Și-a luat numele, deoarece lingourile mici, centrale și alăturate, semănau cu o scroafă și purcei care alăptau.

Pentru fabricarea fierului forjat, cuptoarele au încălzit fierul topit, care a trebuit să fie agitat de către budinci folosind instrumente lungi în formă de vâslă, permițând oxigenului să se combine și să îndepărteze încet carbonul.

Pe măsură ce conținutul de carbon scade, punctul de topire al fierului crește, astfel încât masa de fier s-ar aglomera în cuptor. Aceste mase ar fi îndepărtate și lucrate cu un ciocan de forjă de către băltoacă înainte de a fi rulate în foi sau șine. Până în 1860, existau peste 3.000 de cuptoare de bălți în Marea Britanie, dar procesul a rămas împiedicat de forța sa de muncă și de consumul de combustibil.

Oțel blister - una dintre cele mai vechi forme de oţel- producția de grană în Germania și Anglia în secolul al XVII-lea și a fost produsă prin creșterea conținutului de carbon din fierul de porc topit folosind un proces cunoscut sub numele de cimentare. În acest proces, barele din fier forjat au fost stratificate cu cărbune praf în cutii de piatră și încălzite.

După aproximativ o săptămână, fierul ar absorbi carbonul din cărbune. Încălzirea repetată ar distribui carbonul mai uniform, iar rezultatul, după răcire, a fost oțelul blister. Conținutul ridicat de carbon a făcut ca oțelul blister să fie mult mai funcțional decât fierul de porc, permițându-i să fie presat sau laminat.

Producția de oțel blister a avansat în anii 1740 când producătorul de ceasuri engleze, Benjamin Huntsman, a descoperit că metalul ar putea să fie topit în creuzete de lut și rafinat cu un flux special pentru a îndepărta zgura pe care procesul de cimentare a lăsat-o în urmă. Huntsman încerca să dezvolte oțel de înaltă calitate pentru arcurile sale de ceas. Rezultatul a fost un creuzet sau oțel turnat. Cu toate acestea, datorită costului producției, atât blisterul, cât și oțelul turnat au fost folosite vreodată în aplicații specializate.

Drept urmare, fonta fabricată în cuptoare de bălți a rămas metalul structural primar în industrializarea Marii Britanii în cea mai mare parte a secolului al XIX-lea.

Creșterea căilor ferate pe parcursul secolului al XIX-lea atât în ​​Europa cât și în America a exercitat o presiune mare asupra industriei fierului, care încă se lupta cu procesele de producție ineficiente. Oțelul era încă neprovizat, deoarece un metal structural și producția era lentă și costisitoare. Asta până în 1856, când Henry Bessemer a venit cu o metodă mai eficientă de a introduce oxigenul în fierul topit pentru a reduce conținutul de carbon.

Acum cunoscut sub numele de Procesul Bessemer, Bessemer a proiectat un recipient în formă de pere - denumit convertor - în care fierul putea fi încălzit în timp ce oxigenul putea fi suflat prin metalul topit. Pe măsură ce oxigenul trecea prin metalul topit, acesta avea să reacționeze cu carbonul, eliberând dioxidul de carbon și producând un fier mai pur.

Procesul a fost rapid și ieftin, îndepărtând carbonul și siliconul din fier în câteva minute, dar a avut prea mult succes. S-a îndepărtat prea mult carbon și a rămas prea mult oxigen în produsul final. În cele din urmă, Bessemer a trebuit să-și ramburseze investitorii până când a putut găsi o metodă pentru a crește conținutul de carbon și pentru a elimina oxigenul nedorit.

Cam în același timp, metalurgistul britanic Robert Mushet a achiziționat și a început testarea unui compus de fier, carbon și mangan- cunoscut ca spiegeleisen. Se știa că manganul elimină oxigenul din fierul topit, iar conținutul de carbon din spiegeleisen, dacă este adăugat în cantități potrivite, ar oferi soluția problemelor lui Bessemer. Bessemer a început să o adauge la procesul său de conversie cu mare succes.

A rămas o problemă. Bessemer nu a reușit să găsească o modalitate de a îndepărta fosforul - o impuritate dăunătoare care face oțelul fragil - din produsul său final. În consecință, ar putea fi utilizate doar minereuri fără fosfor din Suedia și Țara Galilor.

