Dějiny západní civilizace II

admin

25.4.3: Výroba oceli

Před rokem 1860 byla ocel drahá a vyráběla se v malých množstvích, ale vývoj tyglíkové techniky výroby oceli Benjaminem Huntsmanem ve 40. letech 19. století,Bessemerův proces v 50. letech 19. století a Siemensův-Martinův proces v 50.-60. letech 20. století vedly k masové výrobě oceli, která byla jedním z klíčových pokroků stojících za druhou průmyslovou revolucí.

Cíl výuky

Postulujte, jaký vliv mělo zdokonalení výroby oceli na rozvoj průmyslu.

Klíčové body

  • Ocel je slitina železa a dalších prvků, především uhlíku, která se díky své vysoké pevnosti v tahu a nízké ceně hojně využívá ve stavebnictví a dalších aplikacích. Základním kovem oceli je železo. Poprvé se vyráběla již ve starověku, ale dvě desetiletí před průmyslovou revolucí došlo ke zdokonalení výroby oceli, která byla v té době drahou komoditou používanou pouze tam, kde nestačilo železo.
  • Benjamin Huntsman vyvinul ve 40. letech 17. století svou techniku výroby oceli v kelímku. Dokázal vyrobit uspokojivou litou ocel v hliněných kelímcích, z nichž každý pojal asi 34 liber puchýřové oceli. Do nich se přidávalo tavidlo a byly zakryty a zahřívány koksem po dobu asi tří hodin. Roztavená ocel se pak nalila do forem a kelímky se znovu použily. Huntsman dlouhou dobu vyvážel celou svou produkci do Francie, protože místní výrobci odmítali pracovat s tvrdší ocelí, než jakou již používali.
  • Ocel je často uváděna jako první z několika nových oblastí průmyslové velkovýroby, které charakterizují druhou průmyslovou revoluci. Přibližně do roku 1860 byla ocel stále ještě drahým výrobkem. Problém masové výroby levné oceli vyřešil v roce 1855 Henry Bessemer zavedením Bessemerova konvertoru ve své ocelárně v anglickém Sheffieldu. Další pokusy Görana Fredrika Göranssona a Roberta Forestera Musheta umožnily Bessemerovi zdokonalit to, co se později stalo známým jako Bessemerův proces.
  • Ačkoli se Bessemer zpočátku setkával s odmítavým postojem a byl nucen pustit se do využívání svého procesu sám, nakonec bylo požádáno o licence v takovém množství, že Bessemer obdržel licenční poplatky přesahující milion liber šterlinků. V roce 1870 byla Bessemerova ocel široce používána pro výrobu lodních plechů. Bessemerův proces také umožnil cenovou konkurenceschopnost ocelových železnic. Zkušenosti rychle prokázaly, že ocel má mnohem větší pevnost a trvanlivost a zvládne těžší a rychlejší motory a vozy.
  • Po roce 1890 byl Bessemerův proces postupně vytlačen výrobou oceli v otevřených pecích. Carl Wilhelm Siemens vyvinul v 50. letech 19. století Siemensovu regenerační pec. Tato pec pracovala při vysoké teplotě pomocí regenerativního předehřevu paliva a vzduchu pro spalování. V roce 1865 získal Pierre-Émile Martin od Siemense licenci a použil svou regenerativní pec k výrobě oceli. Siemens-Martinův proces byl pomalejší, a proto se lépe kontroloval. Umožňoval také tavení a rafinaci velkého množství ocelového šrotu, což dále snižovalo náklady na výrobu oceli a umožňovalo recyklaci jinak problematického odpadního materiálu.
  • Siemens-Martinův proces se stal počátkem 20. století vedoucím procesem výroby oceli. Dostupnost levné oceli umožnila stavbu větších mostů, železnic, mrakodrapů a lodí. Dalšími důležitými výrobky z oceli byly ocelové kabely, ocelové tyče a ocelové plechy, které umožnily výrobu velkých vysokotlakých kotlů a oceli s vysokou pevností v tahu pro strojní zařízení. Výrazně se také zlepšilo vojenské vybavení.

