Geschiedenis van de Westerse Beschaving II

admin

25.4.3: Staalproductie

Vóór 1860 was staal duur en werd het in kleine hoeveelheden geproduceerd, maar de ontwikkeling van de kroesstaaltechniek door Benjamin Huntsman in de jaren 1740, het Bessemer-proces in de jaren 1850, en het Siemens-Martin-proces in de jaren 1850-1860 resulteerden in de massaproductie van staal, een van de belangrijkste ontwikkelingen achter de Tweede Industriële Revolutie.

Leerdoel

Postelleer de effecten van de verbeterde staalproductie op de vooruitgang van de industrie.

Kernpunten

  • Staal is een legering van ijzer en andere elementen, voornamelijk koolstof, die op grote schaal in de bouw en andere toepassingen wordt gebruikt vanwege de hoge treksterkte en lage kosten. Het basismetaal van staal is ijzer. Het werd voor het eerst geproduceerd in de oudheid, maar twee decennia voor de industriële revolutie werd een verbetering aangebracht in de productie van staal, dat in die tijd een duur product was dat alleen werd gebruikt waar ijzer niet voldeed.
  • Benjamin Huntsman ontwikkelde zijn kroesstaaltechniek in de jaren 1740. Hij was in staat bevredigend gietstaal te maken in kroesjes van kleipotten, die elk ongeveer 34 pond blaarstaal bevatten. Er werd een vloeimiddel toegevoegd en de kroezen werden afgedekt en gedurende ongeveer drie uur met cokes verhit. Het gesmolten staal werd dan in mallen gegoten en de kroezen werden hergebruikt. Huntsman exporteerde lange tijd zijn hele productie naar Frankrijk, omdat plaatselijke producenten weigerden met staal te werken dat harder was dan het staal dat zij al gebruikten.
  • Staal wordt vaak genoemd als het eerste van een aantal nieuwe gebieden voor industriële massaproductie die kenmerkend zijn voor de Tweede Industriële Revolutie. Vóór ongeveer 1860 was staal nog een duur product. Het probleem van de massaproduktie van goedkoop staal werd in 1855 opgelost door Henry Bessemer met de invoering van de Bessemer-convertor in zijn staalfabriek in Sheffield, Engeland. Verdere experimenten door Göran Fredrik Göransson en Robert Forester Mushet stelden Bessemer in staat te perfectioneren wat bekend zou worden als het Bessemer-proces.
  • Hoewel Bessemer aanvankelijk tegenwerking ondervond en gedwongen werd zijn proces zelf te exploiteren, werden er uiteindelijk zoveel licenties aangevraagd dat Bessemer royalty’s ontving van meer dan een miljoen pond sterling. Tegen 1870 werd Bessemer-staal op grote schaal gebruikt voor scheepsplaten. Het Bessemer-procédé zorgde er ook voor dat stalen spoorbanen concurrerend werden in prijs. Uit ervaring bleek al snel dat staal veel sterker en duurzamer was en de zwaardere en snellere locomotieven en wagons aankon.
  • Na 1890 werd het Bessemer-proces geleidelijk aan verdrongen door de open-haard staalproductie. Carl Wilhelm Siemens ontwikkelde in de jaren 1850 de Siemens regeneratieve oven. Deze oven werkte bij een hoge temperatuur door gebruik te maken van regeneratieve voorverwarming van brandstof en lucht voor de verbranding. In 1865 nam Pierre-Émile Martin een licentie van Siemens en paste zijn regeneratieve oven toe voor het maken van staal. Het Siemens-Martin-procédé was langzamer en dus gemakkelijker te controleren. Het maakte ook het smelten en raffineren van grote hoeveelheden schrootstaal mogelijk, waardoor de staalproductiekosten verder daalden en een anders zo lastig afvalmateriaal werd gerecycleerd.
  • Het Siemens-Martin-proces werd tegen het begin van de 20e eeuw het belangrijkste staalproductieproces. De beschikbaarheid van goedkoop staal maakte grotere bruggen, spoorwegen, wolkenkrabbers en schepen mogelijk. Andere belangrijke staalproducten waren staalkabel, stalen staven en plaatstaal, die grote hogedrukketels en staal met hoge treksterkte voor machines mogelijk maakten. Ook de militaire uitrusting verbeterde aanzienlijk.

