Geschichte der westlichen Zivilisation II

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25.4.3: Stahlproduktion

Vor 1860 war Stahl teuer und wurde in kleinen Mengen produziert, aber die Entwicklung der Tiegelstahltechnik durch Benjamin Huntsman in den 1740er Jahren, das Bessemer-Verfahren in den 1850er Jahren und das Siemens-Martin-Verfahren in den 1850er bis 1860er Jahren führten zur Massenproduktion von Stahl, einem der wichtigsten Fortschritte der zweiten industriellen Revolution.

Lernziel

Postulieren Sie die Auswirkungen der verbesserten Stahlproduktion auf die Entwicklung der Industrie.

Schlüsselpunkte

  • Stahl ist eine Legierung aus Eisen und anderen Elementen, vor allem Kohlenstoff, die wegen ihrer hohen Zugfestigkeit und niedrigen Kosten häufig im Bauwesen und anderen Anwendungen eingesetzt wird. Das Grundmetall von Stahl ist Eisen. Es wurde erstmals in der Antike hergestellt, aber zwei Jahrzehnte vor der industriellen Revolution wurde die Herstellung von Stahl verbessert, der zu dieser Zeit ein teurer Rohstoff war, der nur dort verwendet wurde, wo Eisen nicht ausreichte.
  • Benjamin Huntsman entwickelte in den 1740er Jahren sein Tiegelstahlverfahren. Er war in der Lage, zufriedenstellenden Gussstahl in Tontöpfen herzustellen, die jeweils etwa 34 Pfund Blasenstahl enthielten. Man fügte ein Flussmittel hinzu, bedeckte die Tiegel und erhitzte sie etwa drei Stunden lang mit Koks. Der geschmolzene Stahl wurde dann in Formen gegossen und die Tiegel wiederverwendet. Lange Zeit exportierte Huntsman seine gesamte Produktion nach Frankreich, da die dortigen Hersteller sich weigerten, mit härterem Stahl zu arbeiten, als sie ohnehin schon verwendeten.
  • Stahl wird oft als erster von mehreren neuen Bereichen für die industrielle Massenproduktion genannt, die die Zweite Industrielle Revolution kennzeichnen. Vor etwa 1860 war Stahl noch ein teures Produkt. Das Problem der Massenproduktion von billigem Stahl wurde 1855 von Henry Bessemer mit der Einführung des Bessemer-Konverters in seinem Stahlwerk in Sheffield, England, gelöst. Weitere Experimente von Göran Fredrik Göransson und Robert Forester Mushet ermöglichten es Bessemer, das Bessemer-Verfahren zu perfektionieren.
  • Obwohl Bessemer anfangs auf Ablehnung stieß und gezwungen war, die Nutzung seines Verfahrens selbst in die Hand zu nehmen, wurden schließlich so viele Lizenzen beantragt, dass Bessemer Lizenzgebühren von über einer Million Pfund Sterling erhielt. Um 1870 wurde Bessemer-Stahl in großem Umfang für Schiffsbleche verwendet. Das Bessemer-Verfahren machte auch Stahleisenbahnen preislich wettbewerbsfähig. Die Erfahrung zeigte schnell, dass der Stahl eine viel höhere Festigkeit und Haltbarkeit aufwies und die schwereren und schnelleren Lokomotiven und Waggons bewältigen konnte.
  • Nach 1890 wurde das Bessemer-Verfahren allmählich durch die Herstellung von Stahl im offenen Herd verdrängt. Carl Wilhelm Siemens entwickelte in den 1850er Jahren den Siemens-Regenerativ-Ofen. Dieser Ofen arbeitete mit einer hohen Temperatur, indem er eine regenerative Vorwärmung von Brennstoff und Verbrennungsluft nutzte. 1865 erwarb Pierre-Émile Martin eine Lizenz von Siemens und wandte seinen Regenerativofen für die Stahlerzeugung an. Das Siemens-Martin-Verfahren war langsamer und daher leichter zu kontrollieren. Es ermöglichte auch das Schmelzen und Raffinieren großer Mengen von Stahlschrott, was die Stahlproduktionskosten weiter senkte und ein ansonsten problematisches Abfallmaterial wiederverwertete.
  • Das Siemens-Martin-Verfahren wurde zu Beginn des 20. Die Verfügbarkeit von billigem Stahl ermöglichte größere Brücken, Eisenbahnen, Wolkenkratzer und Schiffe. Weitere wichtige Stahlprodukte waren Stahlkabel, Stahlstangen und Stahlbleche, die große Hochdruckkessel und hochfesten Stahl für Maschinen ermöglichten. Auch die militärische Ausrüstung wurde erheblich verbessert.