Klíčové pojmy

Druhá průmyslová revoluce Fáze rychlé industrializace v poslední třetině 19. a na počátku 20. století, známá také jako technologická revoluce. Ačkoli řadu jejích charakteristických událostí lze vysledovat v souvislosti s dřívějšími inovacemi ve výrobě, jako je vznik obráběcího průmyslu, vývoj metod výroby vyměnitelných dílů a vynález Bessemerova procesu, je obecně datována mezi roky 1870 a 1914 až do začátku první světové války. Bessemerův proces První levný průmyslový proces hromadné výroby oceli z roztaveného surového železa před vývojem otevřené ohniště. Klíčovým principem je odstraňování nečistot ze železa oxidací vzduchem vháněným přes roztavené železo. Oxidace také zvyšuje teplotu železné hmoty a udržuje ji roztavenou. kelímková ocel Termín, který se vztahuje na ocel vyráběnou dvěma různými metodami v moderní době a vyráběnou v různých lokalitách v průběhu historie. Vyrábí se tavením železa a dalších materiálů. Ve středověku se vyráběla v jižní a střední Asii, ale techniky výroby vysoce kvalitní oceli vyvinul Benjamin Huntsman v Anglii v 18. století. Huntsmanův postup však používal železo a ocel jako suroviny, nikoli přímou přeměnu z litiny jako pozdější Bessemerův proces. Homogenní krystalická struktura této lité oceli zlepšila její pevnost a tvrdost ve srovnání s předchozími formami oceli. cementace Zastaralá technologie výroby oceli nauhličováním železa. Na rozdíl od moderní výroby oceli zvyšovala množství uhlíku v železe. Byla zřejmě vyvinuta před 17. stoletím. Derwentcote Steel Furnace, postavená v roce 1720, je nejstarším dochovaným příkladem pece využívající tuto technologii. karburizace Proces tepelného zpracování, při kterém železo nebo ocel absorbuje uhlík, zatímco je kov zahříván v přítomnosti materiálu obsahujícího uhlík, jako je dřevěné uhlí nebo oxid uhelnatý. Záměrem je zpevnit kov. Na rozdíl od moderní výroby oceli tento proces zvýšil množství uhlíku v železe.

Ocel je slitina železa a dalších prvků, především uhlíku, která se široce používá ve stavebnictví a dalších aplikacích díky své vysoké pevnosti v tahu a nízké ceně. Základním kovem oceli je železo, které může v závislosti na teplotě nabývat dvou krystalických forem, tělesově centrované kubické (BCC) a čelně centrované kubické (FCC). Právě interakce těchto alotropů s legujícími prvky, především uhlíkem, dává oceli a litině řadu jedinečných vlastností. V uspořádání BCC je atom železa uprostřed každé krychle a v uspořádání FCC je jeden atom uprostřed každé ze šesti stěn krychle. Uhlík, další prvky a inkluze v železe působí jako kalicí činidla, která zabraňují pohybu dislokací, k nimž jinak dochází v krystalových mřížkách atomů železa.

Ocel (s nižším obsahem uhlíku než surové železo, ale vyšším než kované železo) se poprvé vyráběla již ve starověku, ale dvě desetiletí před průmyslovou revolucí došlo ke zdokonalení výroby oceli, která byla v té době drahou komoditou používanou pouze tam, kde by železo nestačilo, například na řezné nástroje a na pružiny. Benjamin Huntsman vyvinul ve 40. letech 17. století techniku výroby oceli v kelímku. Po mnoha pokusech se Huntsmanovi podařilo vyrobit uspokojivou litou ocel v hliněných kelímcích, z nichž každý pojal asi 34 liber puchýřové oceli. Přidalo se do nich tavidlo, přikryly se a zahřívaly koksem po dobu asi tří hodin. Roztavená ocel se pak nalila do forem a kelímky se znovu použily. Místní výrobci příborů odmítali Huntsmanovu litou ocel kupovat, protože byla tvrdší než německá ocel, kterou byli zvyklí používat. Huntsman dlouho vyvážel veškerou svou produkci do Francie. Blistrová ocel, kterou Huntsman používal jako surovinu, se vyráběla cementací nebo nauhličováním železa. Karbonizace je proces tepelného zpracování, při němž železo nebo ocel absorbuje uhlík, zatímco je kov zahříván v přítomnosti materiálu obsahujícího uhlík, jako je dřevěné uhlí nebo oxid uhelnatý. Záměrem je zpevnit kov. Na rozdíl od moderní výroby oceli tento proces zvýšil množství uhlíku v železe.

