Een korte geschiedenis van staal en het Bessemer-proces

Hoogovens werden voor het eerst ontwikkeld door de Chinezen in de 6e eeuw voor Christus, maar werden in de Middeleeuwen in Europa op grotere schaal gebruikt en verhoogden de productie van gietijzer. Bij zeer hoge temperaturen begint ijzer koolstof te absorberen, wat het smeltpunt van het metaal verlaagt, wat resulteert in gieten ijzer (2,5 procent tot 4,5 procent koolstof).

Gietijzer is sterk, maar lijdt onder brosheid vanwege het koolstofgehalte, waardoor het niet ideaal is voor werken en vormen. Toen metallurgisten zich realiseerden dat het hoge koolstofgehalte in ijzer centraal stond in het probleem van broosheid, ze experimenteerden met nieuwe methoden om het koolstofgehalte te verminderen om ijzer meer te maken werkbaar.

Modern staalproductie geëvolueerd uit deze vroege dagen van het maken van ijzer en latere technologische ontwikkelingen.

Tegen het einde van de 18e eeuw leerden ijzermakers gietijzer omzetten in een koolstofarm smeedijzer met behulp van plasovens, ontwikkeld door Henry Cort in 1784. Gietijzer is het gesmolten ijzer dat uit hoogovens wordt geleid en in het hoofdkanaal en de aangrenzende vormen wordt gekoeld. Het dankt zijn naam aan het feit dat de grote, centrale en aangrenzende kleinere blokken op een zeug en zogende biggen leken.

Om smeedijzer te maken, verwarmden de ovens gesmolten ijzer dat door puddlers moest worden geroerd met behulp van lange roeispanen, waardoor zuurstof kon worden gecombineerd met en langzaam koolstof kon verwijderen.

Naarmate het koolstofgehalte afneemt, neemt het smeltpunt van ijzer toe, zodat de ijzermassa's in de oven agglomereren. Deze massa's zouden worden verwijderd en met een smeedhamer door de puddler worden bewerkt voordat ze in platen of rails worden gerold. Tegen 1860 waren er meer dan 3.000 plasovens in Groot-Brittannië, maar het proces bleef belemmerd door de arbeidsintensiteit en brandstofintensiteit.

Blisterstaal - een van de eerste vormen van staal—De productie begon in Duitsland en Engeland in de 17e eeuw en werd geproduceerd door het koolstofgehalte in gesmolten ruwijzer te verhogen met behulp van een proces dat bekend staat als cementering. In dit proces werden smeedijzeren staven in steenkisten in lagen met poederkool gestapeld en verwarmd.

Na ongeveer een week zou het ijzer de koolstof in de houtskool opnemen. Herhaaldelijk verwarmen zou de koolstof gelijkmatiger verdelen en het resultaat, na afkoeling, was blisterstaal. Door het hogere koolstofgehalte was blisterstaal veel werkbaarder dan ruwijzer, waardoor het kan worden geperst of gerold.

De productie van blisterstaal vorderde in de jaren 1740 toen de Engelse klokkenmaker Benjamin Huntsman ontdekte dat het metaal dat kon worden gesmolten in kleikroezen en verfijnd met een speciale vloeimiddel om slakken te verwijderen die het cementatieproces heeft achtergelaten. Huntsman probeerde een hoogwaardig staal te ontwikkelen voor zijn klokveren. Het resultaat was smeltkroes - of gegoten - staal. Vanwege de productiekosten werden blister en gietstaal echter alleen gebruikt in speciale toepassingen.

Dientengevolge bleef gietijzer gemaakt in plasovens het grootste deel van de 19e eeuw het belangrijkste structurele metaal in het industrialiserende Groot-Brittannië.

De groei van de spoorwegen in de 19e eeuw in zowel Europa als Amerika zette grote druk op de ijzerindustrie, die nog steeds worstelde met inefficiënte productieprocessen. Staal was nog niet bewezen als structureel metaal en de productie was traag en kostbaar. Dat was tot 1856, toen Henry Bessemer een effectievere manier bedacht om zuurstof in gesmolten ijzer te brengen om het koolstofgehalte te verminderen.

Nu bekend als het Bessemer-proces, ontwierp Bessemer een peervormig vat - ook wel een converter genoemd - waarin ijzer kon worden verwarmd terwijl zuurstof door het gesmolten metaal kon worden geblazen. Terwijl zuurstof door het gesmolten metaal stroomde, zou het reageren met de koolstof, waardoor kooldioxide vrijkomt en een zuiverder ijzer zou produceren.

Het proces was snel en goedkoop, het verwijderde koolstof en silicium uit ijzer binnen enkele minuten, maar had te veel succes. Er werd te veel koolstof verwijderd en er bleef te veel zuurstof achter in het eindproduct. Uiteindelijk moest Bessemer zijn investeerders terugbetalen totdat hij een methode kon vinden om het koolstofgehalte te verhogen en de ongewenste zuurstof te verwijderen.

