Од гвозденог доба до Бесесеровог процеса и модерног челика
Ера гвожђа
На веома високим температурама, гвожђе почиње да апсорбује угљеник, што снижава тачку топљења метала, што доводи до челика (2,5 до 4,5% угљеника). Развој високих пећи, који су први користили Кинези у 6. веку пре нове ере, али се у Европи још више користили у средњем вијеку, повећала је производњу ливеног гвожђа.
Сирово гвожђе
Стаклена гвожђа која је исцрпљена из високих пећи и охлађена у главном каналу и суседним калупима постала је називана свињском гвожђом, јер су велики, централни и суседни мањи инготи изгледали као свињски и сисарски прасади.
Ливено гвожде
Ливено гвожђе је јако, али је изложено крхкости због садржаја угљеника, чинећи га мање него идеалним за рад и обликовање. Како су металурги постали свесни да је садржај угљеника у гвожђу био централан за проблем крхкости, експериментисали су са новим методама за смањење садржаја угљеника како би се гвожђе учинило изводљивијим.
Ковано гвожђе
До краја КСВИИИ вијека, жељезари су научили како трансформирати ливено гвоздено гвожђе у ковани гвожђе са ниским садржајем угљеника користећи пудинг пећи (развио Хенри Цорт 1784). Пећи су загрејали растопљено гвожђе, које су морале мешати пуддлерс користећи дугачке алате у облику весла, омогућавајући комбинацији кисеоника са пољем и полагањем карбона.
Како се садржај угљеника смањује, тачка топљења гвожђа се повећава, тако да се масе гвожђа агломеришу у пећи. Ове масе би се уклониле и радиле са ковачким чекићем од пуддлера пре него што су се увели у лимове или шине. До 1860. године у Британији је било преко 3000 пудриџних пећи, али је процес остао спречен због рада и интензивности горива.
Блистер Стеел
Један од најранијих облика челика , блистер челика, започео је производњу у Немачкој и Енглеској у 17. веку и произведен је повећањем садржаја угљеника у растопљеном свињском жељезу користећи процес познат као цементирање. У овом процесу, барови од кованог гвожђа слојевани су угаљом у каменим кутијама и загрејани.
После недељу дана, гвожђе би апсорбовало угљеник у угљенику. Поновљено грејање би равномерно расподјељивало угљеник, а резултат, након хлађења, био је блистер челика. Већи садржај угљеника учинио је блистер челика много изводљивијим од гвозденог гвожђа, омогућавајући га да се притисне или ваљани.
Производња бледог челика напредовала је током 1740-их када је енглески часописац Бењамин Хунтсман покушавао да развије висококвалитетни челик за своје изворе сателита, открио да се метал може растопити у глиненим лончарима и рафинирати са посебним флуксом да би се уклонила јаруга која је процес цементације напустио иза. Резултат је био лонац или ливени челик. Међутим, због трошкова производње, и блистер и ливени челик се користи само у специјалним апликацијама.
Као резултат тога, ливено гвожђе направљено у пећима за пудингом остало је примарни структурни метал у индустријализацији Британије током већине 19. века.
Процес Бессемер и савремени челик
Раст жељезничких пруга током 19. вијека у Европи и Америци ставио је велики притисак на индустрију гвожђа, који се још увијек бори са неефикасним производним процесима. Челик још увек није био доказан као структурни метал, а производња је била спора и скупа. То је било до 1856. године када је Хенри Бессемер дошао на ефикаснији начин да уведе кисеоник у растопљено гвожђе да би смањио садржај угљеника.
Сада познат као Бессемеров процес, Бессемер је дизајнирао крушасту посуду - названу "претварач" - у којем се гвожђе могло загријати док би се кисеоник могао одвести кроз растопљени метал. Како је кисеоник прошао кроз растопљени метал, реаговао би са угљеником, ослобађајући угљен-диоксид и производњу чистијег гвожђа.
Процес је био брз и јефтин, уклањајући угљеник и силициј од гвожђа за неколико минута, али је претрпео да буде сувише успешан.
Превише угљеника је уклоњено и превише кисика је остало у финалном производу. Бессемер је на крају морао да отплати своје инвеститоре све док не пронађе метод за повећање садржаја угљеника и уклањање нежељеног кисеоника.
Отприлике у исто време, британски металург Роберт Мусет стекао је и започео тестирање једињења од гвожђа, угљеника и мангана - познатог као спиегелеисен . За манган је познато да уклања кисеоник из растопљеног гвожђа и садржај угљеника у спиегелеисену ако се дода у правим количинама, обезбедиће решење за проблеме Бессемер-а. Бессемер је започео додавање у процес конверзије са великим успехом.