Druhá průmyslová revoluce

Ocel je často uváděna jako první z několika nových oblastí průmyslové hromadné výroby, které charakterizují druhou průmyslovou revoluci začínající kolem roku 1850, ačkoli metoda hromadné výroby oceli byla vynalezena až v 60. letech 19. století a široce dostupná se stala v 70. letech 19. století poté, co byl proces upraven tak, aby se vyráběla stejnorodější kvalita.

Před rokem 1860 byla ocel drahým výrobkem, vyráběla se v malém množství a používala se především na meče, nástroje a příbory. Všechny velké kovové konstrukce se vyráběly z tepaného nebo litého železa. Problém masové výroby levné oceli vyřešil v roce 1855 Henry Bessemer zavedením Bessemerova konvertoru ve své ocelárně v anglickém Sheffieldu. Při Bessemerově procesu se roztavené surové železo z vysoké pece nabíjelo do velkého kelímku a zespodu se do roztaveného železa vháněl vzduch, který zapálil rozpuštěný uhlík z koksu. Jak uhlík hořel, teplota tání směsi se zvyšovala, ale teplo z hořícího uhlíku poskytovalo dodatečnou energii potřebnou k udržení směsi v roztaveném stavu. Poté, co obsah uhlíku v tavenině klesl na požadovanou úroveň, byl přerušen tah vzduchu. Typický Bessemerův konvertor dokázal přeměnit 25tunovou dávku surového železa na ocel za půl hodiny. Bessemer tento proces předvedl v roce 1856 a v roce 1864 již úspěšně fungoval.

Bessemerův konvertor, tisk zveřejněn v roce 1867 ve Velké Británii.

Ačkoli se Bessemerův proces již komerčně nepoužívá, v době svého vynálezu měl obrovský průmyslový význam, protože snížil náklady na výrobu oceli, což vedlo k širokému nahrazování litiny ocelí.Bessemerovu pozornost přitáhl problém výroby oceli ve snaze zlepšit konstrukci zbraní.

Bessemer poskytl licenci na svůj postup pěti železářským společnostem, které však měly od počátku velké problémy s výrobou kvalitní oceli. Švédský železář Göran Fredrik Göransson, který používal čistší dřevouhelné surové železo z této země, jako první vyrobil tímto postupem dobrou ocel, ale až po mnoha pokusech. Jeho výsledky přiměly Bessemera, aby vyzkoušel čistší železo získané z cumberlandského hematitu, ale měl jen omezený úspěch, protože množství uhlíku bylo obtížně kontrolovatelné. Robert Forester Mushet po tisících pokusů v Darkhillských železárnách ukázal, že množství uhlíku lze kontrolovat tak, že se ze železa odstraní téměř všechen uhlík a poté se přidá přesné množství uhlíku a manganu ve formě spiegeleisenu (slitina feromanganu). Tím se zlepšila kvalita hotového výrobku a zvýšila jeho kujnost.

Když se Bessemer snažil přimět výrobce, aby jeho zdokonalený systém převzali, setkal se s všeobecným odmítnutím a nakonec byl nucen pustit se do využívání tohoto procesu sám. Postavil ocelárny v Sheffieldu v obchodním partnerství s dalšími firmami, například W & J Galloway & Sons, a začal vyrábět ocel. Zpočátku byla produkce zanedbatelná, ale postupně se rozsah provozu zvětšoval, až se konkurence stala účinnou a obchodníci s ocelí si uvědomili, že firma Henry Bessemer & Co. je podbízí až o 10-15 britských liber za tunu. Tento argument do kapsy se rychle projevil a o licence se žádalo v takovém množství, že Bessemer obdržel na licenčních poplatcích za používání svého postupu částku značně přesahující milion liber šterlinků. V roce 1870 byla Bessemerova ocel široce používána pro výrobu lodních plechů. V 50. letech 19. století byly rychlost, hmotnost a množství železniční dopravy omezeny pevností používaných kovaných kolejnic. Řešením byl přechod na ocelové kolejnice, které Bessemerův proces učinil cenově konkurenceschopnými. Zkušenosti rychle ukázaly, že ocel má mnohem větší pevnost a trvanlivost a zvládne těžší a rychlejší motory a vozy.

