钢铁加工的发展历史

2019-01-0410:57:42钢铁加工的发展历史已关闭评论

钢铁的发展可以追溯到铁器时代初期4000年。钢铁比以前使用最广泛的青铜更硬更强,铁开始取代武器和工具中的青铜。然而,在接下来的几千年里,生产的铁的质量将取决于矿石和生产方法。

到了17世纪,铁的性质得到了很好的理解,但欧洲日益增长的城市化需要更多功能的结构金属。到了19世纪,通过扩大铁路消耗的铁量为冶金学家提供了寻找解决铁脆性和低效生产过程的经济动力。

然而,毫无疑问,钢铁历史上最大的突破发生在1856年,当时Henry Bessemer开发了一种有效的方法来利用氧气来降低铁中的碳含量:现代钢铁工业诞生了。

铁的时代

在非常高的温度下,铁开始吸收碳,这会降低金属的熔点,从而产生铸铁(2.5至4.5%的碳)。高炉的发展,最初由中国人在公元前6世纪使用,但在中世纪欧洲更广泛使用,增加了铸铁的产量。

生铁是从高炉中流出的铁水,并在主通道和相邻的模具中冷却。大型,中央和相邻的较小的锭类似于母猪和哺乳仔猪。铸铁坚固但由于其碳含量而具有脆性,使其不太适合加工和成型。随着冶金学家逐渐意识到铁中的高碳含量是脆性问题的核心,他们尝试了降低碳含量的新方法,使铁更加可行。

到18世纪晚期,铁器制造商学会了如何使用搅拌炉(由Henry Cort于1784年开发)将铸铁转化为低碳含量的锻铁。炉子加热铁水,铁水必须使用长而桨形的工具搅拌,使氧气与碳结合并缓慢地除去碳。

随着碳含量的降低,铁的熔点增加,因此大量的铁会在炉中凝聚。在将这些质量块卷成片或轨道之前,这些质量块将被移除并由搅拌锤用锻造锤进行处理。到1860年,英国有超过3000个碾压炉,但这个过程仍受到劳动力和燃料密集度的阻碍。

其中一种最早形式的钢,泡罩钢,于17世纪在德国和英国开始生产,并通过使用称为胶结的工艺增加熔融生铁中的碳含量来生产。在这个过程中,锻铁棒在石盒中用粉末状木炭分层并加热。大约一周后,铁会吸收木炭中的碳。反复加热会使碳更均匀地分布,冷却后的结果是泡沫钢。较高的碳含量使得泡罩钢比生铁更易于加工,从而可以压制或轧制。

17世纪40年代,当英国钟表制造商本杰明·亨茨曼(Benjamin Huntsman)试图为他的钟表弹簧开发优质钢材时发现吸塑钢材生产先进,发现该金属可以在粘土坩埚中熔化并用特殊助焊剂精制以去除粘接过程留下的熔渣。结果是坩埚或铸造钢。但由于生产成本,泡罩钢和铸钢仅用于特种应用。因此,在19世纪的大部分时间里,在英国工业化的过程中,在淤泥炉中制造的铸铁仍然是工业化的主要结构金属。

Bessemer工艺与现代炼钢

19世纪欧洲和美国铁路的增长给铁工业带来了巨大的压力,钢铁工业仍然面临低效的生产过程。钢铁作为结构金属尚未得到证实,生产速度缓慢且成本高昂。直到1856年亨利·贝塞默(Henry Bessemer)提出了一种更有效的方法将氧气引入铁水中以降低碳含量。

现在被称为Bessemer工艺,Bessemer设计了一个梨形容器,称为“转换器”,其中可以加热铁,同时可以通过熔融金属吹入氧气。当氧气通过熔融​​金属时,它会与碳反应,释放出二氧化碳并产生更纯净的铁。