Schlüsselbegriffe

Zweite industrielle Revolution Eine Phase der raschen Industrialisierung im letzten Drittel des 19. und zu Beginn des 20. Obwohl eine Reihe von charakteristischen Ereignissen auf frühere Innovationen in der Fertigung zurückgehen, wie z. B. der Aufbau einer Werkzeugmaschinenindustrie, die Entwicklung von Methoden zur Herstellung austauschbarer Teile und die Erfindung des Bessemer-Verfahrens, wird sie im Allgemeinen auf die Zeit zwischen 1870 und 1914 bis zum Beginn des Ersten Weltkriegs datiert. Bessemer-Verfahren Das erste kostengünstige industrielle Verfahren zur Massenproduktion von Stahl aus geschmolzenem Roheisen vor der Entwicklung des offenen Herdofens. Das Hauptprinzip ist die Entfernung von Verunreinigungen aus dem Eisen durch Oxidation mit Luft, die durch das geschmolzene Eisen geblasen wird. Durch die Oxidation wird auch die Temperatur der Eisenmasse erhöht, so dass sie geschmolzen bleibt. Tiegelstahl Ein Begriff, der sich auf Stahl bezieht, der in der Neuzeit nach zwei verschiedenen Methoden hergestellt wurde und im Laufe der Geschichte an unterschiedlichen Orten produziert wurde. Er wird durch Schmelzen von Eisen und anderen Materialien hergestellt. Er wurde im Mittelalter in Süd- und Zentralasien hergestellt, aber die Techniken zur Herstellung von hochwertigem Stahl wurden im 18. Jahrhundert von Benjamin Huntsman in England entwickelt. Jahrhundert von Benjamin Huntsman in England entwickelt. Bei Huntsmans Verfahren wurden jedoch Eisen und Stahl als Rohstoffe verwendet und nicht wie beim späteren Bessemer-Verfahren direkt aus Gusseisen gewonnen. Die homogene Kristallstruktur dieses Gussstahls verbesserte seine Festigkeit und Härte im Vergleich zu früheren Stahlformen. Zementierung Eine veraltete Technologie zur Stahlherstellung durch Aufkohlung von Eisen. Anders als bei der modernen Stahlerzeugung wird dabei der Kohlenstoffgehalt des Eisens erhöht. Sie wurde offenbar vor dem 17. Jahrhundert entwickelt. Jahrhundert entwickelt. Derwentcote Steel Furnace aus dem Jahr 1720 ist das früheste erhaltene Beispiel eines Ofens, in dem diese Technologie angewandt wurde. Aufkohlung Ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Eisen oder Stahl Kohlenstoff absorbiert, während das Metall in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials, wie Holzkohle oder Kohlenmonoxid, erhitzt wird. Ziel ist es, das Metall härter zu machen. Anders als bei der modernen Stahlerzeugung wurde bei diesem Verfahren der Kohlenstoffgehalt des Eisens erhöht.

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und anderen Elementen, vor allem Kohlenstoff, die wegen ihrer hohen Zugfestigkeit und niedrigen Kosten häufig im Bauwesen und anderen Anwendungen eingesetzt wird. Das Basismetall von Stahl ist Eisen, das je nach Temperatur zwei kristalline Formen annehmen kann, nämlich kubisch-raumzentriert (BCC) und kubisch-flächenzentriert (FCC). Es ist die Wechselwirkung dieser Allotrope mit den Legierungselementen, vor allem Kohlenstoff, die Stahl und Gusseisen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht. Bei der BCC-Anordnung befindet sich ein Eisenatom in der Mitte jedes Würfels, bei der FCC-Anordnung befindet sich eines in der Mitte jeder der sechs Würfelseiten. Kohlenstoff, andere Elemente und Einschlüsse im Eisen wirken als Härtebildner, die die Bewegung von Versetzungen verhindern, die sonst in den Kristallgittern der Eisenatome auftreten.

Stahl (mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt als Roheisen, aber einem höheren als Schmiedeeisen) wurde erstmals in der Antike hergestellt, aber zwei Jahrzehnte vor der industriellen Revolution wurde die Herstellung von Stahl verbessert, der damals ein teurer Rohstoff war, der nur dort verwendet wurde, wo Eisen nicht ausreichte, z. B. für Schneidwerkzeuge und Federn. Benjamin Huntsman entwickelte in den 1740er Jahren sein Tiegelstahlverfahren. Nach vielen Experimenten gelang es Huntsman, zufriedenstellenden Gussstahl in Tontöpfen herzustellen, die jeweils etwa 34 Pfund Blasenstahl enthielten. Man fügte ein Flussmittel hinzu, bedeckte die Tiegel und erhitzte sie etwa drei Stunden lang mit Koks. Der geschmolzene Stahl wurde dann in Formen gegossen und die Tiegel wiederverwendet. Die örtlichen Besteckhersteller weigerten sich, den Gussstahl von Huntsman zu kaufen, da er härter war als der deutsche Stahl, den sie zu verwenden gewohnt waren. Lange Zeit exportierte Huntsman seine gesamte Produktion nach Frankreich. Der von Huntsman als Rohmaterial verwendete Blasenstahl wurde durch Zementation oder Aufkohlung von Eisen hergestellt. Die Aufkohlung ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Eisen oder Stahl Kohlenstoff absorbiert, während das Metall in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials, wie Holzkohle oder Kohlenmonoxid, erhitzt wird. Damit soll das Metall härter gemacht werden. Im Gegensatz zur modernen Stahlherstellung wurde bei diesem Verfahren der Kohlenstoffgehalt im Eisen erhöht.