Key Terms

Tweede industriële revolutie Een fase van snelle industrialisatie in het laatste derde deel van de 19e eeuw en het begin van de 20e, ook wel bekend als de Technologische Revolutie. Hoewel een aantal kenmerkende gebeurtenissen kunnen worden teruggevoerd op eerdere innovaties in de fabricage, zoals de oprichting van een gereedschapsmachine-industrie, de ontwikkeling van methoden voor de fabricage van verwisselbare onderdelen en de uitvinding van het Bessemer-proces, wordt zij over het algemeen gedateerd tussen 1870 en 1914 tot het begin van de Eerste Wereldoorlog. Bessemer-proces Het eerste goedkope industriële proces voor de massaproductie van staal uit gesmolten ruwijzer vóór de ontwikkeling van de open-haardoven. Het belangrijkste principe is de verwijdering van onzuiverheden uit het ijzer door oxidatie met lucht die door het gesmolten ijzer wordt geblazen. De oxidatie verhoogt ook de temperatuur van de ijzermassa en houdt deze gesmolten. smeltkroesstaal Een term die van toepassing is op staal dat in de moderne tijd volgens twee verschillende methoden wordt gemaakt en door de geschiedenis heen op verschillende plaatsen is geproduceerd. Het wordt gemaakt door ijzer en andere materialen te smelten. Het werd tijdens de middeleeuwen in Zuid- en Centraal-Azië geproduceerd, maar de technieken voor de productie van staal van hoge kwaliteit werden in de 18e eeuw door Benjamin Huntsman in Engeland ontwikkeld. Huntsman’s proces gebruikte echter ijzer en staal als grondstoffen in plaats van directe conversie uit gietijzer zoals in het latere Bessemer proces. De homogene kristalstructuur van dit gietstaal verbeterde zijn sterkte en hardheid in vergelijking met vroegere vormen van staal. cementering Een verouderde technologie voor het maken van staal door carburatie van ijzer. In tegenstelling tot de moderne staalbereiding werd bij deze techniek de hoeveelheid koolstof in het ijzer verhoogd. Zij werd blijkbaar vóór de 17e eeuw ontwikkeld. Derwentcote Steel Furnace, gebouwd in 1720, is het vroegst overgebleven voorbeeld van een oven waarin deze technologie werd toegepast. carburatie Een warmtebehandelingsproces waarbij ijzer of staal koolstof absorbeert terwijl het metaal wordt verhit in de aanwezigheid van een koolstofhoudend materiaal, zoals houtskool of koolstofmonoxide. De bedoeling is het metaal harder te maken. In tegenstelling tot de moderne staalfabricage, verhoogde het proces de hoeveelheid koolstof in het ijzer.

Staal is een legering van ijzer en andere elementen, voornamelijk koolstof, die veel wordt gebruikt in de bouw en andere toepassingen vanwege de hoge treksterkte en lage kosten. Het basismetaal van staal is ijzer, dat afhankelijk van de temperatuur twee kristallijne vormen kan aannemen, namelijk kubisch lichaam gecentreerd (BCC) en kubisch gezicht gecentreerd (FCC). Het is de interactie van deze allotropen met de legeringselementen, voornamelijk koolstof, die staal en gietijzer hun reeks unieke eigenschappen geeft. In de BCC opstelling bevindt zich een ijzeratoom in het midden van elke kubus, en in de FCC bevindt zich er een in het midden van elk van de zes vlakken van de kubus. Koolstof, andere elementen en insluitsels in ijzer fungeren als verhardingsmiddelen die de beweging van dislocaties voorkomen die anders in de kristalroosters van ijzeratomen zouden ontstaan.

Staal (met een lager koolstofgehalte dan ruwijzer maar een hoger koolstofgehalte dan smeedijzer) werd voor het eerst in de oudheid geproduceerd, maar twee decennia voor de Industriële Revolutie werd een verbetering aangebracht in de productie van staal, dat in die tijd een duur product was dat alleen werd gebruikt waar ijzer niet voldeed, zoals voor snijgereedschap en voor veren. Benjamin Huntsman ontwikkelde zijn kroesstaaltechniek in de jaren 1740. Na vele experimenten was Huntsman in staat om bevredigend gietstaal te maken in kroesjes van kleipotten, die elk ongeveer 34 pond blaarstaal bevatten. Er werd een vloeimiddel toegevoegd en de kroezen werden afgedekt en gedurende ongeveer drie uur met cokes verhit. Het gesmolten staal werd dan in mallen gegoten en de kroezen werden hergebruikt. De plaatselijke bestekfabrikanten weigerden Huntsman’s gietstaal te kopen, omdat het harder was dan het Duitse staal dat zij gewend waren te gebruiken. Huntsman exporteerde lange tijd zijn hele productie naar Frankrijk. Blaarstaal dat door Huntsman als grondstof werd gebruikt, werd gemaakt door het cementeringsproces of door carburatie van ijzer. Carbonering is een warmtebehandelingsproces, waarbij ijzer of staal koolstof absorbeert terwijl het metaal wordt verhit in aanwezigheid van een koolstofhoudend materiaal, zoals houtskool of koolmonoxide. De bedoeling is het metaal harder te maken. In tegenstelling tot de moderne staalproductie verhoogde het proces de hoeveelheid koolstof in het ijzer.