Mushet však nedostal nic a v roce 1866 byl bez prostředků a ve špatném zdravotním stavu. V tomto roce se jeho šestnáctiletá dcera Mary vydala sama do Londýna, aby se s Bessemerem utkala v jeho kancelářích a tvrdila, že jeho úspěch je založen na výsledcích práce jejího otce. Bessemer se rozhodl vyplácet Mushetovi roční rentu ve výši 300 liber, což byla velmi značná částka, kterou vyplácel více než 20 let, pravděpodobně proto, aby Mushetovy uchránil před soudními spory.

Po roce 1890 byl Bessemerův proces postupně vytlačen výrobou oceli v otevřené peci. Sir Carl Wilhelm Siemens vyvinul v padesátých letech 19. století Siemensovu regenerační pec a v roce 1857 tvrdil, že získává dostatek tepla, aby ušetřil 70-80 % paliva. Tato pec pracovala při vysoké teplotě pomocí regenerativního předehřevu paliva a vzduchu pro spalování. Při regenerativním předehřevu se spaliny z pece čerpají do komory s cihlami, kde se teplo předává z plynů cihlám. Poté se proudění v peci obrátí, takže palivo a vzduch procházejí komorou a jsou ohřívány cihlami. Touto metodou může otevřená pec dosáhnout dostatečně vysokých teplot k tavení oceli, ale společnost Siemens ji k tomuto účelu původně nepoužívala. V roce 1865 si francouzský inženýr Pierre-Émile Martin vzal od společnosti Siemens licenci a poprvé použil svou regenerační pec k výrobě oceli. Nejpřitažlivější vlastností Siemensovy regenerační pece je rychlá výroba velkého množství základní oceli, která se používá například při stavbě výškových budov.

Siemensova pec z roku 1895

Nejpřitažlivější vlastností Siemensovy regenerační pece byla rychlá výroba velkého množství základní oceli, používané například ke stavbě výškových budov. Díky Siemensově metodě mohla pec s otevřeným ohništěm dosáhnout dostatečně vysokých teplot pro tavení oceli, ale Siemens ji k tomu zpočátku nepoužíval. Byl to Martin, kdo jako první použil regenerativní pec pro výrobu oceli.

Siemensův-Martinův proces spíše doplňoval, než aby nahradil Bessemerův proces. Byl pomalejší, a proto se snadněji kontroloval. Umožňoval také tavení a rafinaci velkého množství ocelového šrotu, což dále snižovalo náklady na výrobu oceli a recyklovalo jinak problematický odpadní materiál. Jeho největší nevýhodou byla a zůstává skutečnost, že tavení a rafinace vsázky trvá několik hodin. Navíc pracovní prostředí v okolí otevřené ohniště bylo a zůstává extrémně nebezpečné.

Siemensův-Martinův proces se na počátku 20. století stal vedoucím procesem výroby oceli. Dostupnost levné oceli umožnila stavbu větších mostů, železnic, mrakodrapů a lodí. Other important steel products—also made using the open hearth process—were steel cable, steel rod, and sheet steel which enabled large, high-pressure boilers and high-tensile strength steel for machinery, creating much more powerful engines, gears, and axles than were previously possible. With large amounts of steel, it also became possible to build much more powerful guns and carriages, tanks, armored fighting vehicles, and naval ships.

Attributions

  • Steel Production
    • „Carburizing.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Carburizing. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Industrial Revolution.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Second Industrial Revolution.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Second_Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Benjamin Huntsman.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Huntsman. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Crucible steel.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Crucible_steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Open hearth furnace.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Open_hearth_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Ferrous metallurgy.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrous_metallurgy. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „History of the steel industry (1850–1970).“ https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_steel_industry_(1850%E2%80%931970). Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Cementation process.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Cementation_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Spiegeleisen.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Spiegeleisen. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Bessemer process.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Bessemer_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Henry Bessemer.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Bessemer. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Steel.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „Reverberatory furnace.“ https://en.wikipedia.org/wiki/Reverberatory_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • „ConverterB.jpg.“ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConverterB.jpg. Wikimedia Commons Public domain.
    • „Siemensmartin12nb.jpg.“ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Siemensmartin12nb.jpg. Wikimedia Commons Public domain.