Raua ajast kuni Bessemeri protsessi ja kaasaegse terasetehasesse
Raua ajastus
Väga kõrgel temperatuuril hakkab rauas süsinikku imenduma, mis alandab metalli sulamistemperatuuri, mille tulemuseks on malm (2,5-4,5% süsinik). Kõrgete kõridehade areng, mida Hiina kasutas kõigepealt 6. sajandil eKr, kuid keskajal Euroopas laialdasemalt kasutusel, suurendas malmi tootmist.
Malm
Kõrgsaagist otsas olevat sulatatud rauda, mis on põhikanalis ja külgnevatel vormidel jahutatud, sai nimeks malmi, sest suured, keskmised ja külgnevad väiksemad valuplokid sarnanesid lehma ja imetavate põrsastega.
Malm
Malm on tugev, kuid selle süsinikusisalduse tõttu on rähn, mis muudab selle töötamiseks ja kujundamiseks vähem ideaalseks. Metallurgists sai teadmiseks, et rauasisaldus on keskne roostevabastuse probleem, katsetasid nad uusi meetodeid süsinikusisalduse vähendamiseks, et muuta raud rohkem töödeldavaks.
Sepised
18. sajandi lõpuks õppisid rauasutajad, kuidas muuta valatud malm madala süsiniku sisaldusega sepistatud rauda, kasutades puddling ahjusid (välja töötatud Henry Cort 1784). Aurud kuumutati sulatatud rauda, mida puddlerid pidid püstma hakkama, kasutades pika sõõrmikujulisi tööriistu, võimaldades hapnikku ühendada ja aeglaselt eemaldada süsinikku.
Kuna süsinikusisaldus väheneb, tõuseb rauda sulamistemperatuur, nii et ahju aglomeerub raua massid. Need massid eemaldatakse ja töödeldakse peibutusega haameriga, enne kui need valatakse lehtedeks või rööpadesse. Suurbritannias oli 1860. aastaks üle 3000 puddlingiahju, kuid seda protsessi takistas ka tööjõud ja kütuse intensiivsus.
Blister Teras
17. sajandil toodi Saksamaal ja Inglismaal üks esimesi terasliideseid , mullpakendit terasest, mis toodi süsinikusisalduse suurendamise teel sulatatud malmides tsemendiga tuntud protsessi abil. Selles protsessis viimistletud sepistatud triikrauad kihistati pulbrilise puusüsi kivikarpides ja kuumutati.
Umbes nädala pärast imbib rauas süsi süsinikus. Korduv küte levib süsinik ühtlasemalt ja tulemus pärast jahutamist oli mullpakendis teras. Suurem süsinikusisaldus moodustas mullpakendi terasest palju paremini kui malmist, mis võimaldab seda pressida või valtsida.
Blistertoodete tootmine tõusis 1740. aastatel, kui inglise kellamehhanism Benjamin Huntsman püüdes oma kellavärvidele valmistada kvaliteetset terast, leidis, et metalli võib sulatada savi tiiglites ja rafineerida spetsiaalse vooluga, et eemaldada tsementeerimisprotsessist räbu taga. Tulemuseks oli tiigli- või valumass. Kuid tootmiskulude tõttu kasutati nii blisterit kui ka valuteraset erandina.
Selle tulemusena jäi puddlingahjude abil valmistatud malm peamiseks struktuurseks metalliks Suurbritannia tööstuslikuks tootmiseks enamiku 19. sajandil.
Bessemeri protsess ja kaasaegne terasetootmine
19. sajandil ehitatud raudteede kasv Euroopas ja Ameerikas avaldas suurt survet raua tootmisharule, kes võitleb endiselt ebatõhusate tootmisprotsessidega. Teras oli ikka veel struktuurse metallina tõestatud ja tootmine oli aeglane ja kulukas. See oli kuni 1856. aastani, kui Henry Bessemer jõudis tõhusamalt sisse, et hapniku sisseviimine sula rauas süsiniku sisalduse vähendamiseks.
Nüüd tuntud Bessemeri protsessina, kujundas Bessemer pirnikujulist anumat, mida nimetatakse "muunduriks", mille abil saab rauda kuumutada, samal ajal kui hapnikku võib läbi sula metalli läbi lasta. Kuna hapnik läbib sulametalli, reageerib see süsinikuga, vabastab süsinikdioksiidi ja annab puhta rauda.
Protsess oli kiire ja odav, eemaldades rauast süsinikust ja räni mõne minuti jooksul, kuid see oli liiga edukas.
Eemaldas liiga palju süsinikku ja lõpptootes jäi liiga palju hapnikku. Bessemer pidi lõpuks oma investoreid tagasi maksma, kuni ta suudab leida süsiniku sisalduse suurendamise ja soovimatu hapniku eemaldamise meetodi.
Samal ajal omandas Briti metallurgist Robert Mushet ja hakkas katsetama raud, süsiniku ja mangaani ühendit, mis on tuntud kui spiigleisen . Tõenäoliselt eemaldas mangaan hapniku sula rauda ja süsivesiku sisaldus spiegeleisenis, kui seda lisada õigetes kogustes, oleks Bessemeri probleemidele lahendus. Bessemer hakkas seda väga edukalt oma üleminekuprotsessi lisama.
