Ιστορία χάλυβα από την εποχή του σιδήρου έως τους ηλεκτρικούς φούρνους

Η ανάπτυξη του χάλυβα μπορεί να ανιχνευθεί 4000 χρόνια στην αρχή της Εποχής του Σιδήρου. Αποδεικνύοντας ότι είναι πιο δύσκολο και ισχυρότερο από το χαλκό, το οποίο ήταν προηγουμένως το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μέταλλο, ο σίδηρος άρχισε να μετατοπίζει το χάλκινο σε όπλα και εργαλεία.

Για τα επόμενα μερικά χιλιάδες χρόνια, ωστόσο, η ποιότητα του παραγόμενου σιδήρου θα εξαρτιόταν τόσο από το διαθέσιμο μεταλλεύμα όσο και από τις μεθόδους παραγωγής.

Μέχρι τον 17ο αιώνα, οι ιδιότητες του σιδήρου ήταν καλά κατανοητές, αλλά η αυξανόμενη αστικοποίηση στην Ευρώπη απαιτούσε ένα πιο ευέλικτο δομικό μέταλλο. Και από τον 19ο αιώνα, η ποσότητα του σιδήρου που καταναλώνεται με την επέκταση των σιδηροδρόμων παρείχε μεταλλουργούς με το οικονομικό κίνητρο να βρεθεί μια λύση για την ευθραυστότητα του σιδήρου και τις αναποτελεσματικές διαδικασίες παραγωγής.

Αναμφισβήτητα, όμως, η σημαντική ανακάλυψη στην ιστορία του χάλυβα ήρθε το 1856 όταν ο Henry Bessemer ανέπτυξε έναν αποτελεσματικό τρόπο να χρησιμοποιήσει οξυγόνο για να μειώσει την περιεκτικότητα σε άνθρακα στον άνθρακα: Η σύγχρονη χαλυβουργία γεννήθηκε.

Η Εποχή του Σιδήρου

Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, ο σίδηρος αρχίζει να απορροφά τον άνθρακα, ο οποίος μειώνει το σημείο τήξης του μετάλλου, με αποτέλεσμα το χυτοσίδηρο (2,5 έως 4,5% άνθρακα). Η ανάπτυξη των υψικαμίνων, που χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά από τους Κινέζους τον 6ο αιώνα π.Χ., αλλά που χρησιμοποιούνται ευρύτερα στην Ευρώπη κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα, αύξησε την παραγωγή χυτοσιδήρου.

Ο χυτοσίδηρος είναι ο τετηγμένος σίδηρος που εξέρχεται από τους υψικαμίνους και ψύχεται σε ένα κύριο κανάλι και τα παρακείμενα καλούπια. Τα μεγάλα, κεντρικά και παρακείμενα μικρότερα πλινθώματα έμοιαζαν με χοιρομητέρα και θηλάζοντα χοιρίδια.

Ο χυτοσίδηρος είναι ισχυρός αλλά υποφέρει από ευθραυστότητα λόγω της περιεκτικότητάς του σε άνθρακα, καθιστώντας το λιγότερο ιδανικό για εργασία και διαμόρφωση. Δεδομένου ότι οι μεταλλουργοί έλαβαν γνώση ότι η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα στον άνθρακα ήταν κεντρική στο πρόβλημα της ευθραυστότητας, πειραματίστηκαν με νέες μεθόδους για τη μείωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα, προκειμένου να καταστεί πιο σίδηρος αποτελεσματικός.

Μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα, οι σιδηρόδρομοι έμαθαν πώς να μετασχηματίζουν χυτοσίδηρο χυτοσιδήρου σε σφυρήλατο σίδηρο με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα χρησιμοποιώντας λακκούβες (που αναπτύχθηκε από τον Henry Cort το 1784). Οι φούρνοι θερμαίνονται λιωμένο σίδερο, το οποίο αναγκάστηκε να αναδευτεί λακκούβες χρησιμοποιώντας ένα μακρύ εργαλείο σχήματος κουρέματος, επιτρέποντας στο οξυγόνο να συνδυαστεί και να απομακρύνει αργά τον άνθρακα.

Καθώς μειώνεται η περιεκτικότητα σε άνθρακα, αυξάνεται το σημείο τήξης του σιδήρου, οπότε οι μάζες σιδήρου θα συσσωματώνονται στον κλίβανο. Αυτές οι μάζες θα απομακρυνθούν και θα επεξεργαστούν με ένα σφυρί σφυρηλάτησης από το λακκούβα πριν να κυληθούν σε φύλλα ή ράγες. Μέχρι το 1860, στη Βρετανία υπήρχαν πάνω από 3000 φούρνοι με λάσπη, αλλά η διαδικασία παρέμεινε παρεμπόδιση της εργασίας και της έντασης καυσίμου.

