ประวัติโดยย่อของเหล็ก

ตั้งแต่ยุคเหล็กสู่กระบวนการ Bessemer และการผลิตเหล็กที่ทันสมัย

การ ผลิตเหล็ก มีวิวัฒนาการมาจากรากในการผลิตเหล็กอย่างไร? ลองมาดูประวัติความเป็นมาของ เหล็ก

ยุคของเหล็ก

อุณหภูมิที่สูงมากเหล็กเริ่มดูดซับคาร์บอนซึ่งจะช่วยลดจุดหลอมเหลวของโลหะทำให้ เหล็กหล่อ (2.5 ถึง 4.5% คาร์บอน) การพัฒนาเตาเผาขนาดใหญ่ใช้ครั้งแรกโดยชาวจีนในศตวรรษที่ 6 แต่ใช้กันอย่างแพร่หลายในยุโรปในยุคกลางเพิ่มการผลิตเหล็กหล่อ

หมูเหล็ก

เหล็กหลอมที่หลุดออกมาจากเตาหลอมและระบายความร้อนในช่องทางหลักและแม่พิมพ์ที่ติดกันเรียกว่าเหล็กกล้าเนื่องจากเหล็กขนาดใหญ่กลางและติดกันเล็ก ๆ คล้ายกับลูกสุกรและสุกรที่เลี้ยงลูกสุกร

เหล็กหล่อ

เหล็กหล่อมีความแข็งแรง แต่ทนต่อความเปราะบางเนื่องจากมีคาร์บอนต่ำทำให้เหมาะกับการทำงานและการขึ้นรูป ในฐานะที่เป็น metallurgists ตระหนักว่าเนื้อหาคาร์บอนสูงในเหล็กเป็นศูนย์กลางของปัญหาของความเปราะบางพวกเขาทดลองด้วยวิธีการใหม่ในการลดปริมาณคาร์บอนเพื่อที่จะทำให้เหล็กสามารถทำงานได้มากขึ้น

เหล็กดัด

ในช่วงปลายทศวรรษศตวรรษที่ 18 ผู้ผลิตเหล็กได้เรียนรู้วิธีเปลี่ยนเหล็กหล่อเป็นเหล็กดัดที่มีคาร์บอนต่ำโดยใช้เตาหลอมโลหะ (พัฒนาโดย Henry Cort ในปีพ. ศ. 2327) เตาหลอมเหล็กหลอมละลายซึ่งจะต้องถูกกวนโดยใช้เครื่องมือรูปทรงพายยาวซึ่งจะทำให้ออกซิเจนรวมตัวกับคาร์บอนช้าๆ

เมื่อปริมาณคาร์บอนลดลงจุดหลอมเหลวของเหล็กจะเพิ่มขึ้นดังนั้นมวลเหล็กจะรวมกันอยู่ในเตา ฝูงเหล่านี้จะถูกเอาออกและทำงานร่วมกับค้อนปลอมโดยบ่อเลื่อนก่อนที่จะถูกรีดเป็นแผ่นหรือราง เมื่อถึงปีพ. ศ. 24060 มีเตาเผาอัญมณีกว่า 3,000 แห่งในสหราชอาณาจักร แต่กระบวนการดังกล่าวยังคงเป็นอุปสรรคต่อการใช้กำลังแรงงานและความเข้มข้นของเชื้อเพลิง

เหล็กกล้าไร้สนิม

หนึ่งในรูปแบบของ เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กเริ่มผลิตในเยอรมนีและอังกฤษในศตวรรษที่ 17 และผลิตโดยการเพิ่มปริมาณคาร์บอนในเหล็กหล่อหลอมเหลวโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าการประสาน ในขั้นตอนนี้เหล็กดัดถูกหุ้มด้วยผงถ่านในกล่องหินและอุ่น