În 1876, galezul Sidney Gilchrist Thomas a venit cu o soluție prin adăugarea unui flux de bază chimic - calcarul - la procesul Bessemer. Calcarul a scos fosforul din fierul de porc în zgură, permițând eliminarea elementului nedorit.

Această inovație a însemnat că minereul de fier de oriunde în lume ar putea fi folosit în sfârșit pentru fabricarea oțelului. Nu este surprinzător, costurile de producție din oțel au început să scadă semnificativ. Prețurile pentru calea ferată a oțelului au scăzut cu peste 80 la sută între 1867 și 1884, începând creșterea industriei siderurgice mondiale.

În anii 1860, inginerul german Karl Wilhelm Siemens a îmbunătățit în continuare producția de oțel prin crearea procesului de vatră deschisă. Aceasta producea oțel din fier de porc în cuptoare mari superficiale.

Folosind temperaturi ridicate pentru a arde excesul de carbon și alte impurități, procesul s-a bazat pe camerele de cărămidă încălzite sub vatră. Cuptoarele regenerative au folosit ulterior gaze de evacuare din cuptor pentru a menține temperaturi ridicate în camerele de cărămidă de mai jos.

Această metodă a permis producerea unor cantități mult mai mari (50-100 tone metrice într-un cuptor), testări periodice din oțel topit, astfel încât să poată fi îndeplinit specificațiile specifice și utilizarea oțelului de fier vechi ca materie primă material. Deși procesul în sine a fost mult mai lent, până în 1900, procesul vatra deschisă a înlocuit în mare parte procesul Bessemer.

Revoluția producției de oțel care a furnizat materiale mai ieftine și de calitate superioară, a fost recunoscută de mulți oameni de afaceri ai zilei drept o oportunitate de investiții. Capitaliștii de la sfârșitul secolului 19, inclusiv Andrew Carnegie și Charles Schwab, a investit și a făcut milioane (miliarde în cazul Carnegie) în industria siderurgică. Corporația americană a oțelului Carnegie, fondată în 1901, a fost prima corporație evaluată la peste 1 miliard de dolari.

Chiar după sfârșitul secolului, cuptorul electric cu arc electric (EAF) al lui Paul Heroult a fost proiectat pentru a trece un curent electric prin materialul încărcat, rezultând oxidare exotermă și temperaturi de până la 3.272 grade Fahrenheit (1.800 grade Celsius), mai mult decât suficiente pentru încălzirea oțelului producție.

Folosit inițial pentru oțeluri de specialitate, EAF-urile au devenit în uz și până în al doilea război mondial au fost utilizate pentru fabricarea aliajelor de oțel. Costul redus al investițiilor implicat în înființarea fabricilor de EAF le-a permis să concureze cu marii producători din SUA, precum US Steel Corp. și Bethlehem Steel, în special în oțelurile cu carbon sau produsele lungi.

Deoarece EAF-urile pot produce oțel din furaje de 100 la sută - sau fier feros -, este necesară mai puțină energie pe unitatea de producție. Spre deosebire de vatra de bază a oxigenului, operațiile pot fi de asemenea oprite și începute cu costuri asociate. Din aceste motive, producția prin EAF a crescut constant de mai bine de 50 de ani și a reprezentat aproximativ 33 la sută din producția globală de oțel, începând cu 2017.

Majoritatea producției globale de oțel - aproximativ 66 la sută - sunt produse în instalații de bază de oxigen. Dezvoltarea unei metode de separare a oxigenului de azot la scară industrială în anii '60 a permis progrese majore în dezvoltarea cuptoarelor de oxigen de bază.

Cuptoarele de bază de oxigen aruncă oxigenul în cantități mari de fier topit și fier vechi și pot completa o încărcare mult mai rapid decât metodele cu vatră deschisă. Navele mari care dețin până la 350 de tone metrice de fier pot transforma conversia în oțel în mai puțin de o oră.

Eficiența costurilor fabricării oțelului cu oxigen a făcut ca fabricile cu vatra deschisă să nu fie competitive și, după apariția producției de oțel cu oxigen în anii 1960, operațiunile cu vatră deschisă au început să se închidă. Ultima unitate cu vatră deschisă din SUA s-a închis în 1992 și în China, ultima închisă în 2001.

_surse:

_{Spoerl, Iosif S. Scurt istoric al producției de fier și oțel. Colegiul Sfântul Anselm.}

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

_{Asociația Mondială a Oțelului. Site-ul: www.steeluniversity.org}

_{Strada, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metale în slujba omului. Ediția a 11-a (1998).}