En kort historie om stål og Bessemer-prosessen

Masovner ble først utviklet av kineserne på 600-tallet f.Kr., men de ble mer brukt i Europa i løpet av middelalderen og økte produksjonen av støpejern. Ved veldig høye temperaturer begynner jern å absorbere karbon, noe som senker smeltepunktet for metallet, noe som resulterer i støping jern (2,5 prosent til 4,5 prosent karbon).

Støpejern er sterkt, men det lider av sprøhet på grunn av karboninnholdet, noe som gjør det mindre enn ideelt for arbeid og forming. Som metallurgister ble klar over at det høye karboninnholdet i jern var sentralt i problemet med sprøhet eksperimenterte de med nye metoder for å redusere karboninnholdet for å gjøre jern mer brukbar.

Moderne stållaging utviklet seg fra disse tidlige dagene med å lage jern og påfølgende utvikling av teknologi.

På slutten av 1700-tallet lærte jernprodusenter å transformere støpejern til et smeltjern med lite karbon ved hjelp av søleovner, utviklet av Henry Cort i 1784. Grisejern er det smeltede jernet som går tom for masovner og avkjølt i hovedkanalen og tilstøtende muggsopp. Den fikk navnet sitt fordi de store, sentrale og tilgrensende mindre bargene lignet en purke og ammende smågriser.

For å lage smijern, ovnene oppvarmet smeltet jern som måtte røres av sølepytter ved hjelp av lange åreformede verktøy, slik at oksygen kan kombineres med og fjerne karbon sakte.

Når karboninnholdet synker, øker jernets smeltepunkt, slik at masser av jern ville agglomerere i ovnen. Disse massene ville bli fjernet og jobbet med en smihammer av sølepytten før de ble rullet inn i ark eller skinner. I 1860 var det mer enn 3000 puddingovner i Storbritannia, men prosessen forble hindret av dens arbeidskraft og drivstoffintensitet.

Blisterstål - en av de tidligste formene for stål—Begynneproduksjon i Tyskland og England på 1600-tallet og ble produsert ved å øke karboninnholdet i smeltet råjern ved å bruke en prosess kjent som sementering. I denne prosessen ble stenger av smijern lagd med pulverisert trekull i steinkasser og oppvarmet.

Etter omtrent en uke ville jernet absorbere karbonet i trekullet. Gjentatt oppvarming ville fordele karbon jevnere, og resultatet, etter avkjøling, var blisterstål. Det høyere karboninnholdet gjorde at blisterstål var mye mer brukbart enn svinejern, slik at det kunne presses eller rulles.

Blisterstålproduksjon avanserte på 1740-tallet da den engelske urmakeren Benjamin Huntsman fant ut at metallet kunne bli smeltet i lerkedeler og raffinert med en spesiell fluss for å fjerne slagg som sementeringsprosessen etterlot seg. Huntsman prøvde å utvikle et stål av høy kvalitet til klokkefjærene. Resultatet var digel - eller støpt - stål. På grunn av produksjonskostnadene ble imidlertid både blister og støpt stål bare noen gang brukt i spesialitetsapplikasjoner.

Som et resultat forble støpejern laget i søleovner det primære strukturelle metallet i å industrialisere Storbritannia i det meste av 1800-tallet.

Veksten av jernbaner i løpet av 1800-tallet i både Europa og Amerika satte stort press på jernindustrien, som fortsatt slet med ineffektive produksjonsprosesser. Stål var fremdeles uprovosert som konstruksjonsmetall og produksjonen var treg og kostbar. Det var fram til 1856 da Henry Bessemer kom frem til en mer effektiv måte å føre oksygen inn i smeltet jern for å redusere karboninnholdet.

Nå kjent som Bessemer-prosessen, designet Bessemer en pæreformet beholder - referert til som en omformer - der jern kunne varmes opp mens oksygen kunne blåses gjennom det smeltede metallet. Når oksygen passerte gjennom det smeltede metallet, ville det reagere med karbonet, frigjøre karbondioksid og produsere et mer rent jern.

Prosessen var rask og billig, og fjernet karbon og silisium fra jern i løpet av få minutter, men led av å være for vellykket. For mye karbon ble fjernet og for mye oksygen ble igjen i sluttproduktet. Bessemer måtte til slutt betale tilbake sine investorer til han kunne finne en metode for å øke karboninnholdet og fjerne det uønskede oksygenet.

Omtrent samtidig kjøpte den britiske metallurgen Robert Mushet og begynte å teste en forbindelse av jern, karbon og mangan— Kjent som spiegeleisen. Mangan var kjent for å fjerne oksygen fra smeltet jern, og karboninnholdet i spiegeleisen, hvis det ble tilsatt i riktige mengder, ville gi løsningen på Bessemers problemer. Bessemer begynte å legge den til sin konverteringsprosess med stor suksess.

