Leer de geschiedenis van de ijzertijd tot elektrische boogovens
Voor de volgende paar duizend jaar zal de kwaliteit van het geproduceerde ijzer evenveel afhangen van het erts dat beschikbaar is als van de productiemethoden.
Tegen de 17e eeuw waren de eigenschappen van ijzer goed begrepen, maar toenemende verstedelijking in Europa vereiste een veelzijdiger constructiemetaal.
En tegen de 19e eeuw zorgde de hoeveelheid ijzer die werd verbruikt door de uitbreiding van spoorwegen ervoor dat metaalbewerkers de financiële prikkel kregen om een oplossing te vinden voor de broosheid en inefficiënte productieprocessen van ijzer.
De grote doorbraak in de geschiedenis van staal kwam ongetwijfeld in 1856 toen Henry Bessemer een effectieve manier ontwikkelde om zuurstof te gebruiken om het koolstofgehalte in ijzer te verminderen: de moderne staalindustrie was geboren.
Het tijdperk van ijzer
Bij zeer hoge temperaturen begint ijzer koolstof te absorberen, wat het smeltpunt van het metaal verlaagt, resulterend in gietijzer (2,5 tot 4,5% koolstof). De ontwikkeling van hoogovens, die in de 6e eeuw voor Christus voor het eerst door de Chinezen werden gebruikt maar die in de Middeleeuwen op grotere schaal in Europa werden gebruikt, verhoogde de productie van gietijzer.
Varkensijzer is gesmolten ijzer dat uit de hoogovens stroomt en wordt gekoeld in een hoofdkanaal en aangrenzende vormen. De grote, centrale en aangrenzende kleinere blokken leken op een zeug en zuigende biggen.
Gietijzer is sterk maar heeft te lijden van broosheid vanwege het koolstofgehalte, waardoor het minder dan ideaal is om te werken en vorm te geven. Toen de metallurgen ontdekten dat het hoge koolstofgehalte in ijzer centraal stond in het probleem van de brosheid, experimenteerden ze met nieuwe methoden om het koolstofgehalte te verminderen om ijzer meer werkbaar te maken.
Aan het einde van de 18e eeuw leerden ijzersetters gegoten ijzer om te smeden tot een smeedijzer met een laag koolstofgehalte en gebruik te maken van puddling-ovens (ontwikkeld door Henry Cort in 1784). De ovens verhit gesmolten ijzer, dat geroerd moest worden door puddlers met behulp van lange, roeivormige gereedschappen, waardoor zuurstof kon worden gecombineerd met en langzaam koolstof kon verwijderen.
Naarmate het koolstofgehalte afneemt, neemt het smeltpunt van ijzer toe, dus er zouden zich massa's ijzer agglomereren in de oven. Deze massa's zouden worden verwijderd en met een smidshamer door de puddler worden bewerkt voordat deze in vellen of rails worden gerold. Tegen 1860 waren er meer dan 3000 puddling-ovens in Groot-Brittannië, maar het proces bleef gehinderd door zijn arbeid en brandstofintensiteit.
Een van de vroegste vormen van staal, blisterstaal, begon in de 17e eeuw met de productie in Duitsland en Engeland en werd geproduceerd door het koolstofgehalte in gesmolten ruwijzer te verhogen met behulp van een proces dat bekend staat als cementeren. In dit proces werden staven smeedijzer gelaagd met poederkool in stenen dozen en verwarmd.
Na ongeveer een week absorbeert het ijzer de koolstof in de houtskool. Herhaald verwarmen zou koolstof gelijkmatiger verdelen en het resultaat was na afkoeling blisterstaal. Het hogere koolstofgehalte maakte blisterstaal veel beter verwerkbaar dan ruwijzer, waardoor het kan worden geperst of gerold.
De productie van blistermateriaal ging vooruit in de jaren 1740 toen de Engelse klokkenmaker Benjamin Huntsman tijdens het proberen een hoogwaardig staal voor zijn klokveren te ontwikkelen, ontdekte dat het metaal in kleikorrels gesmolten en met een speciale flux verfijnd kon worden om slakken te verwijderen die het cementatieproces verliet achter. Het resultaat was smeltkroes- of gietstaal. Maar vanwege de productiekosten werden zowel blister als gegoten staal alleen in speciale toepassingen gebruikt.
Als gevolg daarvan bleef gietijzer gemaakt in puddling ovens het belangrijkste structurele metaal in industrialisatie van Groot-Brittannië gedurende het grootste deel van de 19e eeuw.
Het Bessemer-proces en moderne staalproductie
De groei van spoorwegen in de 19e eeuw in zowel Europa als Amerika zette de ijzerindustrie onder druk, die nog steeds worstelde met inefficiënte productieprocessen.
Toch was staal nog onbewezen als een structureel metaal en de productie was traag en duur. Dat was tot 1856 toen Henry Bessemer kwam met een meer effectieve manier om zuurstof in gesmolten ijzer te introduceren om het koolstofgehalte te verminderen.
Bessemer, nu bekend als het Bessemer-proces, ontwierp een peervormige recipiënt - ook wel 'convertor' genoemd - waarin ijzer kon worden verwarmd terwijl zuurstof door het gesmolten metaal kon worden geblazen. Terwijl zuurstof door het gesmolten metaal stroomde, zou het met de koolstof reageren, koolstofdioxide vrijgeven en een zuiverer ijzer produceren.
Het proces was snel en goedkoop, het verwijderen van koolstof en silicium uit ijzer in een kwestie van minuten maar leed te veel succes. Er werd teveel koolstof verwijderd en er bleef te veel zuurstof in het eindproduct. Uiteindelijk moest Bessemer zijn investeerders terugbetalen totdat hij een methode kon vinden om het koolstofgehalte te verhogen en de ongewenste zuurstof te verwijderen.
