A nyugati civilizáció története II

admin

25.4.3: Az acélgyártás

Az 1860-as évek előtt az acél drága volt és kis mennyiségben állították elő, de az 1740-es években Benjamin Huntsman által kifejlesztett tégelyes acéltechnika,az 1850-es években a Bessemer-eljárás és az 1850-1860-as években a Siemens-Martin eljárás az acél tömeggyártását eredményezte, ami a második ipari forradalom egyik legfontosabb előrelépése volt.

Tanulási cél

Posztulálja a jobb acélgyártás hatását az ipar fejlődésére.

Főbb pontok

  • Az acél vas és más elemek, elsősorban szén ötvözete, amelyet nagy szakítószilárdsága és alacsony ára miatt széles körben használnak az építőiparban és más alkalmazásokban. Az acél alapfémje a vas. Először az ókorban állították elő, de az ipari forradalom előtt két évtizeddel történt előrelépés az acél előállításában, amely akkoriban drága árucikk volt, és csak ott használták, ahol a vas nem volt megfelelő.
  • Benjamin Huntsman az 1740-es években fejlesztette ki tégelyacél-technikáját. Megfelelő öntött acélt tudott készíteni agyagedényes tégelyekben, amelyek egyenként körülbelül 34 fontnyi hólyagos acélt tartalmaztak. Fluxust adtak hozzá, majd ezeket lefedték és kokszal körülbelül három órán át hevítették. Az olvadt acélt ezután öntőformákba öntötték, és a tégelyeket újra felhasználták. Huntsman sokáig a teljes termelését Franciaországba exportálta, mivel a helyi gyártók nem voltak hajlandók a már meglévőnél keményebb acéllal dolgozni.
  • Az acélt gyakran említik az ipari tömegtermelés számos új területe közül az elsőnek, amely a második ipari forradalmat jellemezte. Körülbelül 1860 előtt az acél még drága termék volt. Az olcsó acél tömegtermelésének problémáját Henry Bessemer 1855-ben oldotta meg a Bessemer-konverter bevezetésével az angliai Sheffieldben található acélgyárában. Göran Fredrik Göransson és Robert Forester Mushet további kísérletei lehetővé tették Bessemer számára, hogy tökéletesítse a Bessemer-eljárás néven ismert eljárást.
  • Noha Bessemer kezdetben elutasításba ütközött, és kénytelen volt maga vállalni az eljárása hasznosítását, végül olyan nagy számban kértek engedélyeket, hogy Bessemer egymillió font sterlinget meghaladó jogdíjat kapott. 1870-re a Bessemer-acélt széles körben használták hajólemezek gyártására. A Bessemer-eljárás az acélvasakat is versenyképes árúvá tette. A tapasztalatok gyorsan bebizonyították, hogy az acél sokkal nagyobb szilárdsággal és tartóssággal rendelkezett, és elbírta a nehezebb és gyorsabb mozdonyokat és kocsikat.
  • 1890 után a Bessemer-eljárást fokozatosan kiszorította a szabadkéményes acélgyártás. Carl Wilhelm Siemens az 1850-es években fejlesztette ki a Siemens regeneratív kohót. Ez a kemence magas hőmérsékleten működött a tüzelőanyag és a levegő regeneratív előmelegítésével az égetéshez. 1865-ben Pierre-Émile Martin licencet vett Siemens-től, és regeneratív kemencéjét acélgyártásra alkalmazta. A Siemens-Martin-féle eljárás lassabb és így könnyebben ellenőrizhető volt. Emellett lehetővé tette nagy mennyiségű acélhulladék megolvasztását és finomítását, ami tovább csökkentette az acélgyártás költségeit, és újrahasznosította az egyébként problémás hulladékanyagot.
  • A Siemens-Martin-eljárás a 20. század elejére a vezető acélgyártási eljárássá vált. Az olcsó acél elérhetősége nagyobb hidakat, vasutakat, felhőkarcolókat és hajókat tett lehetővé. További fontos acéltermékek voltak az acélkábel, az acélrúd és az acéllemez, amelyek lehetővé tették a nagy, nagynyomású kazánok és a gépekhez használt nagy szakítószilárdságú acél használatát. A katonai felszerelések is jelentősen fejlődtek.

