Thép Lịch sử từ thời đồ sắt đến lò điện hồ quang điện

Sự phát triển của thép có thể được truy nguồn từ 4000 năm đến đầu thời kỳ đồ sắt. Chứng tỏ là cứng rắn và mạnh mẽ hơn đồng, vốn đã từng là loại kim loại được sử dụng rộng rãi nhất, sắt bắt đầu biến đồng thành vũ khí và dụng cụ.

Tuy nhiên, trong vài nghìn năm sau, chất lượng sản xuất sắt sẽ phụ thuộc nhiều vào quặng có sẵn như trên phương pháp sản xuất.

Đến thế kỷ 17, tài sản của sắt đã được hiểu rõ, nhưng sự đô thị hóa ở châu Âu đòi hỏi một cấu trúc kim loại linh hoạt hơn.

Vào giữa thế kỷ 19, lượng sắt được tiêu thụ bằng cách mở rộng đường sắt cung cấp cho các nhà luyện kim những động lực tài chính để tìm ra giải pháp cho sự kiềm hãm của sắt và các quy trình sản xuất không hiệu quả.

Không nghi ngờ gì, sự đột phá lớn trong lịch sử thép đã xuất hiện vào năm 1856 khi Henry Bessemer phát triển một cách hiệu quả để sử dụng oxy để giảm hàm lượng carbon trong sắt: Ngành thép hiện đại đã ra đời.

Trong nhiệt độ rất cao, sắt bắt đầu hấp thụ cacbon, làm giảm điểm nóng chảy của kim loại, dẫn đến sắt (2. 5 đến 4. 5% carbon ). Sự phát triển của lò cao, lần đầu tiên được Trung Quốc sử dụng vào thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên, nhưng được sử dụng rộng rãi hơn ở châu Âu trong thời Trung Cổ, đã làm tăng sản xuất gang.

Gang lợn là sắt nóng chảy ra khỏi lò cao và làm mát trong một kênh chính và khuôn liền kề. Các phôi nhỏ, trung tâm và tiếp giáp nhỏ giống như con lợn nái và lợn con.

Gang đúc mạnh nhưng bị nứt do hàm lượng cacbon, làm cho nó ít hơn lý tưởng để làm việc và tạo hình. Khi các nhà luyện kim trở nên ý thức được rằng hàm lượng carbon cao trong sắt là vấn đề chính yếu của vấn đề kẽ hở, họ đã thử nghiệm các phương pháp mới để giảm hàm lượng carbon để làm cho sắt trở nên khả thi hơn.

Đến cuối thế kỷ 18, các nhà sản xuất sắt học cách biến gang lợn thành đồ sắt có hàm lượng cacbon thấp bằng lò nung bánh (do Henry Cort chế tạo năm 1784). Lò nóng làm nóng sắt nóng chảy, phải được khuấy bằng bánh ngọt 999 bằng dụng cụ có hình oar, cho phép oxy kết hợp với và từ từ loại bỏ cacbon.

Khi hàm lượng cacbon giảm, điểm nóng chảy của sắt thép tăng lên, do đó khối lượng của sắt sẽ tích tụ trong lò. Những quần chúng này sẽ được gỡ bỏ và làm việc với một cái búa pháo của bánh puddler trước khi được cuộn thành tấm trải hoặc đường ray. Đến năm 1860, có hơn 3.000 lò nướng bánh ở Anh, nhưng quá trình này vẫn bị cản trở bởi sức lao động và sự gia tăng nhiên liệu của nó.

Một trong những dạng thép, vỉ sắt sớm nhất được bắt đầu sản xuất ở Đức và Anh vào thế kỷ 17 và được sản xuất bằng cách tăng hàm lượng cacbon trong gang lợn lỏng bằng một quy trình được gọi là xi măng.Trong quá trình này, các thanh sắt bằng sắt được phủ lớp bột bằng than đá trong hộp đá và nung nóng.

