24.01.2017

Коротка Історія Виробництва Чавуну і Сталі

Original: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm

за

професором Джозефом С. Споерлом

Відділення філософії

Коледж Сент-Ансельм

© Джозеф С. Споерл 2004 р.

jspoerl@anselm.edu

https://anselm.academia.edu/JosephSpoerl

Виробництво заліза людиною почалося, ймовірно, десь після 2000 до н.е. на південному заході або південно-центральній Азії, можливо, в Кавказькому регіоні. Так було покладено початок залізного віку, коли залізо замінили бронзу знарядь і зброї. Цей зсув стався тому, що залізо, коли сплавляють з невеликою кількістю вуглецю, важче, міцніший, і має більш гострий край, ніж бронза. Протягом більше трьох тисяч років, аж до заміни стали після того, як 1870 р. н.е. залізо, утворене матеріальною основою людської цивілізації в Європі, Азії та Африці.

Залізо є четвертим найпоширенішим елементом і становить понад п’ять відсотків земної кори. Залізо існує в природі в залізну руду (іноді називають лімоніт). Так як залізо має сильне спорідненість до кисню, залізна руда є оксид заліза; вона також містить різні кількості інших елементів, таких як кремній, сірка, марганець, і фосфор. Виплавка це процес, за допомогою якого залізо видобувається з залізної руди. Коли залізна руда нагрівається в вогні деревного вугілля, залізна руда починає випускати частину свого кисню, який з’єднується з окисом вуглецю з утворенням діоксиду вуглецю. Таким чином, губчаста, пориста маса щодо чистого заліза утворюється, перемішані з шматочками деревного вугілля і сторонніх речовин, що вивільняються з руди, відомий як шлак. (Відділення шлаку від заліза полегшується за рахунок додавання потоку, тобто, подрібнений черепашок або вапняку.) Утворення цього нальотом заліза був, наскільки примітивно коваль отримав: він усуне цю пастоподібну масу з печі і вбийте його на ковадлі, щоб витіснити золу і шлак і ущільнити металеві частинки. Це був кованого заліза ( “кованого” означає “працювали”, тобто, забивається) і містив як правило, від .02 до .08 відсотків вуглецю (всмоктується з деревного вугілля), досить, щоб зробити метал і жорстким і податливим. Коване залізо було найбільш часто проводиться метал протягом більшої частини залізного віку.

При дуже високих температурах (рідко за винятком того, в доменній печі – дивись нижче), радикальна зміна відбувається: залізо починає поглинати вуглець швидко, і залізо починає плавитися, так як більш високий вміст вуглецю знижує температуру плавлення заліза. Результат – чавун, який містить від 3 до 4,5 відсотків вуглецю. Така висока частка вуглецю робить чавун твердим і тендітним; він несе відповідальність перед тріснути або розбитися під важким ударом, і він не може бути підроблена (тобто, нагрівається і формується ударами молотка) при будь-якій температурі. До кінця Середньовіччя, європейські виробники чавуну розробили доменну піч, високий димар, як структура, в якій горіння підсилювалося вибухом повітря прокачується через чергуються шари деревного вугілля, потоку, і залізну руду. (Середньовічні металурги також навчилися використовувати водяні колеса до влади сильфонні для перекачування повітря через доменних печей і для харчування масивних ковальських молотів. Після 1777 року, новий паровий двигун Джеймса Уатта був також використаний для цих цілей) Розплавлений чавун буде працювати безпосередньо з база доменної печі в піщаній корита, яка подається кілька невеликих бічних жолобів; ця конфігурація була схожа на свиню Саклінг виводок поросят, а також ливарний чавун, отриманий таким способом, таким чином, стали називати чавун. Залізо може подаватися безпосередньо в форми при доменної печі підстави або переплавляються з чавуну, щоб зробити чавунні печі, каструлі, сковорідки, Камінні плити, гармати, гарматні ядра, або дзвони ( “кинути” означає вилити в форму, звідси і назва “чавун”). Лиття також називають заснуванням і робиться в ливарному цеху.