Zweite Industrielle Revolution

Stahl wird oft als erster von mehreren neuen Bereichen für die industrielle Massenproduktion genannt, die die um 1850 beginnende Zweite Industrielle Revolution kennzeichneten, obwohl ein Verfahren zur Massenherstellung von Stahl erst in den 1860er Jahren erfunden wurde und in den 1870er Jahren weithin verfügbar war, nachdem das Verfahren zur Herstellung einer gleichmäßigeren Qualität modifiziert worden war.

Vor etwa 1860 war Stahl ein teures Produkt, das in kleinen Mengen hergestellt und hauptsächlich für Schwerter, Werkzeuge und Besteck verwendet wurde. Alle großen Metallkonstruktionen wurden aus Schmiede- oder Gusseisen hergestellt. Das Problem der Massenproduktion von billigem Stahl wurde 1855 von Henry Bessemer mit der Einführung des Bessemer-Konverters in seinem Stahlwerk in Sheffield, England, gelöst. Beim Bessemer-Verfahren wurde geschmolzenes Roheisen aus dem Hochofen in einen großen Tiegel gefüllt, und von unten wurde Luft durch das geschmolzene Eisen geblasen, die den gelösten Kohlenstoff aus dem Koks entzündete. Durch das Abbrennen des Kohlenstoffs erhöhte sich der Schmelzpunkt des Gemischs, aber die Wärme des brennenden Kohlenstoffs lieferte die zusätzliche Energie, die benötigt wurde, um das Gemisch flüssig zu halten. Nachdem der Kohlenstoffgehalt in der Schmelze auf den gewünschten Wert gesunken war, wurde der Luftzug abgeschaltet. Ein typischer Bessemer-Konverter konnte eine 25-Tonnen-Charge Roheisen innerhalb einer halben Stunde in Stahl umwandeln. Bessemer demonstrierte das Verfahren 1856 und hatte 1864 einen erfolgreichen Betrieb.

Bessemer-Konverter, Druck aus dem Jahr 1867 in Großbritannien.

Auch wenn das Bessemer-Verfahren heute nicht mehr kommerziell genutzt wird, war es zur Zeit seiner Erfindung von enormer industrieller Bedeutung, da es die Kosten für die Stahlproduktion senkte und dazu führte, dass Gusseisen weitgehend durch Stahl ersetzt wurde.Bessemer wurde auf das Problem der Stahlherstellung aufmerksam, als er versuchte, die Konstruktion von Geschützen zu verbessern.

Bessemer lizenzierte das Patent für sein Verfahren an fünf Eisenhüttenwerke, aber die Unternehmen hatten von Anfang an große Schwierigkeiten, Stahl von guter Qualität zu produzieren. Göran Fredrik Göransson, ein schwedischer Eisenmeister, der das reinere Holzkohlenroheisen dieses Landes verwendete, war der erste, der mit diesem Verfahren guten Stahl herstellte, allerdings erst nach vielen Versuchen. Seine Ergebnisse veranlassten Bessemer, ein reineres, aus Cumberland-Hämatit gewonnenes Eisen auszuprobieren, hatten aber nur begrenzten Erfolg, da die Kohlenstoffmenge schwer zu kontrollieren war. Robert Forester Mushet hatte nach Tausenden von Experimenten in der Darkhill Ironworks gezeigt, dass die Kohlenstoffmenge kontrolliert werden konnte, indem er den Kohlenstoff fast vollständig aus dem Eisen entfernte und dann eine genaue Menge an Kohlenstoff und Mangan in Form von Spiegeleisen (einer Ferromanganlegierung) hinzufügte. Dies verbesserte die Qualität des Endprodukts und erhöhte seine Formbarkeit.

