Μια σύντομη ιστορία του χάλυβα

Οι υψικάμινοι αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά από τους Κινέζους τον 6ο αι. Π.Χ., αλλά χρησιμοποιήθηκαν ευρύτερα στην Ευρώπη κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα και αύξησαν την παραγωγή χυτοσιδήρου. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, ο σίδηρος αρχίζει να απορροφά τον άνθρακα, γεγονός που μειώνει το σημείο τήξης του μετάλλου, με αποτέλεσμα το χυτοσίδηρο (2,5% έως 4,5% άνθρακα).

Ο χυτοσίδηρος είναι ισχυρός, αλλά πάσχει από ευθραυστότητα λόγω της περιεκτικότητάς του σε άνθρακα, καθιστώντας τον λιγότερο από τον 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.

Η σύγχρονη χαλυβουργία εξελίχθηκε από τις πρώτες μέρες της παραγωγής σιδήρου και τις επακόλουθες εξελίξεις στην τεχνολογία.

Κατεργασμένος σίδηρος

Μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα, οι σιδηρόδρομοι έμαθαν πώς να μετασχηματίζουν χυτοσίδηρο χυτοσιδήρου σε σφυρήλατο σίδηρο χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα χρησιμοποιώντας κάμινους που αναπτύχθηκαν από τον Henry Cort το 1784. Ο χυτοσίδηρος είναι ο λιωμένος σίδηρος που εξέρχεται από υψικαμίνους και ψύχεται κυρίως κανάλι και γειτονικά καλούπια. Πήρε το όνομά του επειδή τα μεγάλα, κεντρικά και παρακείμενα μικρότερα πλινθώματα έμοιαζαν με χοιρομητέρα και θηλάζοντα χοιρίδια.

Για να φτιάξουν σφυρήλατο σίδερο, οι κλίβανοι θερμαίνονται λιωμένο σίδερο ο οποίος έπρεπε να αναδεύεται από λακκούβες χρησιμοποιώντας μακριές εργαλειομηχανές, που επιτρέπουν στο οξυγόνο να συνδυάζεται 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 περισσότεροι από 3.000 κάμινοι, αλλά η διαδικασία παρέμεινε παρεμπόδιση της εργασίας και της έντασης καυσίμου.

Κυψέλη χάλυβα

Ο κυψελωτός χάλυβας - ένας από τους πρώτους τύπους χάλυβα - άρχισε 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 κατανείμει τον άνθρακα πιο ομοιόμορφα και το αποτέλεσμα, μετά την ψύξη, 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 διαπίστωσε ότι το μέταλλο θα μπορούσε να λειώσει σε πήλινα χωνευτήρια και να εξευγενιστεί με μια ειδική ροή για την απομάκρυνση της σκωρίας που η διαδικασία τσιμεντοποίησης έμεινε πίσω. Ο Huntsman προσπαθούσε να αναπτύξει έναν υψηλής ποιότητας χάλυβα για τις ρολογιού του. Το αποτέλεσμα ήταν χωνευτήρι ή χυτοχάλυβας. Λόγω του κόστους παραγωγής, ωστόσο, 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. 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 σε λιωμένο σίδηρο για να μειώσει την περιεκτικότητα σε άνθρακα.

Τώρα γνωστή ως η διαδικασία Bessemer, η Bessemer σχεδίασε ένα δοχείο σχήματος αχλαδιού-αναφερόμενο ως μετατροπέα-στο οποίο ο σίδηρος μπορούσε να θερμανθεί ενώ το οξυγόνο 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 από σίδηρο, άνθρακα και μαγγάνιο - γνωστή ως spiegeleisen. Το μαγγάνιο ήταν γνωστό ότι απομάκρυνε οξυγόνο από λιωμένο σίδηρο και ότι η περιεκτικότητα του άνθρακα στο spiegeleisen, 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.

Ένα πρόβλημα παρέμεινε. 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 μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μόνο μεταλλεύματα άνευ φωσφόρου από τη Σουηδία και την Ουαλία.

Το 1876 ο Welshman Sidney Gilchrist Thomas ήρθε με ένα 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 το σιδηρομετάλλευμα από οπουδήποτε στον κόσμο θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χάλυβα. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το κόστος παραγωγής χάλυβα άρχισε να μειώνεται σημαντικά. Οι τιμές των χαλύβδινων σιδηροδρόμων μειώθηκαν περισσότερο από 80 τοις εκατό μεταξύ 1867 και 1884, 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.Αυτό παρήγαγε 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 χρησιμοποίησαν αργότερα τα καυσαέρια από τον κλίβανο για να διατηρήσουν υψηλές θερμοκρασίες στους θαλάμους τούβλου κάτω.

Αυτή η μέθοδος επέτρεψε την παραγωγή πολύ μεγαλύτερων ποσοτήτων (50-100 μετρικούς τόνους σε έναν κλίβανο), την περιοδική δοκιμή του λιωμένου 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 εταιρεία που αποτιμήθηκε σε περισσότερα από 1 δισ. Δολάρια.

Κατασκευή χάλυβα με ηλεκτρικό τόξο

Αμέσως μετά τη στροφή του αιώνα, ο φούρνος ηλεκτρικού τόξου του Paul Heroult (EAF) σχεδιάστηκε για να περάσει ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω φορτισμένου υλικού, με αποτέλεσμα την εξώθερμη οξείδωση και τις θερμοκρασίες μέχρι 3.272 βαθμούς Φαρενάιτ (1.800 βαθμούς Κελσίου) παραγωγή.

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

Επειδή τα ΕΑΕ μπορούν να παράγουν χάλυβα από 100 τοις εκατό 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 ΕΑΕ αυξάνεται σταθερά για περισσότερο από 50 χρόνια και αντιπροσωπεύει περίπου το 33% της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα από το 2017.

Παραγωγή χάλυβα οξυγόνου

Η πλειοψηφία της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα - περίπου 66% - παράγεται 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, η τελευταία που έκλεισε το 2001.

_Πηγές:

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

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

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

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