Főbb fogalmak

Második ipari forradalom A gyors iparosodás szakasza a 19. század utolsó harmadában és a 20. század elején, amelyet technológiai forradalomnak is neveznek. Bár számos jellemző eseménye korábbi gyártási innovációkhoz köthető, mint például a szerszámgépipar megteremtése, a cserélhető alkatrészek gyártására szolgáló módszerek kifejlesztése és a Bessemer-eljárás feltalálása, általában 1870 és 1914 közé, az I. világháború kezdetéig datálják. Bessemer-eljárás Az első olcsó ipari eljárás az acél olvasztott nyersvasból történő tömeges előállítására a nyitott kemencés kemence kifejlesztése előtt. Alapelve a szennyeződések eltávolítása a vasból az olvadt vason keresztül fújt levegővel történő oxidációval. Az oxidáció a vastömeg hőmérsékletét is megemeli és olvasztva tartja. tégelyacél A modern korban két különböző módszerrel előállított acélra vonatkozó kifejezés, amelyet a történelem során változó helyeken gyártottak. Vas és más anyagok megolvasztásával készül. A középkorban Dél- és Közép-Ázsiában állították elő, de a jó minőségű acél előállításának technikáit Benjamin Huntsman fejlesztette ki Angliában a 18. században. Huntsman eljárása azonban vasat és acélt használt nyersanyagként, nem pedig öntöttvasból történő közvetlen átalakítást, mint a későbbi Bessemer-eljárás. Ennek az öntött acélnak a homogén kristályszerkezete javította a szilárdságát és keménységét a korábbi acélformákhoz képest. cementálás A vas karburálásával történő acélgyártás elavult technológiája. A modern acélgyártással ellentétben növelte a vasban lévő szén mennyiségét. Nyilvánvalóan a 17. század előtt fejlesztették ki. Az 1720-ban épült Derwentcote acélkemencéje a legkorábbi fennmaradt példája az ezt a technológiát alkalmazó kemencének. karburálás Hőkezelési eljárás, amelynek során a vas vagy acél szenet vesz fel, miközben a fémet széntartalmú anyag, például faszén vagy szén-monoxid jelenlétében melegítik. A cél a fém keményebbé tétele. A modern acélgyártással ellentétben az eljárás megnövelte a vasban lévő szén mennyiségét.

Az acél vas és más elemek, elsősorban szén ötvözete, amelyet nagy szakítószilárdsága és alacsony ára miatt széles körben használnak az építőiparban és más alkalmazásokban. Az acél alapfémje a vas, amely a hőmérséklettől függően két kristályos formát, a testközpontú köbös (BCC) és az arcközpontú köbös (FCC) formát képes felvenni. Ezeknek az allotrópoknak a kölcsönhatása az ötvözőelemekkel, elsősorban a szénnel, adja az acél és az öntöttvas egyedi tulajdonságait. A BCC elrendezésben minden kocka közepén egy vasatom található, az FCC elrendezésben pedig a kocka mind a hat oldalának közepén. A vasban lévő szén, más elemek és zárványok keményítőanyagként hatnak, amelyek megakadályozzák a vasatomok kristályrácsaiban egyébként fellépő diszlokációk mozgását.

Az acélt (amelynek széntartalma alacsonyabb, mint a nyersvasé, de magasabb, mint a kovácsoltvasé) először az ókorban állították elő, de két évtizeddel az ipari forradalom előtt előrelépés történt az acél előállításában, amely akkoriban drága árucikk volt, és csak ott használták, ahol a vas nem volt megfelelő, például vágószerszámokhoz és rugókhoz. Benjamin Huntsman az 1740-es években fejlesztette ki a tégelyacél-technikát. Számos kísérlet után Huntsman képes volt kielégítően öntött acélt készíteni agyagedényes tégelyekben, amelyek egyenként körülbelül 34 fontnyi hólyagos acélt tartalmaztak. Fluxust adtak hozzá, majd lefedték és kokszal körülbelül három órán át hevítették őket. Az olvadt acélt ezután öntőformákba öntötték, és a tégelyeket újra felhasználták. A helyi evőeszközgyártók nem voltak hajlandók megvásárolni a Huntsman öntött acélját, mivel az keményebb volt, mint az általuk megszokott német acél. Huntsman sokáig a teljes termelését Franciaországba exportálta. A Huntsman által nyersanyagként használt hólyagos acél cementálási eljárással vagy a vas karburálásával készült. A karburálás olyan hőkezelési eljárás, amelynek során a vas vagy acél szenet vesz fel, miközben a fémet széntartalmú anyag, például faszén vagy szén-monoxid jelenlétében hevítik. A cél a fém keményebbé tétele. A modern acélgyártással ellentétben ez az eljárás megnövelte a vasban lévő szén mennyiségét.