หลังจากนั้นประมาณหนึ่งสัปดาห์เหล็กจะดูดซับคาร์บอนในถ่าน ความร้อนที่ทำซ้ำจะกระจายคาร์บอนอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นและผลที่ได้หลังจากเย็นเป็นเหล็กตุ่ม ปริมาณคาร์บอนสูงทำให้เหล็กพองสามารถทำงานได้ดีกว่าเหล็กกล้าเพื่อให้สามารถกดหรือรีดได้

การผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมก้าวหน้าในทศวรรษที่ 1740 เมื่อช่างทำนาฬิกาชาวอังกฤษ Benjamin Huntsman ขณะที่พยายามพัฒนาเหล็กคุณภาพสูงสำหรับสปริงนาฬิกาของเขาพบว่าโลหะสามารถละลายได้ในดินเหนียวและมีการกลั่นด้วยฟลักซ์พิเศษเพื่อขจัดตะกรันที่กระบวนการปูนซีเมนต์เหลือ หลัง ผลที่ได้คือเบ้าหลอมหรือเหล็กหล่อ แต่เนื่องจากต้นทุนการผลิตทั้งแบบพองและเหล็กหล่อจึงถูกนำมาใช้เฉพาะในการใช้งานแบบพิเศษเท่านั้น

เป็นผลให้เหล็กหล่อที่ทำในเตาหลอมโลหะแอ็ปบอดี้ยังคงเป็นโลหะโครงสร้างหลักในอุตสาหกรรมในสหราชอาณาจักรในช่วงศตวรรษที่ 19 มากที่สุด

กระบวนการ Bessemer และการผลิตเหล็กที่ทันสมัย

การเติบโตของทางรถไฟในช่วงศตวรรษที่ 19 ทั้งในยุโรปและอเมริกาสร้างแรงกดดันมหาศาลต่ออุตสาหกรรมเหล็กซึ่งยังคงต่อสู้กับกระบวนการผลิตที่ไม่มีประสิทธิภาพ เหล็กกล้ายังไม่ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นโลหะโครงสร้างและการผลิตก็ช้าและค่าใช้จ่ายสูง นั่นคือจนกระทั่งเมื่อปี ค.ศ. 1856 Henry Bessemer ได้ใช้วิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการนำเอาออกซิเจนไปเป็นเหล็กหลอมเพื่อลดปริมาณคาร์บอน

บัดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อกระบวนการ Bessemer Bessemer ได้ออกแบบตัวรับรูปลูกแพร์ซึ่งเรียกว่า 'ตัวแปลง' ซึ่งเหล็กจะถูกให้ความร้อนขณะที่ออกซิเจนอาจถูกเป่าผ่านโลหะหลอมเหลว เมื่อออกซิเจนผ่านโลหะหลอมเหลวจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และผลิตเหล็กบริสุทธิ์มากขึ้น

กระบวนการนี้ทำได้เร็วและราคาไม่แพงทำให้คาร์บอนและซิลิกอนหลุดจากเหล็กภายในไม่กี่นาที แต่ประสบความสำเร็จเป็นอย่างมาก

คาร์บอนมากเกินไปถูกเอาออกและออกซิเจนมากเกินไปยังคงอยู่ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย Bessemer ต้องจ่ายเงินคืนให้กับนักลงทุนจนกว่าจะสามารถหาวิธีเพิ่มปริมาณคาร์บอนและเอาออกซิเจนที่ไม่ต้องการได้

ในเวลาเดียวกันนักโลหิตชาวอังกฤษ Robert Mushet ได้มาและเริ่มทดสอบส่วนผสมของธาตุเหล็กคาร์บอนและ แมงกานีสที่เรียก ว่า spiegeleisen แมงกานีสเป็นที่รู้จักในการกำจัดออกซิเจนจากเหล็กที่หลอมละลายและปริมาณคาร์บอนใน spiegeleisen ถ้าเติมเข้าไปในปริมาณที่เหมาะสมจะช่วยแก้ปัญหาของ Bessemer ได้ Bessemer เริ่มเพิ่มกระบวนการแปลงของเขาด้วยความสำเร็จอย่างมาก