Sau khoảng một tuần, sắt sẽ hấp thụ cacbon trong than. Làm nóng lặp đi lặp lại sẽ phân phối carbon đồng đều hơn và kết quả, sau khi làm mát, là thép phốt. Hàm lượng cacbon cao hơn làm cho phôi thép có thể sử dụng được nhiều hơn gang lợn, cho phép nó được ép hoặc cuộn. Sản xuất thép phế thải tiên tiến vào những năm 1740 khi nhà sản xuất đồng hồ Anh Benjamin Huntsman cố gắng phát triển một loại thép chất lượng cao cho lò xo đồng hồ của ông, phát hiện ra kim loại này có thể tan chảy trong các nồi nấu bằng đất sét và tinh chế với một lượng đặc biệt để loại bỏ xỉ quá trình xi măng để lại. Kết quả là đúc - hoặc thép đúc. Nhưng do chi phí sản xuất, cả vỉ và thép đúc chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt. Kết quả là sắt đúc trong các lò nung vữa vẫn là kim loại kết cấu chính trong công nghiệp hóa nước Anh trong hầu hết thế kỷ 19.

Quá trình đổi mới và sản xuất thép hiện đại

Sự phát triển của đường sắt trong thế kỷ 19 ở cả Châu Âu và Mỹ đã gây áp lực rất lớn cho ngành công nghiệp sắt, vẫn còn phải vật lộn với các quy trình sản xuất không hiệu quả.

Tuy nhiên, thép vẫn chưa được chứng minh là một kim loại kết cấu và sản xuất chậm và tốn kém. Đó là cho đến năm 1856 khi Henry Bessemer đưa ra một cách hiệu quả hơn để đưa oxy vào sắt nóng chảy để giảm lượng cacbon.

Bessemer được biết đến như là Quy trình Bessemer, Bessemer đã thiết kế một hộp đựng hình quả lê - được gọi là 'bộ chuyển đổi', trong đó sắt có thể được nung nóng trong khi oxy có thể thổi qua kim loại nóng chảy. Khi oxy đi qua kim loại nóng chảy, nó sẽ phản ứng với cacbon, giải phóng carbon dioxide và tạo ra một lượng sắt tinh khiết hơn.

Quy trình này nhanh và rẻ tiền, loại bỏ cacbon và silic khỏi sắt chỉ trong vài phút nhưng bị quá thành công. Quá nhiều cacbon đã được loại bỏ và quá nhiều oxy vẫn còn trong sản phẩm cuối cùng. Bessemer cuối cùng đã phải hoàn trả các nhà đầu tư của mình cho đến khi ông có thể tìm ra một phương pháp để tăng lượng carbon và loại bỏ oxy không mong muốn.

Khoảng thời gian đó, nhà máy luyện kim người Anh Robert Mushet đã mua lại và bắt đầu thử nghiệm một hợp chất sắt, cacbon và mangan - được biết với tên

speigeleisen

. Mangan được biết là loại bỏ oxy khỏi sắt nóng chảy và hàm lượng cacbon trong speigeleisen, nếu được bổ sung vào đúng lượng, sẽ cung cấp giải pháp cho các vấn đề của Bessemer. Bessemer bắt đầu thêm nó vào quá trình chuyển đổi của mình với thành công lớn.

Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề. Bessemer đã thất bại trong việc tìm ra một phương pháp để loại bỏ phốt pho - một tạp chất gây hại làm cho thép dễ vỡ - từ sản phẩm cuối cùng của ông. Do đó, chỉ có quặng phi phốt-pho từ Thụy Điển và xứ Wales có thể được sử dụng.

Năm 1876, Welshman Sidney Gilchrist Thomas đã đưa ra giải pháp bằng cách bổ sung thêm một đá vôi thông thường về mặt hóa học - cho quá trình Bessemer. Đá vôi rút phốt pho từ gang lợn vào xỉ, cho phép loại bỏ phần tử không mong muốn.

Sự đổi mới này có nghĩa là cuối cùng, quặng sắt từ bất cứ đâu trên thế giới cũng có thể được sử dụng để chế tạo thép. Không đáng ngạc nhiên, chi phí sản xuất thép bắt đầu giảm đáng kể. Giá thép đường sắt giảm hơn 80% giữa năm 1867 và năm 1884, do kết quả của các kỹ thuật sản xuất thép mới, bắt đầu sự phát triển của ngành công nghiệp thép thế giới.

Quá trình Hearth Mở Trong những năm 1860, kỹ sư người Đức Karl Wilhelm Siemens tiếp tục tăng cường sản xuất thép thông qua việc tạo ra quá trình lò mở. Quá trình gia công mở rộng sản xuất thép từ gang lợn trong các lò cạn lớn. Sử dụng nhiệt độ cao để đốt cháy lượng carbon dư thừa và các tạp chất khác, quá trình này dựa vào các buồng gạch nung nóng dưới lò sưởi. Các lò phản ứng sau đó sử dụng khí thải từ lò để duy trì nhiệt độ cao trong các buồng gạch dưới đây.