Üks probleem püsis. Bessemer ei suutnud leida viis fosfori eemaldamiseks - kahjulikust lisandist, mis muudab terase rabedaks - oma lõpptootes. Järelikult võib kasutada ainult fosforivabad maavarasid Rootsist ja Walesilt.
1876. aastal jõudis Welshman Sidney Gilchrist Thomas lahenduseni, lisades Bessemeri protsessile keemiliselt põhilise voolu-lubjakivi. Lubjakivi tõmbas malmist räbast fosfori, mis võimaldas eemaldada soovimatu elemendi.
See innovatsioon tähendas, et lõpuks saab terase tootmiseks kasutada rauamaaki kõikjalt maailmast. Pole üllatav, et terase tootmiskulud hakkasid märgatavalt vähenema. Terasrajatiste hinnad langesid aastatel 1867-1888 üle 80% uute terasetootmistehnikate tulemusel, mis tõi kaasa maailma terasetööstuse kasvu.
Avatud kamberprotsess:
Saksa insener Karl Wilhelm Siemens tegi 1860. aastatel veelgi suurema terase tootmise oma avakütteprotsessi loomisel. Avatud küpsetusprotsessis toodeti malmist terasest suurte madalate ahjude puhul.
Kõrge temperatuuri kasutamine üleliigse süsiniku ja teiste lisandite põletamiseks põhineb protsessil kuumutatud tellistest kambritest põranda all. Regenereeritavates ahjudes kasutati hiljem ahjus heitgaase, et säilitada madalamad temperatuurid allpool asuvates tellisküttekambrites.
See meetod võimaldas valmistada palju suuremaid koguseid (50-100 tonni võiks toota ühes ahjus), sula terasest perioodiliselt katsetada, et seda saaks teha spetsiifiliste spetsifikatsioonide täitmiseks ja vanaraua kasutamine toorainena . Kuigi protsess iseenesest oli palju aeglasem, avati 1900. aastal suures osas Bessemeri protsessi asendus.
Terasetööstuse sünd
Paljud tänapäeva ärimehed tunnistavad, et terasetootmise revolutsiooni, mis andis odavamaid ja kvaliteetsemaid materjale, on investeerimisvõimalus. 19. sajandi lõpu kapitalistid, sealhulgas Andrew Carnegie ja Charles Schwab, investeerisid ja tegi terasetööstuses miljoneid (Carnegie puhul miljardeid). 1901. aastal asutatud Carnegie USA Steel Corporation oli esimene ettevõtte, mille väärtus oli kunagi üle miljardi dollari väärtuses.
Elektriline ahjuküttega terasetööstus:
Kohe pärast sajandi teisel poolel tekkis teine areng, mis avaldaks tugevat mõju terase tootmise arengule. Paul Heroulti elektrikaareahi (EAF) oli kavandatud elektrivoolu läbimiseks laetud materjalist, mille tagajärjeks oli eksotermiline oksüdeerumine ja temperatuur kuni 3272 ° F (1800 ° C), enam kui piisav terase tootmise kuumutamiseks.
Eriti terasele algselt kasutati EAF-sid ja II maailmasõja ajal kasutati terasest sulamit. EAFi veskide rajamise madalad investeerimiskulud võimaldasid neil konkureerida peamiste USA tootjatega, nagu USA Steel Corp. ja Bethlehem Steel, eriti süsinikterastel või pikkadel toodetel.
Kuna EAF-id võivad toota terast 100% ulatuses metallijäätmetest või külmast toidulisandist, on vaja vähem energiat toodanguühiku kohta. Vastupidiselt põhilistele hapnikuallikatele võib operatsioone peatada ja alustada väikeste kuludega. Nendel põhjustel on EAFide tootmine pidevalt kasvanud üle 50 aasta ja moodustab praegu umbes 33% ülemaailmsest terasetootmisest.
Hapnik Terasetööstus:
Enamik ülemaailmsetest terasetootmistest - ligikaudu 66% - toodetakse nüüd põhiliste hapnikuvarustustööstuses. 1960-ndate aastate tööstusliku lämmastiku hapniku eraldamise meetodi väljatöötamine võimaldas hapnikupõletike põhiliste arengute arengut.
Põhilised hapnikupõletid puhuvad hapnikku suures koguses sula rauda ja vanaraua terasest ning suudavad täita laengu palju kiiremini kui avatud põranda meetodid. Suured laevad, mis hoiavad kuni 350 tonni rauda, võivad lõpetada terase muundamise vähem kui ühe tunni jooksul.
Hapnikust terasetegevuse kulude tõhusus muutis avamaal asuvaid tehaseid konkurentsivõimetuks ning pärast 1960. aastatel tekkinud hapniku terase tootmist hakkasid avamereprotsessid lõpetama. Viimane avamere rajatis USA-s suleti 1992. aastal ja Hiinas 2001. aastal.
Allikad:
Spoerl, Joseph S. Raua ja terase tootmise lühikirjeldus . Saint Anselmi kolledž.
Saadaval: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Maailma teraseühendus. Veebisait: www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Meeste teenistuses olevad metallid . 11. väljaanne (1998).