Виробники чавуну пізнього середньовіччя також навчилися перетворювати литий чавун в більш корисний кованого заліза шляхом окислення надлишку вуглецю з чавуну у вугільній печі називається наряд. Після 1784 року чавун був уточнений в пудлінговій печі (розробленої англієць Генрі Корт). Пудлінгового печі потрібно перемішування розплавленого металу, зберігаються окремо від вугіллі, через отвір висококваліфікованим ремісником називається пудлінговщик; цей окислений метал рівномірно до нагрівання і газів згоряння в печі таким чином, що вуглець може бути окислений поза. У міру того як вміст вуглецю зменшується, температура плавлення підвищується, в результаті чого напівтверді шматочки заліза з’являтися в рідкій масі. Пудлінговщик б зібрати їх в єдину масу і працювати їх під ковальського молота, а потім гарячий коване залізо буде працювати через ролики (в прокатних станів) для формування плоских залізних листів або рейок; розрізаючі млини вирізати з кованого заліза листи на вузькі смужки для виготовлення цвяхів.

У той час як доменні печі, вироблені з чавуну з високою ефективністю, процес переробки чавуну в кованого заліза залишався порівняно неефективний в середині 1800-х років. Історик Девід Ланди пише: “пудлінгування печі залишалася вузьким місцем в промисловості. Тільки люди чудовою сили і витривалості може стояти до тепла протягом декількох годин, повернути і розмішати густу кашу з розчиняється металу, і відкачати Блоб з пастообразной кованого заліза. У пудлінговщиків були аристократія пролетаріату, гордий, клановість, відділив від поту і крові. Мало хто з них жив останні сорок. Численні спроби були зроблені механізувати пудлінговий піч – даремно. Машини можуть бути зроблені для перемішування ванни, але тільки людське око і дотик може виділити твердіє декарбюрізовани металу. Розмір печі і продуктивності доходи були обмежені відповідно “(Кембриджська економічна історія Європи, том VI, частина I, 1966 р., стор. 447).

Іншим важливим відкриттям в 1700-х роках (англійцем Авраама Дербі) було те, що кокс (скорочення від “вугільного пирога”), або вугілля, запечена для видалення домішок, таких як сірка, може бути замінений на деревне вугілля в плавильних. Це був важливий крок вперед, так як виробництво деревного вугілля призвело до серйозних збезлісення в Західній Європі і Великобританії.

Сталь має вміст вуглецю в діапазоні від .2 до 1,5 відсотка, досить вуглецю, щоб зробити його більш важким, ніж кованого заліза, але не настільки, щоб зробити його крихким, як чавун. Його твердість у поєднанні з його гнучкістю і міцністю на розрив роблять сталь набагато корисніше, ніж будь-якого типу заліза: вона довговічніша і має гострий край краще, ніж м’якше кованого заліза, але вона чинить опір ударам і напруга краще, ніж більш тендітного чавуну. Проте, до середини 1800-х років, стали було важко виготовити і дорого. До винаходу перетворювача бессемеровском (описано нижче), сталь була зроблена в основному за допомогою так званого процесу цементації. Батончики з кованого заліза будуть упаковані в товченим деревним вугіллям, шар за шаром, в щільно вкритих кам’яних ящиках і з підігрівом. Після кількох днів опалення, ковані залізні решітки буде поглинати вуглець; розподіляти вуглець більш рівномірно, метал буде розпущено, перемішано з порошком деревного вугілля і розігріте. Отриману блістер сталь потім буде знову нагрівають і принесли під ковальського молота, щоб надати йому більш послідовну структуру. У 1740 році англійський годинникар Бенджамін Хантсмен, в пошуках більш високої якості стали для виготовлення годин пружини, виявили, що блістерна сталь може бути розплавлений в глиняних тиглів і доопрацьовані шляхом додавання спеціального потоку, який видаляють дрібні частинки шлаку, що процес цементації не міг видалити. Це називалося тигель сталь; він був високої якості, але дорого.