Rond dezelfde tijd kocht de Britse metaalallergieontwerper Robert Mushet een verbinding van ijzer, koolstof en mangaan, bekend als speigeleisen . Van mangaan was bekend dat het zuurstof uit gesmolten ijzer verwijderde en het koolstofgehalte in de speigeleisen, indien toegevoegd in de juiste hoeveelheden, zou de oplossing zijn voor de problemen van Bessemer. Bessemer begon het met groot succes aan zijn conversieproces toe te voegen.
Toch bleef er nog een probleem. Bessemer had geen manier gevonden om fosfor te verwijderen - een schadelijke onzuiverheid die staal broos maakt - van zijn eindproduct. Derhalve kon alleen fosforvrij erts uit Zweden en Wales worden gebruikt.
In 1876 bedacht Welshman Sidney Gilchrist Thomas de oplossing door een chemisch basale flux-kalksteen toe te voegen aan het Bessemer-proces. De kalksteen trok fosfor van het ruwijzer in de slak, waardoor het ongewenste element kon worden verwijderd.
Deze innovatie betekende dat, eindelijk, ijzererts van overal ter wereld kon worden gebruikt om staal te maken. Het is niet verrassend dat de staalproductiekosten aanzienlijk begonnen af te nemen. De prijzen voor stalen rails daalden met meer dan 80% tussen 1867 en 1884, als gevolg van de nieuwe staalproducerende technieken, waarmee de groei van de wereldwijde staalindustrie werd geïnitieerd.
Het open haardproces
In de jaren 1860 versterkte de Duitse ingenieur Karl Wilhelm Siemens de staalproductie verder door zijn creatie van het open haardproces. Het open haardproces produceerde staal uit ruwijzer in grote ondiepe ovens.
Met behulp van hoge temperaturen om overtollige koolstof en andere onzuiverheden te verbranden, vertrouwde het proces op verwarmde bakstenen kamers onder de haard. Regeneratieve ovens gebruikten later uitlaatgassen uit de oven om hoge temperaturen in de onderliggende bakstenen kamers te handhaven.
Deze methode maakte de productie van veel grotere hoeveelheden mogelijk (50-100 ton kon in één oven worden geproduceerd), periodieke testen van het gesmolten staal zodat het kon worden gemaakt om te voldoen aan bepaalde specificaties en het gebruik van schrootstaal als grondstof . Hoewel het proces zelf veel trager was, had het open haardproces rond 1900 grotendeels het Bessemer-proces vervangen.
Geboorte van de staalindustrie
De revolutie in de staalproductie die goedkoper materiaal van hogere kwaliteit opleverde, werd door veel zakenmensen van de dag erkend als een investeringsmogelijkheid. Kapitalisten van de late 19e eeuw, waaronder Andrew Carnegie en Charles Schwab, investeerden en verdienden miljoenen (miljarden in het geval van Carnegie) in de staalindustrie. Carnegie's US Steel Corporation, opgericht in 1901, was de eerste onderneming ooit gelanceerd met een waarde van meer dan een miljard dollar.
Electric Arc Furnace Staalproductie
Vlak na de eeuwwisseling trad er een andere ontwikkeling op die een sterke invloed zou hebben op de evolutie van de staalproductie. De elektrische vlamboogoven van Paul Heroult (EAF) is ontworpen om een elektrische stroom door geladen materiaal te leiden, wat resulteert in exotherme oxidatie en temperaturen tot 3272 ° F (1800 ° C), meer dan voldoende om de staalproductie te verwarmen.
Aanvankelijk werd het gebruikt voor speciale staalsoorten. EAF's groeiden in gebruik en werden, door de Tweede Wereldoorlog, gebruikt voor de productie van staallegeringen. Door de lage investeringskosten bij het opzetten van EAF-molens konden ze concurreren met de grote Amerikaanse producenten zoals US Steel Corp. en Bethlehem Steel, vooral in koolstofstaal of lange producten.
Omdat EAF's staal kunnen produceren uit 100% schroot- of koud ijzerhoudend voer, is minder energie per productie-eenheid nodig. In tegenstelling tot standaard zuurstofhaarden kunnen bewerkingen ook worden gestopt en gestart met weinig bijbehorende kosten. Om deze redenen is de productie via EAF gestaag toegenomen sinds meer dan 50 jaar en is nu goed voor ongeveer 33% van de wereldwijde staalproductie.
Oxygen Steelmaking
Het grootste deel van de wereldwijde staalproductie - ongeveer 66% - wordt nu geproduceerd in basiszuurstofinstallaties. De ontwikkeling van een methode om zuurstof en stikstof op industriële schaal te scheiden in de jaren zestig zorgde voor belangrijke vooruitgang in de ontwikkeling van basiszuurstofovens.
Fundamentele zuurstofovens blazen zuurstof in grote hoeveelheden gesmolten ijzer en schroot en kunnen veel sneller een lading vullen dan open haardmethodes. Grote schepen met maximaal 350 ton ijzer kunnen de conversie naar staal in minder dan een uur voltooien.
De kostenefficiëntie van zuurstofstaalproductie maakte open-haardfabrieken niet concurrerend en, na de komst van zuurstofstaalproductie in de jaren zestig, begonnen open-haardoperaties te sluiten. De laatste open haard in de VS werd gesloten in 1992 en in China in 2001.
bronnen:
Spoerl, Joseph S. Een korte geschiedenis van de productie van ijzer en staal. Saint Anselm College.
De World Steel Association. www.steeluniversity.org
Straat, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metalen in de dienst van de mens . 11e editie (1998).