Második ipari forradalom

Az acélt gyakran említik az ipari tömegtermelés számos új területe közül az elsőnek, amely az 1850 körül kezdődő második ipari forradalmat jellemezte, bár az acél tömeggyártására szolgáló módszert csak az 1860-as években találták fel, és az 1870-es években vált széles körben elérhetővé, miután az eljárást az egyenletesebb minőség előállítása érdekében módosították.

Az acél körülbelül 1860 előtt drága termék volt, kis mennyiségben készült, és főként kardokhoz, szerszámokhoz és evőeszközökhöz használták. Minden nagyobb fémszerkezet kovácsolt vagy öntött vasból készült. Az olcsó acél tömeges előállításának problémáját Henry Bessemer 1855-ben oldotta meg a Bessemer-konverter bevezetésével az angliai Sheffieldben található acélgyárában. A Bessemer-eljárásban a kohóból származó olvadt nyersvasat egy nagy tégelybe töltötték, majd alulról levegőt fújtak az olvadt vasba, amely meggyújtotta a kokszban oldott szenet. Ahogy a szén elégett, a keverék olvadáspontja megemelkedett, de az égő szénből származó hő biztosította a keverék olvasztásához szükséges többletenergiát. Miután az olvadék széntartalma a kívánt szintre csökkent, a légszállítást leállították. Egy tipikus Bessemer-konverter egy 25 tonnás nyersvas-tételt fél óra alatt tudott acéllá alakítani. Bessemer 1856-ban mutatta be az eljárást, és 1864-re már sikeresen működött.

Bessemer-konverter, 1867-ben Nagy-Britanniában megjelent nyomtatvány.

Bár a Bessemer-eljárást ma már nem használják kereskedelmi forgalomban, feltalálása idején óriási ipari jelentőséggel bírt, mert csökkentette az acél előállítási költségeit, ami ahhoz vezetett, hogy az öntöttvasat széles körben acéllal helyettesítették.Bessemer figyelmét az acélgyártás problémájára az ágyúkonstrukció javítására tett kísérlete hívta fel.

Bessemer öt vasgyárosnak adta ki a szabadalmat az eljárására, de a vállalatoknak kezdettől fogva nagy nehézséget okozott a jó minőségű acél előállítása. Göran Fredrik Göransson svéd vasmester, aki az ottani tisztább szénnel készült nyersvasat használta, volt az első, aki jó acélt tudott készíteni az eljárással, de csak sokadik próbálkozás után. Eredményei arra késztették Bessemert, hogy megpróbálkozzon a cumberlandi hematitból nyert tisztább vassal, de csak korlátozott sikerrel járt, mert a szén mennyiségét nehéz volt szabályozni. Robert Forester Mushet a Darkhill vasgyárban végzett több ezer kísérlet után kimutatta, hogy a szén mennyisége szabályozható úgy, hogy a vasból szinte az egészet eltávolítják, majd pontos mennyiségű szenet és mangánt adnak hozzá spiegeleisen (ferromangán ötvözet) formájában. Ez javította a késztermék minőségét és növelte annak alakíthatóságát.