Підводячи підсумок досі: коване залізо має мало вуглецю (+0,02 до +0,08 відсотка), досить просто, щоб зробити це важко, не втрачаючи своєї податливості. Чавун, навпаки, має багато вуглецю (від 3 до 4,5 відсотка), що робить його важко, але крихкими і непластичними. У проміжку між цими сталевий, з 0,2 до 1,5 відсотка вуглецю, що робить його більш важким, ніж кованого заліза, але податливий і гнучкий, на відміну від чавуну. Ці властивості роблять стали більш корисними, ніж будь-який з кованого або чавуну, але до 1856 року, не було простий спосіб контролювати рівень вуглецю в залозі так, щоб виробництво сталі дешево і ефективно. Проте, зростання залізниць в 1800-х роках створив величезний ринок для стали. Перші залізниці працювали на кованими рейках, які були занадто м’якими, щоб бути міцним. На деяких ділянках зайнятих, так і на зовнішніх краях кривих, то з кованого заліза рейки повинні були бути замінені кожні шість-вісім тижнів. Сталеві рейки були б набагато міцнішим, проте трудо- і енергоємний процес цементації зі сталі занадто дорогими для таких масштабних використовує.

Масове виробництво дешевої стали стало можливим тільки після введення процесу Бессемера, названий на честь його винахідника, блискучого британського металург Сер Генрі Бессемер (1813-1898). Бессемер розсудив, що вуглець в розплавленому чавуні легко з’єднується з киснем, так що сильний вибух повітря через розплавлений чавун повинен перетворити чавун в сталь за рахунок зниження вмісту в ній вуглецю. У 1856 році Бессемер розроблений, що він назвав конвертер, великий, грушоподібний посудину з отворами на дні, щоб дозволити вдування стисненого повітря. Бессемер наповнили його рідкого чавуну, дув стиснене повітря через розплавлений метал, і виявили, що чавун дійсно спорожніли з вуглецю і кремнію протягом декількох хвилин; до того ж, замість того, щоб замерзання від вибуху холодного повітря, метал став ще більш гарячим і тому залишався в розплавленому стані. Подальше експериментування інший британський винахідник Роберт Мушет, показав, що повітря, вибух насправді було видалено занадто багато вуглецю і залишили занадто багато кисню позаду в розплавленому металі. Це зробило необхідним додавання сполуки заліза, вуглець і марганець званий дзеркальний чавун (або шпігель для стислості): марганець видаляє кисень у вигляді оксиду марганцю, який переходить в шлак, а вуглець залишається позаду, перетворюючи розплавлене залізо у сталь. (Феромарганцю служить тієї ж мети.) Вибух повітря через розплавлений чавун, з подальшим додаванням невеликої кількості розплавленого шпігелю, таким чином, перетворює всю велику масу розплавленого чавуну в сталь в лічені хвилини, без необхідності будь-яке додаткове паливо (на відміну від днів, і тонни додаткового палива і робочої сили, необхідний для пудлінгового і цементації).