Μία από τις πρώτες μορφές χάλυβα, ο χάλυβας με κυψέλες, ξεκίνησε την παραγωγή στη Γερμανία και την Αγγλία τον 17ο αιώνα και παράχθηκε με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα σε τετηγμένο χυτοσίδηρο χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως τσιμεντοποίηση. Σε αυτή τη διαδικασία, οι ράβδοι από σφυρήλατο σίδερο στρωματοποιήθηκαν με κάρβουνο σε σκόνη σε πέτρινα κιβώτια και θερμάνθηκαν.

Μετά από περίπου μία εβδομάδα, ο σίδηρος απορροφά τον άνθρακα στον άνθρακα. Η επαναλαμβανόμενη θέρμανση θα κατανέμει τον άνθρακα πιο ομοιόμορφα και το αποτέλεσμα, μετά την ψύξη, θα ήταν ο χάλυβας με κυψέλες. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα κατέστησε τον χαλύβδινο κύλινδρο πολύ πιο λειτουργικό από τον χυτοσίδηρο, επιτρέποντάς του να πιεστεί ή να κυληθεί.

Η παραγωγή χαλυβδοσωλήνων προχώρησε στην δεκαετία του 1740 όταν ο αγγλικός ρολόι Benjamin Huntsman προσπαθώντας να αναπτύξει έναν υψηλής ποιότητας χάλυβα για τις ρολόγια του, διαπίστωσε ότι το μέταλλο θα μπορούσε να λιώσει σε πήλινα χωνευτήρια και να εξευγενιστεί με μια ειδική ροή για να απομακρύνει τη σκωρία που η διαδικασία τσιμεντοποίησης πίσω. Το αποτέλεσμα ήταν χωνευτήρι ή χυτοχάλυβας. Όμως, λόγω του κόστους παραγωγής, τόσο η κυψέλη όσο και ο χυτός χάλυβας χρησιμοποιήθηκαν ποτέ μόνο σε εφαρμογές ειδικότητας.

Ως αποτέλεσμα, ο χυτοσίδηρος που κατασκευάστηκε σε φούρνους με λάσπη παρέμεινε το κύριο δομικό μέταλλο στην εκβιομηχάνιση της Βρετανίας κατά το μεγαλύτερο μέρος του 19ου αιώνα.

Η διαδικασία Bessemer και η σύγχρονη χαλυβουργία

Η ανάπτυξη των σιδηροδρόμων κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αμερική άσκησε μεγάλη πίεση στη βιομηχανία σιδήρου, η οποία εξακολουθούσε να αγωνίζεται με ανεπαρκείς παραγωγικές διαδικασίες. Ωστόσο, ο χάλυβας δεν ήταν ακόμη αποδεδειγμένος ως δομικό μέταλλο και η παραγωγή ήταν αργή και δαπανηρή. Αυτό ήταν μέχρι το 1856 όταν ο Henry Bessemer κατέληξε σε έναν πιο αποτελεσματικό τρόπο εισαγωγής οξυγόνου στον τετηγμένο σίδηρο, προκειμένου να μειωθεί η περιεκτικότητα σε άνθρακα.

Τώρα γνωστή ως η διαδικασία Bessemer, ο Bessemer σχεδίασε ένα δοχείο σχήματος αχλαδιού - που αναφέρεται ως «μετατροπέας» - στο οποίο μπορεί να θερμαίνεται ο σίδηρος, ενώ το οξυγόνο θα μπορούσε να διοχετευθεί μέσω του τηγμένου μετάλλου. Καθώς το οξυγόνο διέρχεται από το τηγμένο μέταλλο, θα αντιδράσει με τον άνθρακα, απελευθερώνοντας διοξείδιο του άνθρακα και παράγοντας έναν πιο καθαρό σίδηρο.

Η διαδικασία ήταν γρήγορη και ανέξοδη, αφαιρώντας τον άνθρακα και το πυρίτιο από το σίδηρο σε λίγα λεπτά, αλλά υπέφερε από την υπερβολική επιτυχία. Έχει απομακρυνθεί πάρα πολύ άνθρακας και παρέμεινε πολύ οξυγόνο στο τελικό προϊόν. Ο Bessemer τελικά έπρεπε να εξοφλήσει τους επενδυτές του μέχρι να βρει μια μέθοδο για να αυξήσει την περιεκτικότητα σε άνθρακα και να αφαιρέσει το ανεπιθύμητο οξυγόνο.