Phương pháp này cho phép sản xuất số lượng lớn hơn (50-100 tấn có thể được sản xuất trong một lò), kiểm tra định kỳ của thép nóng chảy để nó có thể được thực hiện để đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật cụ thể và sử dụng thép phế liệu như một nguyên liệu. Mặc dù bản thân quá trình chậm hơn nhiều, đến năm 1900, quá trình gia công phần mở rộng đã thay thế phần lớn quá trình Bessemer.

Sự ra đời của ngành công nghiệp thép

Cuộc cách mạng trong sản xuất thép cung cấp vật liệu chất lượng rẻ hơn và chất lượng cao đã được nhiều doanh nhân trong ngành đánh giá là một cơ hội đầu tư. Các nhà tư bản vào cuối thế kỷ 19, bao gồm cả Andrew Carnegie và Charles Schwab, đã đầu tư và kiếm được hàng triệu đô la (trong trường hợp Carnegie) trong ngành công nghiệp luyện kim. Tổng công ty Thép Mỹ của Carnegie, được thành lập vào năm 1901, là công ty đầu tiên ra đời với trị giá hơn một tỷ đô la.

Sản xuất thép lò Arc Furnace

Ngay sau khi chuyển sang thế kỷ, một sự phát triển khác đã xảy ra có thể có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của sản xuất thép. Lò hồ quang điện của Paul Heroult (EAF) được thiết kế để vượt qua một dòng điện thông qua vật liệu tích điện, kết quả là quá trình oxy hóa và nhiệt độ có nhiệt độ lên đến 3272

F (1800

C) đủ để sản xuất thép nhiệt.

Ban đầu được sử dụng cho thép đặc chủng, EAF đã được sử dụng rộng rãi và, trong Thế chiến II, đang được sử dụng cho sản xuất hợp kim thép. Chi phí đầu tư thấp liên quan đến việc thiết lập các nhà máy EAF cho phép họ cạnh tranh với các nhà sản xuất lớn của Mỹ như Steel Steel và Bethlehem Steel, đặc biệt là thép cacbon hoặc các sản phẩm dài.

Bởi vì EAF có thể sản xuất thép từ 100% phế liệu hoặc thức ăn nguội lạnh, cần ít năng lượng hơn cho mỗi đơn vị sản xuất. Trái ngược với các lò đun oxy cơ bản, các hoạt động cũng có thể được dừng lại và bắt đầu với chi phí liên quan ít. Vì những lý do này, sản lượng thông qua EAF đã tăng đều đặn trong hơn 50 năm và hiện chiếm khoảng 33% sản lượng thép toàn cầu.

Sản xuất thép oxy

Phần lớn sản lượng thép toàn cầu - khoảng 66% - hiện nay được sản xuất trong các cơ sở oxy cơ bản. Sự phát triển của một phương pháp để tách oxy từ nitơ trên quy mô công nghiệp vào những năm 1960 cho phép những tiến bộ lớn trong việc phát triển lò nung oxy cơ bản. Lò oxy cơ bản thổi oxy thành một lượng lớn sắt và thép phế liệu và có thể hoàn thành việc nạp nhanh hơn các phương pháp mở lò. Các tàu lớn chứa đến 350 tấn sắt có thể hoàn thành chuyển đổi sang thép trong vòng chưa đầy một giờ. Sự hiệu quả về chi phí của việc sản xuất thép oxy đã làm cho các nhà máy sản xuất hầm lò không có tính cạnh tranh và, sau sự ra đời của sản xuất thép oxy vào những năm 1960, các hoạt động mở cửa đã bắt đầu đóng cửa. Cơ sở mở cửa cuối cùng ở Mỹ đóng cửa vào năm 1992 và ở Trung Quốc vào năm 2001. Nguồn: Spoerl, Joseph S.

Lịch sử sản xuất sắt thép

. Cao đẳng Saint Anselm.

Hiệp hội Thép Thế giới. www. steeluniversity. org

Phố, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.

Kim loại trong Dịch vụ của Con người

. Phiên bản thứ 11 (1998).