Eine kurze Geschichte des Stahls

Wie hat sich die Stahlerzeugung aus ihren Wurzeln in der Eisenherstellung entwickelt? Werfen wir einen Blick auf die Geschichte des Stahls.

Die Ära des Eisens

Bei sehr hohen Temperaturen beginnt Eisen Kohlenstoff zu absorbieren, was den Schmelzpunkt des Metalls senkt, was zu Gusseisen führt (2,5-4,5% Kohlenstoff). 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

Geschmolzenes Eisen, das aus den Hochöfen herausgefahren und im Hauptkanal und angrenzenden Formen gekühlt wurde, wurde als Roheisen bezeichnet, da die großen, zentralen und angrenzenden kleineren Blöcke einem ähnelten. Sau und Spanferkel.

Gusseisen

Gusseisen ist stark, hat jedoch aufgrund seines Kohlenstoffgehalts Sprödigkeit und ist daher für das Bearbeiten und Formen weniger geeignet. 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.

Schmiedeeisen

Im späten 18. Jahrhundert 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 von langen Ruderwerkzeugen 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 Arbeits- und Treibstoffintensität behindert.

Blisterstahl

Eine der frühesten Formen von Stahl, Blisterstahl, begann im 17. Jahrhundert in Deutschland und England mit der Produktion und wurde durch die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in geschmolzenem Roheisen in einem Verfahren hergestellt. als Zementation bekannt. 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 den 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. Stahl war noch nicht als Strukturmetall bewährt 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 in wenigen Minuten Kohlenstoff und Silicium aus dem Eisen entfernt wurden, das jedoch zu erfolgreich war.

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 gleichen Zeit erwarb und begann der britische Metallurge Robert Mushet eine Verbindung aus Eisen, Kohlenstoff und Mangan - bekannt als Spiegeleisen . Mangan war dafür bekannt, Sauerstoff aus geschmolzenem Eisen zu entfernen, und der Kohlenstoffgehalt im Spiegeleiseneisen, 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.

Ein Problem blieb. Bessemer hatte keinen Weg gefunden, Phosphor - eine schädliche Verunreinigung, die Stahl spröde macht - aus seinem Endprodukt zu entfernen. Folglich könnten nur phosphorfreie Erze 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 offene Herdprozess:

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 gestoppt und mit geringen Kosten gestartet werden. Aus diesen Gründen nimmt die Produktion über EAFs seit über 50 Jahren stetig zu und macht mittlerweile etwa 33% der weltweiten Stahlproduktion aus.

Herstellung von Sauerstoffstahl:

Der größte Teil 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. Verfügbar: // www. Anselm. edu / homepage / dbanach / h-carnegie-stahl. htm Die Weltstahlgesellschaft. Webseite: www. Stahluniversität. org}

_{Straße, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.}

_{Metalle im Dienste des Menschen}

_{. 11. Ausgabe (1998).}