Την ίδια περίπου εποχή, ο βρετανός μεταλλουργός Robert Mushet απέκτησε και άρχισε να δοκιμάζει μια ένωση σιδήρου, άνθρακα και μαγγανίου - γνωστή ως speigeleisen . Το μαγγάνιο ήταν γνωστό ότι απομάκρυνε οξυγόνο από τον τετηγμένο σίδηρο και η περιεκτικότητα του άνθρακα στο speigeleisen, αν προστεθεί στις σωστές ποσότητες, θα παρείχε τη λύση στα προβλήματα του Bessemer. Ο Bessemer άρχισε να το προσθέτει στη διαδικασία μετατροπής του με μεγάλη επιτυχία.

Ωστόσο, εξακολουθεί να υπάρχει ένα πρόβλημα. Ο Bessemer απέτυχε να βρει έναν τρόπο απομάκρυνσης του φωσφόρου - μια επιβλαβή πρόσμειξη που κάνει το χάλυβα εύθρυπτο - από το τελικό του προϊόν.Κατά συνέπεια, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο μετάλλευμα άνευ φωσφόρου από τη Σουηδία και την Ουαλία.

Το 1876 ο Welshman Sidney Gilchrist Thomas ήρθε με το διάλυμα προσθέτοντας μια χημικά βασική ροή-ασβεστόλιθο-στη διαδικασία Bessemer. Ο ασβεστόλιθος έβγαλε φωσφόρο από το χυτοσίδηρο στη σκωρία, επιτρέποντας την απομάκρυνση του ανεπιθύμητου στοιχείου.

Αυτή η καινοτομία σήμαινε ότι, τέλος, το σιδηρομετάλλευμα από οπουδήποτε στον κόσμο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κατασκευάσει χάλυβα. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το κόστος παραγωγής χάλυβα άρχισε να μειώνεται σημαντικά. Οι τιμές των χαλύβδινων σιδηροτροχιών υποχώρησαν περισσότερο από 80% μεταξύ του 1867 και του 1884, ως αποτέλεσμα των νέων τεχνικών παραγωγής χάλυβα, ξεκινώντας την ανάπτυξη της παγκόσμιας χαλυβουργίας.

Η διαδικασία ανοιχτής εστίας

Στη δεκαετία του 1860, ο Γερμανός μηχανικός Karl Wilhelm Siemens ενίσχυσε περαιτέρω την παραγωγή χάλυβα μέσω της δημιουργίας της διαδικασίας ανοιχτής εστίας. Η διαδικασία ανοιχτής εστίας παράγει χάλυβα από χυτοσίδηρο σε μεγάλους αβαθείς φούρνους.

Χρησιμοποιώντας υψηλές θερμοκρασίες για την καύση του πλεονάζοντος άνθρακα και άλλων ακαθαρσιών, η διαδικασία βασίστηκε σε θερμαινόμενους θαλάμους από τούβλα κάτω από την εστία. Οι αναγεννητικοί κλίβανοι αργότερα χρησιμοποιούσαν τα καυσαέρια από τον κλίβανο για να διατηρήσουν τις υψηλές θερμοκρασίες στους θαλάμους τούβλου κάτω.

Αυτή η μέθοδος επέτρεψε την παραγωγή πολύ μεγαλύτερων ποσοτήτων (50-100 μετρικοί τόνοι θα μπορούσαν να παραχθούν σε έναν κλίβανο), την περιοδική δοκιμή του τηγμένου χάλυβα ώστε να μπορεί να γίνει σύμφωνα με συγκεκριμένες προδιαγραφές και τη χρήση χαλύβδινων απορριμμάτων ως πρώτης ύλης . Αν και η ίδια η διαδικασία ήταν πολύ πιο αργή, μέχρι το 1900 η διαδικασία της ανοιχτής εστίας είχε αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τη διαδικασία του Bessemer.

