Stahl Geschichte Von Eisenzeit zu Lichtbogenöfen

Die Entwicklung des Stahls kann bis zum Beginn der Eisenzeit 4000 Jahre zurückverfolgt werden. Nachweislich härter und widerstandsfähiger als Bronze, das bis dahin das am weitesten verbreitete Metall gewesen war, begann Eisen Bronze in Waffen und Werkzeugen zu verdrängen.

Für die nächsten paar tausend Jahre würde die Qualität des produzierten Eisens jedoch ebenso stark von dem verfügbaren Erz wie von den Produktionsmethoden abhängen.

Im 17. Jahrhundert wurden die Eigenschaften von Eisen gut verstanden, aber die zunehmende Urbanisierung in Europa erforderte ein vielseitigeres Metall.

Und im 19. Jahrhundert gab die Menge an Eisen, die von expandierenden Eisenbahnen verbraucht wurde, den Metallurgen den finanziellen Anreiz, eine Lösung für die Sprödigkeit des Eisens und für ineffiziente Produktionsprozesse zu finden.

Der große Durchbruch in der Stahlgeschichte gelang jedoch zweifellos im Jahr 1856, als Henry Bessemer einen effektiven Weg entwickelte, um Sauerstoff zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts in Eisen zu verwenden: Die moderne Stahlindustrie war geboren.

Die Ära des Eisens

Bei sehr hohen Temperaturen beginnt Eisen Kohlenstoff zu absorbieren, was den Schmelzpunkt des Metalls senkt, was zu Gusseisen (2. 5 bis 4. 5% Kohlenstoff) führt. ). Die Entwicklung der Hochöfen, die zuerst im 6. Jahrhundert v. Chr. Von den Chinesen benutzt wurden, aber im Mittelalter in Europa verbreitet waren, steigerte die Produktion von Gusseisen.

Roheisen ist geschmolzenes Eisen, das aus den Hochöfen herausläuft und in einem Hauptkanal und angrenzenden Formen gekühlt wird. Die großen, zentralen und angrenzenden kleineren Blöcke glichen einer Sau und einem Saugferkel.

Gusseisen ist stark, aber aufgrund seines Kohlenstoffgehalts brüchig, was es für das Bearbeiten und Formen weniger geeignet macht. Als die Metallurgen wussten, dass der hohe Kohlenstoffgehalt in Eisen für das Problem der Sprödigkeit von zentraler Bedeutung war, experimentierten sie mit neuen Methoden zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts, um das Eisen besser verarbeitbar zu machen.

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts lernten die Eisenbauer, wie man gegossenes Roheisen mit Hilfe von Puddelöfen (entwickelt von Henry Cort im Jahre 1784) in ein kohlenstoffarmes Schmiedeeisen umwandelte. Die Öfen erhitzten geschmolzenes Eisen, das von Pfützen unter Verwendung eines langen, rutenförmigen Werkzeugs gerührt werden musste, so dass sich Sauerstoff mit Kohlenstoff verbinden und ihn langsam entfernen konnte.

Wenn der Kohlenstoffgehalt abnimmt, nimmt der Schmelzpunkt von Eisen zu, so dass Eisenmassen im Ofen agglomerieren. Diese Massen wurden entfernt und mit einem Schmiedehammer vom Puddler bearbeitet, bevor sie zu Blechen oder Schienen gerollt wurden. Um 1860 gab es in Großbritannien mehr als 3000 Pfützenöfen, aber der Prozess blieb durch seine Arbeit und seine Brennstoffintensität behindert.

Eine der frühesten Formen von Stahl, Blisterstahl, begann im 17. Jahrhundert in Deutschland und England mit der Produktion und wurde durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in geschmolzenem Roheisen unter Verwendung eines als Zementation bekannten Verfahrens hergestellt.In diesem Prozess wurden Stangen aus Schmiedeeisen mit Steinkohle in Steinkisten geschichtet und erhitzt.

Nach etwa einer Woche würde das Eisen den Kohlenstoff in der Kohle absorbieren. Wiederholtes Erhitzen würde Kohlenstoff gleichmäßiger verteilen und das Ergebnis nach dem Abkühlen wäre Blisterstahl. Der höhere Kohlenstoffgehalt macht Blisterstahl viel besser bearbeitbar als Roheisen, so dass er gepresst oder gewalzt werden kann.