Один з недоліків початкового процесу Бессемера, проте, в тому, що вона не усунула фосфору з чавуну. Фосфор робить сталь надмірно крихкими. Тому спочатку процес бесемерівський може бути використаний тільки на виробництві чавуну, виготовленого з містять фосфору руд. Такі руди є відносно рідкісними і дорогими, тому що вони зустрічаються тільки в декількох місцях (наприклад, Уельсі та Швеції, де Бессемер отримав свою залізну руду, і верхньої Мічиган). У 1876 році, валлієць Сідней Джілкріст Томас виявив, що додавання хімічно основний матеріал, такий як вапняк до перетворювача звертає фосфору з чавуну в шлак, який плаває у верхній частині конвертера, де він може бути розікрали, в результаті чого фосфору -безкоштовно сталь. (Це називається основним процесом Бессемера, або основним процесом Томаса.) Це найважливіше відкриття означало, що величезні запаси залізної руди з багатьох регіонів світу могли бути використані для виготовлення чавуну для перетворювачів Бессемера, які в свою чергу призвело до зльоту виробництво дешевої стали в Європі і США в США, наприклад, в 1867 році, були зроблені і продані за $ 83 за тонну 460,000 тонн з кованого заліза рейок; були зроблені лише 2550 тонн Бессемер сталевих рейок, витяг ціну до $ 170 за тонну. До 1884 року, на відміну від цього, залізні рейки були практично перестали бути взагалі; сталеві рейки замінили їх на річний обсяг виробництва 1500000 тонн з продажу за ціною $ 32 за тонну. Геній Ендрю Карнегі для зниження витрат виробництва буде знизити ціни настільки ж низько як $ 14 за тонну до кінця на століття. (Це падіння вартості супроводжувався таким же різким збільшенням якості, як сталь замінили залізні рейки: з 1865 року по 1905 рік, середня тривалість життя рейки збільшилася з двох років до десяти, а вага автомобіля рейок міг збільшився з восьми тонн до сімдесят.)

Процес Бессемера не мав поле до себе довго, як винахідники шукали шляхи навколо патентів (більш 100 з них), що належать Генрі Бессемер. У 1860-х роках, суперник з’явився на сцені: процес мартенівський, розроблений в основному німецьким інженером Карл Вільгельм Сіменс. Цей процес перетворює залізо на сталь в широкому, неглибоко, мартенівської печі (також званої газової печі Сіменса, так як він був викликаний спочатку вугільного газу, а потім природний газ) шляхом додавання кованого заліза або оксиду заліза до розплавленого чавуну до тих пір, вміст вуглецю зменшується шляхом розведення і окислення. Використання вихлопних газів для попереднього підігріву повітря і газу перед спалюванням, піч Сіменса може досягти дуже високих температур. Як і в разі перетворювачів Бессемера, використання основних матеріалів, таких як вапняк в мартенівських печах сприяє видалення фосфору з розплавленого металу (модифікація називається основний процес мартенівський). На відміну від перетворювача бессемеровском, що робить сталь в одній вулканічної поспіху, процес мартенівський займає кілька годин і дозволяє періодичних лабораторних випробувань розплавленої сталі, так що сталь може бути зроблена до точних специфікаціям замовника щодо хімічного складу і механічних властивостей. Процес мартенівський також дозволяє виробляти більш великих партій стали, ніж процес бессемеровском і переробки металобрухту. Через цих переваг, до 1900 року процес мартенівська в значній мірі замінити процес Бессемера. (Після 1960 року він був в свою чергу замінений основний процес кисню, модифікації процесу бессемеровском, у виробництві сталі з залізної руди, а також за допомогою електродугової печі у виробництві сталі з брухту.)

На відміну від багатьох своїх конкурентів, Ендрю Карнегі швидко усвідомив важливість Бессемера, Томаса основного і мартенівських процесів. Він також був одним з перших виробників сталі, щоб зрозуміти життєву важливість хімії у виробництві сталі. Вони стали ключі до його успіху як виробник сталі.

Масове виробництво дешевої сталі, стало можливим завдяки відкриттям, описаних вище (і багато інших, не згадані), зробила революцію в нашому світі. Розглянемо коротко і неповний перелік продуктів стало можливим (або краще або більш доступним) дешевої, рясної стали: залізні дороги, нафто- і газопроводів, нафтопереробних заводів, електростанцій, ліній електропередач, складальних ліній, хмарочоси, ліфти, метро, ​​мости, залізобетон, автомобілі, вантажні автомобілі, автобуси, тролейбуси, холодильники, пральні машини, сушарки для білизни, посудомийні машини, цвяхи, гвинти, болти, гайки, голки, дріт, годинник, годинник, консерви, лінкори, авіаносці, нафтові танкери, морські перевізники , Вантажні контейнери, крани, бульдозери, трактори, сільськогосподарські знаряддя, огорожі, ножі, виделки, ложки, ножиці, бритви, хірургічні інструменти, кульові підшипники, турбіни, свердла, пили, і інструменти всякого роду.