ยังคงมีปัญหาอยู่ Bessemer ล้มเหลวในการหาวิธีที่จะกำจัดฟอสฟอรัส - สิ่งสกปรกที่เป็นอันตรายซึ่งทำให้เหล็กเปราะ - จากผลิตภัณฑ์สุดท้ายของเขา ดังนั้นจึงสามารถใช้แร่ฟอสฟอรัสฟรีจากสวีเดนและเวลส์เท่านั้น

ในปี ค.ศ. 1876 ชาวเวลส์ซิดนีย์กิลชิพโทมัสได้มีแนวทางในการแก้ปัญหาโดยเพิ่มขั้นตอนทางเคมีพื้นฐาน - หินปูน - เข้ากับกระบวนการ Bessemer หินปูนดึงฟอสฟอรัสออกจากเหล็กหมูเป็นตะกรันทำให้สามารถถอดชิ้นส่วนที่ไม่พึงประสงค์ออกได้

นวัตกรรมนี้หมายความว่าในที่สุดแร่เหล็กจากทั่วโลกสามารถนำมาใช้ในการผลิตเหล็กได้ ต้นทุนการผลิตเหล็กลดลงอย่างมาก ราคาของรางเหล็กลดลงมากกว่า 80% ระหว่างปีพ. ศ. 2410 และ 2427 อันเป็นผลมาจากเทคนิคใหม่ในการผลิตเหล็กซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการเติบโตของอุตสาหกรรมเหล็กของโลก

กระบวนการ Hearth แบบเปิด:

ในยุค 1860 วิศวกรเยอรมัน Karl Wilhelm Siemens ได้เพิ่มการผลิตเหล็กกล้าผ่านกระบวนการผลิตเตาเผาแบบเปิด กระบวนการเตาเผาที่เปิดกว้างได้ผลิตเหล็กจากเหล็กกล้าในเตาตื้นขนาดใหญ่

ใช้อุณหภูมิสูงเพื่อเผาผลาญคาร์บอนและสิ่งสกปรกอื่น ๆ มากเกินไปกระบวนการนี้อาศัยห้องอิฐอุ่นใต้เตาไฟ เตาปฏิกรณ์ภายหลังใช้ก๊าซไอเสียจากเตาเผาเพื่อรักษาอุณหภูมิที่สูงขึ้นในห้องอิฐด้านล่าง

วิธีการนี้อนุญาตให้ผลิตในปริมาณที่มากขึ้น (50-100 เมตริกตันสามารถผลิตได้ในเตาหนึ่งเตา) การทดสอบเป็นระยะ ๆ ของเหล็กที่หลอมละลายเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะและการใช้เศษเหล็กเป็นวัตถุดิบ . แม้ว่ากระบวนการนี้เองช้ากว่ามากถึงปี 1900 กระบวนการผลิตแบบเปิดกว้างได้เปลี่ยนกระบวนการ Bessemer เป็นส่วนใหญ่

การเกิดอุตสาหกรรมเหล็ก:

การปฏิวัติการผลิตเหล็กที่ให้ราคาถูกกว่าวัสดุที่มีคุณภาพสูงขึ้นได้รับการยอมรับจากนักธุรกิจจำนวนมากในแต่ละวันว่าเป็นโอกาสในการลงทุน นายทุนแห่งปลายศตวรรษที่ 19 รวมถึงแอนดรูว์คาร์เนกีและชาร์ลส์ชวาวได้ลงทุนและทำเงินนับล้าน (พันล้านในกรณีคาร์เนกี) ในอุตสาหกรรมเหล็ก บริษัท คาร์เนกีของ US Steel Corporation ก่อตั้งขึ้นในปี 2444 เป็น บริษัท แรกที่เปิดตัวมูลค่ากว่าหนึ่งพันล้านดอลลาร์