Blasstahlproduktion schaffte in den 1740er Jahren, als der englische Uhrmacher Benjamin Huntsman versuchte, einen hochwertigen Stahl für seine Uhrfedern zu entwickeln, heraus, dass das Metall in Tiegel geschmolzen und mit einem speziellen Flussmittel zur Entfernung von Schlacke veredelt werden konnte. Zementationsprozess zurückgelassen. Das Ergebnis war Tiegel oder Gußstahl. Aufgrund der Produktionskosten wurden sowohl Blister als auch Stahlguss nur in Spezialanwendungen eingesetzt.

Infolgedessen blieb Gusseisen, das in Puddelöfen hergestellt wurde, während des größten Teils des 19. Jahrhunderts das wichtigste Strukturmetall in der Industrialisierung Großbritanniens.

Der Bessemer-Prozess und die moderne Stahlerzeugung

Das Wachstum der Eisenbahn im 19. Jahrhundert sowohl in Europa als auch in Amerika übte großen Druck auf die Eisenindustrie aus, die immer noch mit ineffizienten Produktionsprozessen kämpfte.

Dennoch war Stahl als Strukturmetall noch unerforscht und die Produktion war langsam und kostspielig. Das war bis 1856, als Henry Bessemer einen effektiveren Weg fand, Sauerstoff in geschmolzenes Eisen einzuführen, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren.

Bessemer, jetzt als Bessemer-Prozess bekannt, entwarf ein birnenförmiges Gefäß, das als "Konverter" bezeichnet wird, in dem Eisen erhitzt werden konnte, während Sauerstoff durch das geschmolzene Metall geblasen werden konnte. Wenn Sauerstoff durch das geschmolzene Metall strömt, würde er mit dem Kohlenstoff reagieren, wodurch Kohlendioxid freigesetzt wird und reineres Eisen entsteht.

Das Verfahren war schnell und kostengünstig, wobei Kohlenstoff und Silicium innerhalb weniger Minuten aus dem Eisen entfernt wurden, jedoch zu erfolgreich waren. Zu viel Kohlenstoff wurde entfernt und zu viel Sauerstoff blieb im Endprodukt zurück. Schließlich musste Bessemer seine Investoren zurückzahlen, bis er eine Methode fand, den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen und den unerwünschten Sauerstoff zu entfernen.

Ungefähr zur selben Zeit erwarb und begann der britische Metallurge Robert Mushet eine Verbindung aus Eisen, Kohlenstoff und Mangan - bekannt als Speigeleisen . Mangan war dafür bekannt, Sauerstoff aus geschmolzenem Eisen zu entfernen, und der Kohlenstoffgehalt im Speigeleisen, wenn es in den richtigen Mengen hinzugefügt wurde, würde die Lösung für Bessemers Probleme liefern. Bessemer begann, es mit großem Erfolg in seinen Konvertierungsprozess einzubauen.

Dennoch blieb ein Problem. Bessemer hatte keinen Weg gefunden, Phosphor - eine schädliche Verunreinigung, die Stahl spröde macht - aus seinem Endprodukt zu entfernen. Folglich könnte nur phosphorfreies Erz aus Schweden und Wales verwendet werden.

Im Jahre 1876 kam der Waliser Sidney Gilchrist Thomas mit der Lösung, indem er dem Bessemer-Prozess einen chemisch basischen Flusskalkstein hinzufügte. Der Kalkstein zog Phosphor aus dem Roheisen in die Schlacke, wodurch das unerwünschte Element entfernt werden konnte.

Diese Innovation bedeutete, dass schließlich Eisenerz von überall auf der Welt zur Herstellung von Stahl verwendet werden konnte. Es überrascht nicht, dass die Stahlproduktionskosten erheblich sanken. Die Preise für Stahlschienen fielen zwischen 1867 und 1884 um mehr als 80%, als Folge der neuen Stahlproduktionstechniken, die das Wachstum der Weltstahlindustrie auslösten.

Der Prozess des offenen Herzens

In den 1860er Jahren erweiterte der deutsche Ingenieur Karl Wilhelm Siemens die Stahlproduktion durch die Schaffung des offenen Herdprozesses. Das offene Herdverfahren erzeugte Stahl aus Roheisen in großen flachen Öfen.