З огляду на його моральні недоліки, ми дійсно можемо розглянути Карнегі “портрет людської величі?” Аргументи на користь позитивної відповіді полягає в наступному. Ми спадкоємці тисяч років технічного прогресу, і ми користуємося щодня від винахідливості і напруженої роботи багатьох тисяч ковалів, металургів, сталеварів, інженерів, винахідників, хіміків, металургів, і підприємці, давно померлий, один з яких був Карнегі і лише деякі з них були святими. Наш рівень життя сьогодні багато в чому зобов’язана підприємливості Карнегі, самоосвіта і геніальні ефективності. Якими б не були недоліки – і хто з нас не має жодного? – Карнегі втілюється тип людської величі, яке заслуговує нашу вдячність і подяку. Не забуваючи внесок інших (особливо його працівниками), ми повинні зробити те ж судження про те, що Карнегі Стівен Амброз робить про людей, які побудували перший трансконтинентальної залізниці: “Речі сталося, як вони відбувалися. Можна уявити собі всі види різних маршрутів по всьому континенту, або кращий спосіб для уряду, щоб допомогти приватній промисловості, або, може бути, щоб уряд будувати і володіти нею. Але ці речі не відбулося, і що ж мають місце грандіозно. Таким чином, ми не захоплюємося тими, хто це зробив – навіть якщо вони були далекі від досконалості – за те, що вони були і що вони зробили, і скільки кожен з нас повинен їм “(Нічого подібного у світі [Нью-Йорк: Simon and Schuster: 2000 р.], стор. 382)

Довідкові джерела

Ashton, T.S. Iron and Steel In the Industrial Revolution. New York: Augustus M. Kelley, 1968.

Carnegie, Andrew. The Autobiography of Andrew Carnegie. Boston: Northeastern University Press, 1986.

Carnegie, Andrew. The Empire of Business. New York: Doubleday, Page & Co., 1902.  (See esp. “Steel Manufacture in the United States in the Nineteenth Century,” pp. 229-242.)

Chard, Jack. Making Iron and Steel: The Historic Processes, 1700-1900. Ringwood, NJ: North Jersey Highlands Historical Society, 1995.

Fisher, Douglas Alan. The Epic of Steel. New York: Harper and Row, 1963.

“Iron and Steel Industry.” Encyclopedia Britannica, Volume 12. Chicago: Encyclopedia Britannica, 1968.

Landes, David. “Technological Change and Development in Western Europe, 1750-1914,” in Postan and Habakkuk eds., The Cambridge Economic History of Europe, Volume VI, Part I. Cambridge: Cambridge University Press, 1965, pp. 274-601, esp. pp. 444-8 and 477-496.

Livesay, Harold C. Andrew Carnegie and the Rise of Big Business. HarperCollins Publishers, 1975.

Pounds, Norman J.G. The Geography of Iron and Steel. Second edition. London: Hutchinson University Library, 1963.

Rosenberg, Nathan and L.E. Birdzell, Jr. How the West Grew Rich: The Economic Transformation of the Industrial World.  New York: Basic Books, 1986.

Stubbles, John. “The Basic Oxygen Steelmaking Process.”  American Iron and Steel Institute Steelworks Learning Center. http://www.steel.org/learning/howmade/bos_process.htm

Wall, Joseph Frazier. Andrew Carnegie. Second edition. Pittsburgh: University of Pittsburgh Press, 1989.

* * * * * * * * *

 

About The Author

admin

Comments are closed.