Један проблем је остао. Бессемер није пронашао начин уклањања фосфора - штетне нечистоће чине челик крхким - од свог крајњег производа. Сходно томе, могу се користити само руде без фосфора из Шведске и Велса.
Године 1876. Велсхман Сиднеи Гилцхрист Тхомас је дошао до решења додајући хемијски основни флукс-кречњак у процес Бессемер-а. Валцер је извадио фосфор из свињског гвожђа у шљунку, омогућавајући уклањању нежељеног елемента.
Ова иновација је значила да, коначно, жељезна руда из било којег мјеста на свијету може се користити за челика. Није изненађујуће што су се трошкови производње челика почели знатно смањивати. Цене жељезничке железнице падале су више од 80% између 1867. и 1884. године, као резултат нових техника производње челика, иницирајући раст светске челичне индустрије.
Процес отвореног хита:
Током 1860-их немачки инжињер Карл Вилхелм Сиеменс додатно је увећао производњу челика кроз свој креирање процеса отвореног огњишта. Процес отвореног огњишта произвео је челик од сировог гвожђа у великим плитким пећима.
Коришћењем високих температура за спаљивање вишка угљеника и других нечистоћа, процес се ослањао на огреване опечне коморе испод огњишта. Регенеративне пећи касније су користиле издувне гасове из пећи да би одржале високе температуре у опекарским коморама испод.
Овакав метод омогућио је производњу много већих количина (50-100 метричких тона се могло произвести у једној пећи), периодично тестирање стаљеног челика тако да се може направити да испуни одређене спецификације и употребу отпадног челика као сировине . Иако је сам процес био много спорији, до 1900. године процес отвореног огњишта је у великој мјери замијенио процес Бессемер-а.
Рођење индустрије челика:
Револуција у производњи челика која је обезбедила јефтинији, квалитетнији материјал, препознали су многи привредници тог дана као инвестициона прилика. Капиталисти крајем 19. века, укључујући Андрев Царнегие и Цхарлес Сцхваб, уложили су и направили милионе (милијарде у случају Царнегие) у челичној индустрији. Царнегиеова УС Стеел Цорпоратион, основана 1901. године, била је прва корпорација која је икада покренута у вриједности од преко милијарду долара.
Електрични ложни пећи Челик:
Тек после преломовог века дошло је до другог развоја који би имао снажан утицај на еволуцију производње челика. Електролучна пећ Паула Хероулта (ЕАФ) дизајнирана је да пренесе електричну струју кроз напуњен материјал, што доводи до ексотермне оксидације и температуре до 3272 ° Ф (1800 ° Ц), више него довољно за загревање производње челика.
Првобитно коришћени за специјалне челике, ЕАФ су расли у употреби и, до Другог светског рата, користе се за производњу челичних легура. Ниски инвестициони трошкови укључени у оснивање ЕАФ млинова омогућили су им да се такмиче са великим америчким произвођачима попут УС Стеел Цорп. и Бетлехем Стеел, посебно у угљеничним челикима или дугим производима.
Због тога што ЕАФ могу производити челик од 100% отпадних или хладних гвожђа, потребно је мање енергије по јединици производње. За разлику од основних кисеоника, операције се такође могу зауставити и започети са мало повезаним трошковима. Из тих разлога, производња преко ЕАФ-а се стално повећава већ више од 50 година и сада чини око 33% глобалне производње челика.
Производња кисеоника:
Већина глобалне производње челика - око 66% - сада се производи у основним постројењима кисеоника. Развој методе за раздвајање кисеоника из азота на индустријском нивоу у 1960-им омогућио је велики напредак у развоју основних кисеоничних пећи.
Основне кисеоничне пећи удишу кисеоник у велике количине стаљеног гвожђа и отпадног челика и могу много више брзо напунити него методе отвореног огњишта. Велики бродови који држе до 350 метричких тона гвожђа могу завршити конверзију у челик за мање од једног сата.
Ефикасност трошкова производње челичних кисеоника учинила је фабрике отвореним горивом неконкурентна и, након доласка кисеоника у 1960-их, операције отвореног хода започеле су затварање. Задњи отворни објекат у САД затворен је 1992. године иу Кини 2001. године.
Извори:
Споерл, Јосепх С. Кратка историја производње жељеза и челика . Колеџ Саинт Анселм.
Доступно: хттп://ввв.анселм.еду/хомепаге/дбанацх/х-царнегие-стеел.хтм
Светско удружење челика. Сајт: ввв.стеелуниверсити.орг
Улица, Артхур. & Алекандер, ВО 1944. Метали у служби човека . 11. издање (1998).