Rond dezelfde tijd verwierf en begon de Britse metallurg Robert Mushet een test van ijzer, koolstof en mangaan- bekend als spiegeleisen. Van mangaan was bekend dat het zuurstof uit gesmolten ijzer verwijdert, en het koolstofgehalte in de spiegeleisen zou, indien in de juiste hoeveelheden toegevoegd, de oplossing bieden voor de problemen van Bessemer. Bessemer begon het met groot succes toe te voegen aan zijn bekeringsproces.

Een probleem bleef bestaan. Bessemer was er niet in geslaagd een manier te vinden om fosfor - een schadelijke onzuiverheid die staal broos maakt - uit zijn eindproduct te verwijderen. Bijgevolg konden alleen fosforvrije ertsen uit Zweden en Wales worden gebruikt.

In 1876 bedacht Welshman Sidney Gilchrist Thomas een oplossing door een chemisch basische stroom - kalksteen - toe te voegen aan het Bessemer-proces. De kalksteen trok fosfor uit het ruwijzer in de slak, waardoor het ongewenste element kon worden verwijderd.

Deze innovatie betekende dat ijzererts van overal ter wereld eindelijk kon worden gebruikt om staal te maken. Het is niet verrassend dat de productiekosten voor staal aanzienlijk begonnen te dalen. De prijzen voor stalen rails daalden tussen 1867 en 1884 met meer dan 80 procent, wat de groei van de wereldstaalindustrie op gang bracht.

In de jaren 1860 verbeterde de Duitse ingenieur Karl Wilhelm Siemens de staalproductie verder door zijn creatie van het open haardproces. Dit produceerde staal uit ruwijzer in grote ondiepe ovens.

Met behulp van hoge temperaturen om overtollige koolstof en andere onzuiverheden te verbranden, vertrouwde het proces op verwarmde bakstenen kamers onder de haard. Regeneratieve ovens gebruikten later uitlaatgassen uit de oven om hoge temperaturen in de bakstenen kamers eronder te handhaven.

Deze methode maakte de productie mogelijk van veel grotere hoeveelheden (50-100 ton in één oven), periodiek testen van het gesmolten staal zodat het aan bepaalde specificaties kon voldoen, en het gebruik van schroot als grondstof materiaal. Hoewel het proces zelf veel langzamer was, had het open haardproces tegen 1900 het Bessemer-proces grotendeels vervangen.

De revolutie in de staalproductie die goedkoper materiaal van hogere kwaliteit opleverde, werd door veel zakenlieden van die tijd erkend als een investeringsmogelijkheid. Kapitalisten van de late 19e eeuw, waaronder Andrew Carnegie en Charles Schwab, investeerde en verdiende miljoenen (miljarden in het geval van Carnegie) in de staalindustrie. De US Steel Corporation van Carnegie, opgericht in 1901, was de eerste onderneming met een waarde van meer dan $ 1 miljard.

Vlak na de eeuwwisseling werd de elektrische boogoven (EAF) van Paul Heroult ontworpen om een ​​elektrische stroom door geladen materiaal te laten gaan, resulterend in exotherme oxidatie en temperaturen tot 3272 graden Fahrenheit (1800 graden Celsius), meer dan voldoende om staal te verwarmen productie.

Aanvankelijk gebruikt voor speciaal staal, groeiden EAF's in gebruik en tijdens de Tweede Wereldoorlog werden ze gebruikt voor de productie van staallegeringen. Door de lage investeringskosten voor het opzetten van EAF-fabrieken konden ze concurreren met de grote Amerikaanse producenten zoals US Steel Corp. en Bethlehem Steel, vooral in koolstofstaal of lange producten.

Omdat EAF's staal kunnen produceren uit 100 procent schroot - of koud ijzerhoudend - voer, is er minder energie per productie-eenheid nodig. In tegenstelling tot elementaire zuurstofhaarden, kunnen operaties ook worden gestopt en gestart met weinig bijbehorende kosten. Om deze redenen is de productie via EAF's al meer dan 50 jaar gestaag toegenomen en goed voor ongeveer 33 procent van de wereldwijde staalproductie vanaf 2017.

Het merendeel van de wereldwijde staalproductie - ongeveer 66 procent - wordt geproduceerd in standaard zuurstofinstallaties. De ontwikkeling van een methode om zuurstof op industriële schaal van stikstof te scheiden in de jaren zestig zorgde voor grote vooruitgang in de ontwikkeling van zuurstofovens.

Basiszuurstofovens blazen zuurstof in grote hoeveelheden gesmolten ijzer en schrootstaal en kunnen een lading veel sneller voltooien dan open-haardmethoden. Grote schepen die tot 350 ton ijzer bevatten, kunnen de conversie naar staal in minder dan een uur voltooien.

De kostenefficiëntie van de zuurstofstaalproductie maakte openhaardfabrieken niet concurrerend en na de komst van de zuurstofstaalfabricage in de jaren zestig begonnen de openhaardactiviteiten te sluiten. De laatste openhaardfaciliteit in de Verenigde Staten sloot in 1992 en in China, de laatste in 2001.

_Bronnen:

_{Spoerl, Joseph S. Een korte geschiedenis van de ijzer- en staalproductie. Saint Anselm College.}

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

_{De World Steel Association. Website: www.steeluniversity.org}

_{Straat, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metalen in dienst van de mens. 11e editie (1998).}