Tweede Industriële Revolutie

Staal wordt vaak genoemd als het eerste van verschillende nieuwe gebieden voor industriële massaproductie die kenmerkend zijn voor de Tweede Industriële Revolutie die rond 1850 begon, hoewel een methode voor massafabricage van staal pas in de jaren 1860 werd uitgevonden en in de jaren 1870 op grote schaal beschikbaar kwam nadat het proces was gewijzigd om een meer uniforme kwaliteit te produceren.

Vóór ongeveer 1860 was staal een duur product, dat in kleine hoeveelheden werd gemaakt en vooral werd gebruikt voor zwaarden, gereedschap en bestek. Alle grote metalen constructies werden gemaakt van smeedijzer of gietijzer. Het probleem van de massaproduktie van goedkoop staal werd in 1855 opgelost door Henry Bessemer met de invoering van de Bessemer convertor in zijn staalfabriek in Sheffield, Engeland. Bij het Bessemer-proces werd gesmolten ruwijzer uit de hoogoven in een grote smeltkroes geladen en werd er van onderaf lucht door het gesmolten ijzer geblazen, waardoor de opgeloste koolstof uit de cokes werd aangestoken. Naarmate de koolstof opbrandde, steeg het smeltpunt van het mengsel, maar de hitte van de brandende koolstof leverde de extra energie die nodig was om het mengsel gesmolten te houden. Nadat het koolstofgehalte in de smelt tot het gewenste niveau was gedaald, werd de luchttoevoer afgesloten. Een typische Bessemer convertor kon een partij ruwijzer van 25 ton in een half uur omzetten in staal. Bessemer demonstreerde het proces in 1856 en had in 1864 een succesvolle operatie opgestart.

Bessemer convertor, drukwerk gepubliceerd in 1867 in Groot-Brittannië.

Hoewel het Bessemer-proces niet meer commercieel wordt gebruikt, was het ten tijde van de uitvinding van enorm industrieel belang omdat het de kosten van de productie van staal verlaagde, waardoor staal op grote schaal werd vervangen door gietijzer.Bessemers aandacht werd gevestigd op het probleem van de staalproductie in een poging de constructie van kanonnen te verbeteren.

Bessemer gaf het octrooi voor zijn proces in licentie aan vijf ijzergieterijen, maar vanaf het begin hadden de bedrijven grote moeite om staal van goede kwaliteit te produceren. Göran Fredrik Göransson, een Zweedse ijzerfabrikant, gebruikte het zuiverdere houtskoolijzer van dat land en slaagde er als eerste in goed staal te maken volgens het proces, maar pas na vele pogingen. Zijn resultaten brachten Bessemer ertoe een zuiverder ijzer te proberen, verkregen uit hematiet van Cumberland, maar dit had slechts een beperkt succes omdat de hoeveelheid koolstof moeilijk te controleren was. Robert Forester Mushet had na duizenden experimenten in de Darkhill Ironworks aangetoond dat de hoeveelheid koolstof kon worden beheerst door bijna alle koolstof uit het ijzer te verwijderen en vervolgens een exacte hoeveelheid koolstof en mangaan in de vorm van spiegeleisen (een ferromangaanlegering) toe te voegen. Dit verbeterde de kwaliteit van het eindproduct en verhoogde de smeedbaarheid ervan.