เตาหลอมเหล็กไฟฟ้า:

หลังจากช่วงเปลี่ยนศตวรรษนี้การพัฒนาอื่น ๆ เกิดขึ้นซึ่งจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อวิวัฒนาการของการผลิตเหล็ก เตาไฟฟ้าอาร์คอาร์คของ Paul Heroult ได้รับการออกแบบมาเพื่อส่งผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุที่มีประจุทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและอุณหภูมิสูงถึง 3272 องศา ฟาเรนไฮต์ (1800 องศา เซลเซียส) มากกว่าเพียงพอที่จะผลิตเหล็กร้อน

ใช้สำหรับเหล็กกล้าชนิดพิเศษ EAF เริ่มใช้และในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองถูกใช้สำหรับการผลิตเหล็กกล้าผสม ต้นทุนการลงทุนต่ำที่เกี่ยวข้องกับการจัดตั้งโรงโม่ EAF ช่วยให้พวกเขาแข่งขันกับผู้ผลิตรายใหญ่ของสหรัฐฯเช่น US Steel Corp. และ Bethlehem Steel โดยเฉพาะเหล็กกล้าคาร์บอนหรือผลิตภัณฑ์ที่ยาวนาน

เนื่องจาก EAF สามารถผลิตเหล็กได้จากเศษเหล็กหรือเศษเหล็ก 100% ต้องใช้พลังงานน้อยลงต่อหน่วยผลิต ในทางตรงกันข้ามกับเตาเผาแบบออกซิเจนขั้นพื้นฐานการดำเนินการยังสามารถหยุดชะงักและเริ่มต้นด้วยต้นทุนที่ไม่ค่อยมีความเกี่ยวข้อง ด้วยเหตุนี้การผลิตผ่านทาง EAF จึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องมานานกว่า 50 ปีและคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 33% ของการผลิตเหล็กทั่วโลก

การผลิตเหล็กออกซิเจน:

ส่วนใหญ่ของการผลิตเหล็กทั่วโลก - ประมาณ 66% - ตอนนี้ผลิตในสิ่งอำนวยความสะดวกออกซิเจนขั้นพื้นฐาน การพัฒนาวิธีการแยกออกซิเจนจากไนโตรเจนในเชิงอุตสาหกรรมในทศวรรษที่ 1960 ให้ความสำคัญกับการพัฒนาเตาเผาออกซิเจนขั้นพื้นฐาน

เตาหลอมออกซิเจนขั้นพื้นฐานจะเป่าแตรออกซิเจนเป็นจำนวนมากของเหล็กหลอมและเศษเหล็กและสามารถทำให้ค่าใช้จ่ายมากขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าวิธีการเปิดเตา เรือขนาดใหญ่ที่ถือเหล็กได้ถึง 350 เมตริกตันสามารถเปลี่ยนเป็นเหล็กได้ภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งชั่วโมง

ประสิทธิภาพด้านต้นทุนของการผลิตเหล็กออกซิเจนทำให้โรงงานเปิดกว้างไม่สามารถแข่งขันได้และหลังจากที่มีการผลิตเหล็กออกซิเจนในทศวรรษที่ 1960 การเริ่มเปิดดำเนินการได้เริ่มขึ้น สถานที่เปิดโล่งแห่งสุดท้ายในสหรัฐฯปิดฉากลงในปีพ. ศ. 2535 และในประเทศจีนในปี 2544

_{แหล่งที่มา:}

_{Spoerl, Joseph S. ประวัติโดยย่อของการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า วิทยาลัย Saint Anselm}

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

_{สมาคมเหล็กโลก เว็บไซต์: www.steeluniversity.org}

_{ถนน Arthur & Alexander, WO 1944 โลหะในการบริการของมนุษย์ ฉบับที่ 11 (พ.ศ. 2541)}