เรียนรู้ประวัติความเป็นมาตั้งแต่ยุคเหล็กไปจนถึงเตาหลอมไฟฟ้า
อย่างไรก็ตามในช่วงไม่กี่พันปีต่อมาคุณภาพของเหล็กที่ผลิตขึ้นอยู่กับปริมาณแร่ที่มีอยู่ในวิธีการผลิต
เมื่อศตวรรษที่ 17 คุณสมบัติของเหล็กเป็นที่เข้าใจกันดี แต่การเพิ่มขึ้นของรูปแบบในยุโรปต้องการโลหะโครงสร้างที่หลากหลายมากขึ้น
และในช่วงศตวรรษที่ 19 ปริมาณเหล็กที่ถูกบริโภคโดยการขยายทางรถไฟทำให้นักอุตสาหกรรมโลหะมีแรงจูงใจทางการเงินในการหาทางแก้ปัญหาความเปราะบางของเหล็กและกระบวนการผลิตที่ไม่มีประสิทธิภาพ
แม้ว่าประวัติความเป็นมาของเหล็กจะเกิดขึ้นในปีพ. ศ. 2399 เมื่อเฮนรีเบสเซเยอร์พัฒนาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการใช้ออกซิเจนเพื่อลดปริมาณคาร์บอนในเหล็ก: อุตสาหกรรมเหล็กที่ทันสมัยเกิดขึ้น
ยุคของเหล็ก
อุณหภูมิที่สูงมากเหล็กเริ่มดูดซับคาร์บอนซึ่งจะช่วยลดจุดหลอมเหลวของโลหะทำให้เหล็กหล่อ (2.5 ถึง 4.5% คาร์บอน) การพัฒนาเตาเผาขนาดใหญ่ใช้ครั้งแรกโดยชาวจีนในศตวรรษที่ 6 แต่ใช้กันอย่างแพร่หลายในยุโรปในยุคกลางเพิ่มการผลิตเหล็กหล่อ
เหล็กกล้าเป็นเหล็กหลอมที่หลอมออกจากเตาหลอมและหล่อเย็นในช่องหลักและติดกับแม่พิมพ์ แท่งขนาดเล็กกลางและติดกันเล็ก ๆ คล้ายกับลูกสุกรและสุกรที่เลี้ยงลูกสุกร
เหล็กหล่อมีความแข็งแรง แต่ทนต่อความเปราะบางเนื่องจากมีคาร์บอนต่ำทำให้เหมาะกับการทำงานและการขึ้นรูป ในฐานะที่เป็น metallurgists ตระหนักว่าเนื้อหาคาร์บอนสูงในเหล็กเป็นศูนย์กลางของปัญหาของความเปราะบางพวกเขาทดลองด้วยวิธีการใหม่ในการลดปริมาณคาร์บอนเพื่อที่จะทำให้เหล็กสามารถทำงานได้มากขึ้น
ในช่วงปลายทศวรรษศตวรรษที่ 18 ผู้ผลิตเหล็กได้เรียนรู้วิธีเปลี่ยนเหล็กหล่อเป็นเหล็กดัดที่มีคาร์บอนต่ำโดยใช้เตาหลอมโลหะ (พัฒนาโดย Henry Cort ในปีพ. ศ. 2327) เตาหลอมเหล็กหลอมละลายซึ่งจะต้องถูกขยับโดยคน พุดดิ้ง โดยใช้เครื่องมือที่มีรูปทรงยาวซึ่งจะช่วยให้ออกซิเจนรวมเข้ากับและค่อยๆขจัดคาร์บอน
เมื่อปริมาณคาร์บอนลดลงจุดหลอมเหลวของเหล็กจะเพิ่มขึ้นดังนั้นมวลเหล็กจะรวมกันอยู่ในเตา ฝูงเหล่านี้จะถูกเอาออกและทำงานร่วมกับค้อนปลอมโดยบ่อเลื่อนก่อนที่จะถูกรีดเป็นแผ่นหรือราง เมื่อถึงปีพ. ศ. 24060 มีเตาเผาอัญมณีกว่า 3,000 แห่งในสหราชอาณาจักร แต่กระบวนการดังกล่าวยังคงเป็นอุปสรรคต่อการใช้กำลังแรงงานและความเข้มข้นของเชื้อเพลิง
หนึ่งในรูปแบบของเหล็กกล้าไร้สนิมเหล็กเริ่มผลิตในเยอรมนีและอังกฤษในศตวรรษที่ 17 และผลิตโดยการเพิ่มปริมาณคาร์บอนในเหล็กหล่อหลอมเหลวโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าการประสาน ในขั้นตอนนี้เหล็กดัดถูกหุ้มด้วยผงถ่านในกล่องหินและอุ่น
หลังจากนั้นประมาณหนึ่งสัปดาห์เหล็กจะดูดซับคาร์บอนในถ่าน ความร้อนที่ทำซ้ำจะกระจายคาร์บอนอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นและผลที่ได้หลังจากเย็นเป็นเหล็กตุ่ม ปริมาณคาร์บอนสูงทำให้เหล็กพองสามารถทำงานได้ดีกว่าเหล็กกล้าเพื่อให้สามารถกดหรือรีดได้
การผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมก้าวหน้าในทศวรรษที่ 1740 เมื่อช่างทำนาฬิกาชาวอังกฤษ Benjamin Huntsman ขณะที่พยายามพัฒนาเหล็กคุณภาพสูงสำหรับสปริงนาฬิกาของเขาพบว่าโลหะสามารถละลายได้ในดินเหนียวและมีการกลั่นด้วยฟลักซ์พิเศษเพื่อขจัดตะกรันที่กระบวนการปูนซีเมนต์เหลือ หลัง ผลที่ได้คือเบ้าหลอมหรือเหล็กหล่อ แต่เนื่องจากต้นทุนการผลิตทั้งแบบพองและเหล็กหล่อจึงถูกนำมาใช้เฉพาะในการใช้งานแบบพิเศษเท่านั้น
เป็นผลให้เหล็กหล่อที่ทำในเตาหลอมโลหะแอ็ปบอดี้ยังคงเป็นโลหะโครงสร้างหลักในอุตสาหกรรมในสหราชอาณาจักรในช่วงศตวรรษที่ 19 มากที่สุด
กระบวนการ Bessemer และการผลิตเหล็กที่ทันสมัย
การเติบโตของทางรถไฟในช่วงศตวรรษที่ 19 ทั้งในยุโรปและอเมริกาสร้างแรงกดดันมหาศาลต่ออุตสาหกรรมเหล็กซึ่งยังคงต่อสู้กับกระบวนการผลิตที่ไม่มีประสิทธิภาพ
อย่างไรก็ตามเหล็กยังคงไม่ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นโลหะโครงสร้างและการผลิตก็ช้าและค่าใช้จ่ายสูง นั่นคือจนกระทั่งเมื่อ 1856 Henry Bessemer ได้ใช้วิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการนำเอาออกซิเจนไปเป็นเหล็กหลอมเพื่อลดปริมาณคาร์บอน
บัดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อกระบวนการ Bessemer Bessemer ได้ออกแบบตัวรับรูปลูกแพร์ซึ่งเรียกว่า 'ตัวแปลง' ซึ่งเหล็กจะถูกให้ความร้อนขณะที่ออกซิเจนอาจถูกเป่าผ่านโลหะหลอมเหลว เมื่อออกซิเจนผ่านโลหะหลอมเหลวจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และผลิตเหล็กบริสุทธิ์มากขึ้น
กระบวนการนี้ทำได้เร็วและราคาไม่แพงทำให้คาร์บอนและ ซิลิกอนหลุด จากเหล็กภายในไม่กี่นาที แต่ประสบความสำเร็จเป็นอย่างมาก คาร์บอนมากเกินไปถูกเอาออกและออกซิเจนมากเกินไปยังคงอยู่ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย Bessemer ต้องจ่ายเงินคืนให้กับนักลงทุนจนกว่าจะสามารถหาวิธีเพิ่มปริมาณคาร์บอนและเอาออกซิเจนที่ไม่ต้องการได้
ในเวลาเดียวกันนักเคมีชาวอังกฤษโรเบิร์ต Mushet ได้มาและเริ่มทดสอบส่วนผสมของเหล็กคาร์บอนและ แมงกานีสที่ รู้จักกันในนาม speigeleisen แมงกานีสเป็นที่รู้จักในการกำจัดออกซิเจนจากเหล็กหลอมและปริมาณคาร์บอนใน speigeleisen ถ้าเติมเข้าไปในปริมาณที่เหมาะสมจะช่วยแก้ปัญหาของ Bessemer ได้ Bessemer เริ่มเพิ่มกระบวนการแปลงของเขาด้วยความสำเร็จอย่างมาก
ยังคงมีปัญหาอยู่ Bessemer ล้มเหลวในการหาวิธีที่จะกำจัดฟอสฟอรัส - สิ่งสกปรกที่เป็นอันตรายซึ่งทำให้เหล็กเปราะ - จากผลิตภัณฑ์สุดท้ายของเขา ดังนั้นอาจใช้แร่ฟอสฟอรัสฟรีจากสวีเดนและเวลส์เท่านั้น
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 ในทางตรงกันข้ามกับพื้นเตาออกซิเจนขั้นพื้นฐานการดำเนินงานยังสามารถหยุดทำงานและเริ่มต้นด้วยค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องได้เล็กน้อย 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
สมาคมเหล็กโลก www.steeluniversity.org
ถนน Arthur & Alexander, WO 1944 โลหะในการบริการของมนุษย์ ฉบับที่ 11 (พ.ศ. 2541)