Γέννηση της βιομηχανίας χάλυβα

Η επανάσταση στην παραγωγή χάλυβα που παρείχε φθηνότερο, υψηλής ποιότητας υλικό, αναγνωρίστηκε από πολλούς επιχειρηματίες της ημέρας ως επενδυτική ευκαιρία. Οι καπιταλιστές του τέλους του 19ου αιώνα, συμπεριλαμβανομένων των Andrew Carnegie και Charles Schwab, επένδυσαν και έκαναν εκατομμύρια (δισεκατομμύρια στην περίπτωση του Carnegie) στη χαλυβουργία. Η αμερικανική εταιρεία χάλυβα της Carnegie, που ιδρύθηκε το 1901, ήταν η πρώτη εταιρία που ξεκίνησε μέχρι σήμερα αξίας άνω του ενός δισεκατομμυρίου δολαρίων.

Κατασκευή χάλυβα με ηλεκτρικό τόξο

Αμέσως μετά την αλλαγή του αιώνα, σημειώθηκε μια άλλη εξέλιξη που θα είχε ισχυρή επιρροή στην εξέλιξη της παραγωγής χάλυβα. Ο φούρνος ηλεκτρικού τόξου του Paul Heroult (EAF) σχεδιάστηκε για να περάσει ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω φορτισμένου υλικού, με αποτέλεσμα εξωθερμική οξείδωση και θερμοκρασίες μέχρι 3272°F (1800°C), περισσότερο από αρκετή για να θερμάνει την παραγωγή χάλυβα.

Χρησιμοποιήθηκε αρχικά για ειδικούς χάλυβες, τα EAF αυξήθηκαν κατά τη χρήση και, από τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο, χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή κραμάτων χάλυβα. Το χαμηλό επενδυτικό κόστος που συνεπάγεται η δημιουργία εργοστασίων EAF τους επέτρεψε να ανταγωνίζονται με τους μεγαλύτερους παραγωγούς των ΗΠΑ, όπως η US Steel Corp και η Bethlehem Steel, ειδικά στους χάλυβες άνθρακα ή τα μακρά προϊόντα.

Επειδή τα ΕΑΑ μπορούν να παράγουν χάλυβα από 100% θραύσματα ή ψυχρή σιδήρου, απαιτείται λιγότερη ενέργεια ανά μονάδα παραγωγής. Σε αντίθεση με τις βασικές εστίες οξυγόνου, οι λειτουργίες μπορούν επίσης να σταματήσουν και να ξεκινήσουν με μικρό σχετικό κόστος. Για τους λόγους αυτούς, η παραγωγή μέσω των ΕΑF αυξάνεται σταθερά εδώ και πάνω από 50 χρόνια και αντιπροσωπεύει σήμερα το 33% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα.

Παραγωγή χάλυβα οξυγόνου

Η πλειονότητα της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα - περίπου 66% - παράγεται τώρα σε βασικές εγκαταστάσεις οξυγόνου. Η ανάπτυξη μιας μεθόδου για τον διαχωρισμό του οξυγόνου από το άζωτο σε βιομηχανική κλίμακα στη δεκαετία του 1960 επέτρεψε σημαντικές προόδους στην ανάπτυξη βασικών κλιβάνων οξυγόνου.

Οι βασικοί κλίβανοι οξυγόνου διοχετεύουν οξυγόνο σε μεγάλες ποσότητες τετηγμένου σιδήρου και θραύσματα χάλυβα και μπορούν να ολοκληρώσουν ένα φορτίο πολύ πιο γρήγορα από τις μεθόδους ανοιχτής εστίας. Τα μεγάλα σκάφη που περιέχουν μέχρι 350 τόνους σιδήρου μπορούν να ολοκληρώσουν τη μετατροπή τους σε χάλυβα σε λιγότερο από μία ώρα.

Η αποτελεσματικότητα του κόστους παραγωγής χάλυβα οξυγόνου έκανε τα εργοστάσια ανοιχτής εστίας μη ανταγωνιστικά και, μετά την εμφάνιση του χάλυβα οξυγόνου τη δεκαετία του 1960, άρχισαν να κλείνουν οι ανοιχτές εστίες. Η τελευταία εγκατάσταση ανοιχτής εστίας στις ΗΠΑ έκλεισε το 1992 και στην Κίνα το 2001.

_Πηγές:

_{Spoerl, Joseph S. Μια σύντομη ιστορία της παραγωγής σιδήρου και χάλυβα. Το κολλέγιο Saint Anselm.}

_{Η παγκόσμια ένωση χάλυβα. www.steeluniversity.org}

_{Οδός, Άρθουρ. & Alexander, W. Ο. 1944. Μέταλλα στην υπηρεσία του ανθρώπου . 11η έκδοση (1998).}