Et problem gjensto. Bessemer hadde ikke klart å finne en måte å fjerne fosfor - en skadelig urenhet som gjør stål sprøtt - fra sluttproduktet. Følgelig kunne bare fosforfri malmer fra Sverige og Wales brukes.

I 1876 kom waliseren Sidney Gilchrist Thomas med en løsning ved å tilsette en kjemisk grunnleggende fluks - kalkstein - til Bessemer-prosessen. Kalksteinen trakk fosfor fra svinejernet inn i slaggen, slik at det uønskede elementet kunne fjernes.

Denne nyvinningen gjorde at jernmalm fra hvor som helst i verden endelig kunne brukes til å lage stål. Ikke overraskende begynte produksjonskostnadene for stål å synke betydelig. Prisene for stålskinne falt mer enn 80 prosent mellom 1867 og 1884, og startet veksten i verdens stålindustri.

I 1860-årene forbedret den tyske ingeniøren Karl Wilhelm Siemens stålproduksjonen ytterligere gjennom etableringen av den åpne ildstedets prosess. Dette produserte stål fra råjern i store grunne ovner.

Ved å bruke høye temperaturer for å forbrenne overflødig karbon og andre urenheter, var prosessen avhengig av oppvarmede teglkamre under ildstedet. Regenererende ovner brukte senere avgasser fra ovnen for å opprettholde høye temperaturer i teglkamrene nedenfor.

Denne metoden muliggjorde produksjon av mye større mengder (50-100 tonn i en ovn), periodisk testing av det smeltede stål slik at det kunne lages til å oppfylle spesifikke spesifikasjoner, og bruken av skrapstål som rå materiale. Selv om selve prosessen var mye tregere, hadde den åpne peiseprosessen i 1900 stort sett erstattet Bessemer-prosessen.

Revolutionen innen stålproduksjon som ga billigere materiale av høyere kvalitet, ble anerkjent av mange forretningsmenn i dag som en investeringsmulighet. Kapitalister på slutten av 1800-tallet, inkludert Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerte og tjente millioner (milliarder for Carnegie) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, grunnlagt i 1901, var det første selskapet noensinne verdsatt til mer enn 1 milliard dollar.

Like etter århundreskiftet ble Paul Heroults elektriske lysbueovn (EAF) designet for å føre en elektrisk strøm gjennom ladet materiale, noe som resulterer i eksoterm oksidasjon og temperaturer opp til 3,272 grader Fahrenheit (1 800 grader celsius), mer enn tilstrekkelig til å varme opp stål produksjon.

Opprinnelig brukt til spesialstål vokste EAF-er i bruk og av andre verdenskrig ble brukt til fremstilling av stållegeringer. De lave investeringskostnadene som er involvert i å etablere EAF-fabrikker, tillot dem å konkurrere med de store amerikanske produsentene som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, spesielt i karbonstål eller lange produkter.

Fordi EAF-er kan produsere stål fra 100 prosent skrap - eller kaldt jernholdig fôr, er mindre energi per produksjonsenhet nødvendig. I motsetning til grunnleggende oksygenhager, kan operasjoner også stoppes og startes med lite tilhørende kostnader. Av disse grunner har produksjonen via EAFs økt jevnlig i mer enn 50 år og stod for om lag 33 prosent av den globale stålproduksjonen, fra og med 2017.

Størstedelen av den globale stålproduksjonen - omtrent 66 prosent - produseres i grunnleggende oksygenanlegg. Utviklingen av en metode for å skille oksygen fra nitrogen i industriell skala på 1960-tallet muliggjorde store fremskritt i utviklingen av grunnleggende oksygenovner.

Grunnleggende oksygenovner blåser oksygen i store mengder smeltet jern og skrapstål og kan fullføre en ladning mye raskere enn åpen ildstedsmetoder. Store fartøyer som holder opptil 350 tonn jern kan fullføre omstillingen til stål på mindre enn en time.

Kostnadseffektiviteten ved oksygenstålfremstilling gjorde at ildstedets fabrikker ble konkurransedyktige, og etter fremkomsten av oksygenstålfremstilling på 1960-tallet begynte åpen ildstedets operasjoner å stenge. Det siste åpen ildstedet i USA stengte i 1992 og i Kina, det siste stengt i 2001.

_kilder:

_{Spoerl, Joseph S. En kort historie om jern- og stålproduksjon. Saint Anselm College.}

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

_{World Steel Association. nettside: www.steeluniversity.org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metaller i tjeneste for mennesket. 11. utgave (1998).}