Toen Bessemer probeerde fabrikanten ertoe te bewegen zijn verbeterde systeem toe te passen, stuitte hij op algemene afwijzing en werd hij er uiteindelijk toe gedreven het proces zelf te exploiteren. Hij bouwde staalfabrieken in Sheffield in een partnerschap met anderen, zoals W & J Galloway & Sons, en begon met de productie van staal. Aanvankelijk was de produktie onbeduidend, maar geleidelijk aan werd de omvang van de operatie vergroot totdat de concurrentie effectief werd en staalhandelaren zich ervan bewust werden dat de firma Henry Bessemer & Co. hen onderbood met een bedrag van £10-£15 per ton. Dit argument had al snel effect en er werden zoveel licenties aangevraagd dat Bessemer aan royalty’s voor het gebruik van zijn proces een bedrag ontving van meer dan een miljoen pond sterling. Tegen 1870 werd Bessemer-staal op grote schaal gebruikt voor scheepsplaten. In de jaren 1850 werden de snelheid, het gewicht en de hoeveelheid van het spoorwegverkeer beperkt door de sterkte van de smeedijzeren rails die werden gebruikt. De oplossing was over te schakelen op stalen rails, waarvan de prijs dankzij het Bessemer-procédé concurrerend werd. De ervaring leerde al snel dat staal veel sterker en duurzamer was en de zwaardere en snellere locomotieven en wagons aankon.

Hoewel Mushet niets ontving, was hij in 1866 berooid en had hij een slechte gezondheid. In dat jaar reisde zijn 16-jarige dochter, Mary, alleen naar Londen om Bessemer in zijn kantoor te confronteren met het argument dat zijn succes gebaseerd was op de resultaten van haar vaders werk. Bessemer besloot Mushet een jaarlijks pensioen van £300 te betalen, een zeer aanzienlijk bedrag, wat hij meer dan 20 jaar lang deed, mogelijk om de Mushets van gerechtelijke stappen te vrijwaren.

Na 1890 werd het Bessemer-proces geleidelijk verdrongen door de productie van staal met open haard. Sir Carl Wilhelm Siemens ontwikkelde de Siemens regeneratieve oven in de jaren 1850 en beweerde in 1857 genoeg warmte terug te winnen om 70-80% van de brandstof te besparen. Deze oven werkte bij een hoge temperatuur door gebruik te maken van regeneratieve voorverwarming van brandstof en lucht voor de verbranding. Bij regeneratieve voorverwarming worden de uitlaatgassen van de oven in een kamer met bakstenen gepompt, waar de warmte van de gassen wordt overgedragen op de bakstenen. De stroming van de oven wordt vervolgens omgekeerd, zodat brandstof en lucht door de kamer gaan en door de stenen worden verwarmd. Door deze methode kan een open-haardoven temperaturen bereiken die hoog genoeg zijn om staal te smelten, maar Siemens gebruikte de oven aanvankelijk niet voor dat doel. In 1865 nam de Franse ingenieur Pierre-Émile Martin een licentie van Siemens en paste voor het eerst zijn regeneratieve oven toe voor het maken van staal. De meest aansprekende eigenschap van de Siemens regeneratieve oven is de snelle productie van grote hoeveelheden basisstaal, dat bijvoorbeeld wordt gebruikt voor de bouw van hoogbouw.

Siemens-oven uit 1895

Het meest aansprekende kenmerk van de Siemens-regeneratieve oven was de snelle productie van grote hoeveelheden basisstaal, dat bijvoorbeeld werd gebruikt voor de bouw van hoogbouw. Door de methode van Siemens kon een open-haardoven temperaturen bereiken die hoog genoeg waren om staal te smelten, maar Siemens gebruikte hem daar aanvankelijk niet voor. Het was Martin die de regeneratieve oven voor het eerst toepaste voor het maken van staal.

Het Siemens-Martin proces vulde het Bessemer proces aan in plaats van het te vervangen. Het was langzamer en dus gemakkelijker te controleren. Het maakte ook het smelten en raffineren van grote hoeveelheden schrootstaal mogelijk, waardoor de staalproductiekosten verder daalden en een anders zo lastig afvalmateriaal werd gerecycled. Het grootste nadeel was en is nog steeds dat het smelten en raffineren van een lading verscheidene uren in beslag neemt. Bovendien was en is de werkomgeving rond een open-haardoven uiterst gevaarlijk.

Het Siemens-Martin-procédé werd aan het begin van de 20e eeuw het belangrijkste staalproductieprocédé. De beschikbaarheid van goedkoop staal maakte grotere bruggen, spoorwegen, wolkenkrabbers en schepen mogelijk. 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.