Als Bessemer versuchte, die Hersteller dazu zu bewegen, sein verbessertes System zu übernehmen, stieß er auf allgemeine Ablehnung und sah sich schließlich veranlasst, die Nutzung des Verfahrens selbst in Angriff zu nehmen. Er errichtete in Sheffield in geschäftlicher Partnerschaft mit anderen, wie W & J Galloway & Sons, ein Stahlwerk und begann mit der Herstellung von Stahl. Zunächst war die Produktion unbedeutend, aber allmählich wurde der Umfang des Betriebs vergrößert, bis der Wettbewerb wirksam wurde und die Stahlhändler feststellten, dass die Firma Henry Bessemer & Co. sie mit 10 bis 15 britischen Pfund pro Tonne unterbot. Dieses Argument zeigte schnell Wirkung, und es wurden so viele Lizenzen beantragt, dass Bessemer als Lizenzgebühren für die Nutzung seines Verfahrens einen Betrag von weit über einer Million Pfund Sterling erhielt. Um 1870 wurde Bessemer-Stahl in großem Umfang für Schiffsbleche verwendet. In den 1850er Jahren wurden Geschwindigkeit, Gewicht und Menge des Eisenbahnverkehrs durch die Stärke der verwendeten schmiedeeisernen Schienen begrenzt. Die Lösung bestand darin, auf Stahlschienen umzusteigen, die durch das Bessemer-Verfahren preislich konkurrenzfähig wurden. Die Erfahrung zeigte schnell, dass Stahl eine viel höhere Festigkeit und Haltbarkeit aufwies und die schwereren und schnelleren Lokomotiven und Waggons bewältigen konnte.

Allerdings erhielt Mushet nichts und war 1866 mittellos und gesundheitlich angeschlagen. In jenem Jahr reiste seine 16-jährige Tochter Mary allein nach London, um Bessemer in seinem Büro zu konfrontieren, und argumentierte, dass sein Erfolg auf den Ergebnissen der Arbeit ihres Vaters beruhte. Bessemer beschloss, Mushet eine jährliche Rente von 300 Pfund zu zahlen, eine sehr beträchtliche Summe, die er über 20 Jahre lang zahlte, möglicherweise um die Mushets vor Klagen zu bewahren.

Nach 1890 wurde das Bessemer-Verfahren allmählich durch die Herstellung von Stahl im offenen Herd verdrängt. Sir Carl Wilhelm Siemens entwickelte in den 1850er Jahren den Siemens-Regenerativofen und behauptete 1857, dass er genug Wärme zurückgewinnen konnte, um 70-80 % des Brennstoffs einzusparen. Dieser Ofen arbeitete mit einer hohen Temperatur, indem er eine regenerative Vorwärmung von Brennstoff und Verbrennungsluft nutzte. Bei der regenerativen Vorwärmung werden die Abgase aus dem Ofen in eine Kammer mit Ziegeln gepumpt, wo die Wärme von den Gasen auf die Ziegel übertragen wird. Die Strömung des Ofens wird dann umgekehrt, so dass Brennstoff und Luft durch die Kammer strömen und von den Steinen erhitzt werden. Auf diese Weise kann ein Ofen mit offenem Herd Temperaturen erreichen, die hoch genug sind, um Stahl zu schmelzen, aber Siemens nutzte ihn zunächst nicht zu diesem Zweck. Im Jahr 1865 nahm der französische Ingenieur Pierre-Émile Martin eine Lizenz von Siemens an und setzte seinen Regenerativofen erstmals zur Stahlerzeugung ein. Die attraktivste Eigenschaft des Siemens-Regenerativofens ist die schnelle Herstellung großer Mengen von Basisstahl, der zum Beispiel für den Bau von Hochhäusern verwendet wird.

Siemens-Ofen aus dem Jahr 1895

Die reizvollste Eigenschaft des Siemens-Regenerativofens war die schnelle Produktion großer Mengen von Basisstahl, der zum Beispiel für den Bau von Hochhäusern verwendet wurde. Durch das Siemens-Verfahren konnte ein Herdwagenofen Temperaturen erreichen, die hoch genug waren, um Stahl zu schmelzen, aber Siemens setzte ihn zunächst nicht dafür ein. Es war Martin, der den Regenerativofen erstmals für die Stahlerzeugung einsetzte.

Das Siemens-Martin-Verfahren ergänzte das Bessemer-Verfahren nicht, sondern ersetzte es. Es war langsamer und daher leichter zu kontrollieren. Außerdem ermöglichte es das Einschmelzen und Raffinieren großer Mengen von Stahlschrott, was die Stahlproduktionskosten weiter senkte und einen ansonsten lästigen Abfallstoff wiederverwertete. Der größte Nachteil war und ist die Tatsache, dass das Schmelzen und Raffinieren einer Charge mehrere Stunden dauert. Außerdem war und ist die Arbeitsumgebung am offenen Herd extrem gefährlich.

Das Siemens-Martin-Verfahren wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts zum führenden Stahlherstellungsverfahren. Die Verfügbarkeit von billigem Stahl ermöglichte größere Brücken, Eisenbahnen, Wolkenkratzer und Schiffe. 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.