Um hohe Temperaturen und überschüssigen Kohlenstoff und andere Verunreinigungen abzubrennen, war der Prozess auf beheizte Ziegelkammern unter dem Herd angewiesen. Regenerative Öfen verwendeten später Abgase aus dem Ofen, um hohe Temperaturen in den darunter liegenden Ziegelkammern aufrechtzuerhalten.

Dieses Verfahren ermöglichte die Herstellung von viel größeren Mengen (50-100 Tonnen konnten in einem Ofen hergestellt werden), periodische Tests des geschmolzenen Stahls, so dass es bestimmte Spezifikationen erfüllen konnte, und die Verwendung von Stahlschrott als ein Rohstoff. Obwohl der Prozess selbst viel langsamer war, hatte der offene Herd im Jahr 1900 den Bessemer-Prozess weitgehend ersetzt.

Geburt der Stahlindustrie

Die Revolution in der Stahlproduktion, die billigeres, hochwertigeres Material lieferte, wurde von vielen Geschäftsleuten als Investitionschance erkannt. Kapitalisten des späten 19. Jahrhunderts, darunter Andrew Carnegie und Charles Schwab, investierten und machten Millionen (Milliarden im Falle von Carnegie) in der Stahlindustrie. Die 1901 gegründete Carnegie's US Steel Corporation war das erste Unternehmen, das jemals im Wert von über einer Milliarde Dollar gelauncht wurde.

Stahlerzeugung des Lichtbogenofens

Kurz nach der Jahrhundertwende kam es zu einer weiteren Entwicklung, die einen starken Einfluss auf die Entwicklung der Stahlproduktion hatte. Paul Heroults Elektrolichtbogenofen (EAF) wurde entwickelt, um elektrischen Strom durch geladenes Material zu leiten, was zu exothermer Oxidation und Temperaturen bis zu 3272 ° F (1800 ° C) führt. ausreichend, um die Stahlproduktion zu erhitzen. Ursprünglich für Spezialstähle verwendet, wuchsen EAFs im Gebrauch und wurden im Zweiten Weltkrieg für die Herstellung von Stahllegierungen verwendet. Die niedrigen Investitionskosten bei der Errichtung von EAF-Mühlen ermöglichten es ihnen, mit den großen US-amerikanischen Herstellern wie US Steel Corp. und Bethlehem Steel zu konkurrieren, insbesondere bei Kohlenstoffstählen oder Langprodukten. Da EAFs Stahl aus 100% Schrott oder kaltem Eisen herstellen können, ist weniger Energie pro Produktionseinheit erforderlich. Im Gegensatz zu einfachen Sauerstoffherden können Operationen auch mit geringen Kosten gestoppt und gestartet werden. Aus diesen Gründen nimmt die Produktion über EAFs seit über 50 Jahren stetig zu und macht heute etwa 33% der weltweiten Stahlproduktion aus.

Sauerstofferzeugung

Der Großteil der weltweiten Stahlproduktion - etwa 66% - wird heute in einfachen Sauerstoffanlagen hergestellt. Die Entwicklung eines Verfahrens zur Abtrennung von Sauerstoff aus Stickstoff in industriellem Maßstab in den 1960er Jahren ermöglichte große Fortschritte bei der Entwicklung von Sauerstoff-Grundöfen.

Basissauerstofföfen blasen Sauerstoff in große Mengen von geschmolzenem Eisen und Stahlschrott und können eine Ladung viel schneller abschließen als offene Herdmethoden. Große Schiffe mit einem Fassungsvermögen von bis zu 350 Tonnen können die Umrüstung auf Stahl in weniger als einer Stunde abschließen.

Die Kosteneffizienz der Sauerstoffstahlherstellung machte die Herdfeuerwerke wettbewerbsunfähig, und nach der Einführung der Sauerstoffstahlerzeugung in den 1960er Jahren begannen die Offenfeueroperationen zu schließen. Die letzte Feuerstätte in den USA wurde 1992 und 2001 in China geschlossen.

Quellen:

Spoerl, Joseph S.

_{Eine kurze Geschichte der Eisen- und Stahlproduktion}

_{. Saint Anselm College. Die World Steel Association. www. Stahluniversität. org Straße, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.}

_{Metalle im Dienste des Menschen}

_{. 11. Ausgabe (1998).}