该过程快速而廉价,在几分钟内从铁中除去碳和硅,但却太成功了。去除了太多的碳,并且最终产品中残留了太多的氧。Bessemer最终不得不回报他的投资者,直到他找到一种方法来增加碳含量并去除不需要的氧气。

大约在同一时间,英国冶金学家罗伯特·穆谢特(Robert Mushet)收购并开始测试一种称为spiegeleisen 的铁,碳和锰化合物。众所周知,锰可以从铁水中除去氧气,如果加入适量的锰,则可以为Bessemer的问题提供解决方案。Bessemer开始将它添加到他的转换过程中并获得巨大成功。

还有一个问题。贝塞麦未能找到一种方法从他的最终产品中去除磷,这是一种使钢变脆的有害杂质。因此,只能使用来自瑞典和威尔士的无磷矿石。1876年,Welshman Sidney Gilchrist Thomas通过在Bessemer工艺中添加化学碱性助熔剂石灰石来提出解决方案。石灰石将生铁中的磷吸入炉渣中,从而除去不需要的元素。这一创新意味着,最终,来自世界各地的铁矿石可用于制造钢铁。毫不奇怪,钢铁生产成本开始显着下降。由于采用新的钢铁生产技术,钢铁价格在1867年至1884年期间下跌超过80%,开始了世界钢铁业的增长。

开放式炉膛过程

在19世纪60年代,德国工程师Karl Wilhelm Siemens通过创建平炉工艺进一步提高了钢铁产量。平炉工艺在大型浅炉中用生铁生产钢。

使用高温燃烧多余碳和其他杂质的过程依赖于炉膛下方的加热砖室。再生炉后来使用来自炉子的废气来维持下面砖室中的高温。

这种方法可以生产更大量的产品(在一个炉子中可以生产50-100公吨),定期测试钢水,使其符合特定的规格,并使用废钢作为原料。虽然这个过程本身要慢得多,但到1900年,平炉过程主要取代了Bessemer过程。

钢铁业的诞生

钢铁生产的革命提供了更便宜,更高质量的材料,当时许多商人都认为这是一个投资机会。19世纪后期的资本家,包括安德鲁卡内基和查尔斯施瓦布,在钢铁加工制造行业投资并赚取了数百万美元(卡内基数十亿美元)。卡内基的美国钢铁公司成立于1901年,是有史以来第一家价值超过10亿美元的公司。这个阶段诞生了很多不锈钢加工厂,不锈钢加工行业得到了迅猛发展。

电弧炉炼钢

在世纪之交之后,又发生了另一项对钢铁生产发展产生重大影响的发展。Paul Heroult的电弧炉(EAF)设计用于使电流通过带电材料,导致放热氧化,温度高达3272 ° F(1800 ° C),足以加热钢铁生产。

EAF最初用于特种钢,在使用中不断增长,并且在第二次世界大战期间被用于制造钢合金。建立EAF工厂所需的低投资成本使他们能够与美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司等主要美国生产商竞争,特别是碳钢或长材产品。

由于电弧炉可以生产100%废钢或冷铁,饲料,因此每单位产量需要的能源更少。与基本的氧气炉相反,操作也可以停止并以​​很少的相关成本开始。由于这些原因,通过电弧炉生产50多年来稳步增长,现在约占全球钢铁产量的33%。

氧气炼钢

全球大部分钢铁产量(约66%)现在用碱性氧气设备生产 - 在20世纪60年代开发了一种工业规模的氧气与氮气分离方法,这使得基础氧气炉的开发取得了重大进展。

氧气炉将氧气吹入大量的铁水和废钢中,并且比开放式炉床方法更快地完成装料。容量高达350公吨铁的大型船舶可在不到一小时内完成转换为钢铁。氧气炼钢的成本效率使得平炉工厂缺乏竞争力,并且随着20世纪60年代氧气炼钢的出现,平炉操作开始关闭。美国的最后一个露天炉设施于1992年关闭,中国于2001年关闭。

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