Amikor Bessemer megpróbálta rávenni a gyártókat, hogy vegyék át az általa továbbfejlesztett rendszert, általános elutasításba ütközött, és végül arra kényszerült, hogy maga vállalja az eljárás kiaknázását. Másokkal, például W & J Galloway & Sons társaságában acélgyárat épített Sheffieldben, és megkezdte az acélgyártást. A termelés eleinte jelentéktelen volt, de fokozatosan bővült az üzem nagyságrendje, mígnem a verseny hatékonnyá vált, és az acélkereskedők rádöbbentek, hogy a Henry Bessemer & Co. cég tonnánként 10-15 angol fonttal alákínál nekik. Ez a zsebbe vágó érv gyorsan megtette hatását, és olyan nagy számban kértek engedélyeket, hogy Bessemer az eljárása használatáért járó jogdíjakból egymillió font sterlinget jelentősen meghaladó összeget kapott. 1870-re a Bessemer-acélt széles körben használták hajólemezek gyártására. Az 1850-es évekre a vasúti közlekedés sebességét, súlyát és mennyiségét a használt kovácsoltvas sínek szilárdsága korlátozta. A megoldás az acélsínekre való áttérés volt, amelyeket a Bessemer-eljárás versenyképes árúvá tett. A tapasztalatok hamar bebizonyították, hogy az acél sokkal nagyobb szilárdsággal és tartóssággal rendelkezik, és képes volt kezelni a nehezebb és gyorsabb mozdonyokat és kocsikat.

Mushet azonban semmit sem kapott, és 1866-ra nincstelenné vált és megbetegedett. Ebben az évben 16 éves lánya, Mary egyedül utazott Londonba, hogy szembeszálljon Bessemerrel az irodájában, azzal érvelve, hogy az apja munkájának eredményeire alapozza sikerét. Bessemer úgy döntött, hogy évi 300 font nyugdíjat fizet Mushetnek, ami igen jelentős összeg volt, és ezt több mint 20 éven át tette, valószínűleg azért, hogy Mushetéket megóvja a pereskedéstől.

1890 után a Bessemer-eljárást fokozatosan kiszorította a nyílt kemencés acélgyártás. Sir Carl Wilhelm Siemens az 1850-es években fejlesztette ki a Siemens regeneratív kohót, és 1857-ben azt állította, hogy elég hőt nyer vissza ahhoz, hogy a tüzelőanyag 70-80%-át megtakarítsa. Ez a kemence magas hőmérsékleten működött a tüzelőanyag és a levegő regeneratív előmelegítésével az égetéshez. A regeneratív előmelegítés során a kemence kipufogógázait egy téglákat tartalmazó kamrába szivattyúzzák, ahol a gázokból a hő átkerül a téglákba. Ezután a kemence áramlását megfordítják, így a tüzelőanyag és a levegő áthalad a kamrán, és a téglák melegítik fel. Ezzel a módszerrel a nyitott kemencében elég magas hőmérsékletet lehet elérni az acél megolvasztásához, de a Siemens kezdetben nem erre használta. Pierre-Émile Martin francia mérnök 1865-ben licencet vett Siemens-től, és először alkalmazta regeneratív kemencéjét acél előállítására. A Siemens regeneratív kemencéjének legvonzóbb tulajdonsága a nagy mennyiségű alapacél gyors előállítása, amelyet például magasépületek építéséhez használnak.

Siemens kemence 1895-ből

A Siemens regeneratív kemence legvonzóbb tulajdonsága a nagy mennyiségű alapacél gyors előállítása volt, amelyet például magas épületek építésére használtak. A Siemens-módszer révén egy nyílt tüzelésű kemence elég magas hőmérsékletet tudott elérni az acél megolvasztásához, de Siemens kezdetben nem erre használta. Martin volt az, aki először alkalmazta a regeneratív kemencét acél előállítására.

A Siemens-Martin eljárás inkább kiegészítette, mint felváltotta a Bessemer-eljárást. Lassabb volt, és így könnyebb volt ellenőrizni. Emellett lehetővé tette nagy mennyiségű acélhulladék megolvasztását és finomítását, ami tovább csökkentette az acélgyártás költségeit, és újrahasznosította az egyébként problémás hulladékanyagot. Legnagyobb hátránya az volt és maradt, hogy egy töltet megolvasztása és finomítása több órát vesz igénybe. Ezenkívül a nyitott kemencék körüli munkakörnyezet rendkívül veszélyes volt és maradt.

A Siemens-Martin eljárás a 20. század elejére a vezető acélgyártási eljárássá vált. Az olcsó acél elérhetősége nagyobb hidakat, vasutakat, felhőkarcolókat és hajókat tett lehetővé. 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.