Historia Cywilizacji Zachodu II
25.4.3: Produkcja stali
Przed rokiem 1860 stal była droga i produkowana w małych ilościach, ale rozwój techniki stali tyglowej przez Benjamina Huntsmana w latach czterdziestych XVIII wieku, proces Bessemera w latach pięćdziesiątych XIX wieku i proces Siemensa-Martina w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XIX wieku doprowadziły do masowej produkcji stali, jednego z kluczowych osiągnięć drugiej rewolucji przemysłowej.
Cel nauczania
Postulować wpływ udoskonalonej produkcji stali na rozwój przemysłu.
Kluczowe punkty
- Stal jest stopem żelaza i innych pierwiastków, głównie węgla, który jest szeroko stosowany w budownictwie i innych zastosowaniach ze względu na wysoką wytrzymałość na rozciąganie i niski koszt. Metalem podstawowym stali jest żelazo. Po raz pierwszy została wyprodukowana w starożytności, ale dwie dekady przed rewolucją przemysłową dokonano ulepszeń w produkcji stali, która w tym czasie była drogim towarem używanym tylko tam, gdzie żelazo nie dawało rady.
- Benjamin Huntsman opracował technikę stali tyglowej w latach czterdziestych XVII wieku. Był w stanie wykonać zadowalający odlew stali w glinianych tyglach, z których każdy mieścił około 34 funtów stali blister. Do tygli dodawano topnik, a następnie przykrywano je i ogrzewano koksem przez około trzy godziny. Następnie roztopioną stal wlewano do form, a tygle ponownie wykorzystywano. Przez długi czas Huntsman eksportował całą swoją produkcję do Francji, ponieważ lokalni producenci odmawiali pracy ze stalą twardszą niż ta, której już używali.
- Stal jest często wymieniana jako pierwszy z kilku nowych obszarów masowej produkcji przemysłowej, które charakteryzują Drugą Rewolucję Przemysłową. Przed około 1860 r. stal była wciąż drogim produktem. Problem masowej produkcji taniej stali rozwiązał w 1855 roku Henry Bessemer, wprowadzając konwertor Bessemera w swojej hucie stali w Sheffield w Anglii. Dalsze eksperymenty prowadzone przez Görana Fredrika Göranssona i Roberta Forestera Musheta pozwoliły Bessemerowi udoskonalić to, co stało się znane jako proces Bessemera.
- Choć początkowo Bessemer spotkał się z odmową i był zmuszony samemu zająć się eksploatacją swojego procesu, w końcu o licencje zaczęto ubiegać się tak licznie, że Bessemer otrzymał tantiemy przekraczające milion funtów szterlingów. Do 1870 r. stal Bessemera była powszechnie stosowana do produkcji blach okrętowych. Proces Bessemera sprawił również, że stal kolejowa stała się konkurencyjna cenowo. Doświadczenie szybko dowiodło, że stal ma znacznie większą wytrzymałość i trwałość oraz może obsługiwać cięższe i szybsze silniki i wagony.
- Po 1890 r. proces Bessemera był stopniowo wypierany przez produkcję stali w otwartym piecu. W latach 50. XIX wieku Carl Wilhelm Siemens opracował piec regeneracyjny Siemensa. Piec ten pracował w wysokiej temperaturze dzięki regeneracyjnemu podgrzewaniu paliwa i powietrza do spalania. W 1865 r. Pierre-Émile Martin wykupił licencję od Siemensa i zastosował swój piec regeneracyjny do produkcji stali. Proces Siemensa-Martina był wolniejszy, a przez to łatwiejszy do kontrolowania. Umożliwił również wytop i rafinację dużych ilości złomu stalowego, co pozwoliło na dalsze obniżenie kosztów produkcji stali i recykling kłopotliwego materiału odpadowego.
- Proces Siemensa-Martina stał się wiodącym procesem produkcji stali na początku XX wieku. Dostępność taniej stali umożliwiła budowę większych mostów, linii kolejowych, drapaczy chmur i statków. Innymi ważnymi produktami stalowymi były stalowy kabel, stalowy pręt i blacha stalowa, które umożliwiły produkcję dużych kotłów wysokociśnieniowych oraz stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie do maszyn. Sprzęt wojskowy również uległ znacznej poprawie.
Kluczowe pojęcia
Druga rewolucja przemysłowa Faza gwałtownej industrializacji w końcowej trzeciej części XIX wieku i na początku XX, znana również jako rewolucja technologiczna. Chociaż wiele z jej charakterystycznych wydarzeń można przypisać wcześniejszym innowacjom w produkcji, takim jak powstanie przemysłu obrabiarkowego, rozwój metod produkcji części wymiennych oraz wynalezienie procesu Bessemera, jest ona zazwyczaj datowana na lata 1870-1914, aż do wybuchu I wojny światowej. Proces Bessemera Pierwszy niedrogi proces przemysłowy do masowej produkcji stali z roztopionej surówki przed rozwojem pieca z otwartym paleniskiem. Podstawową zasadą jest usuwanie zanieczyszczeń z żelaza poprzez utlenianie za pomocą powietrza przedmuchiwanego przez stopione żelazo. Utlenianie podnosi również temperaturę masy żelaza i utrzymuje ją w stanie stopionym. stal tyglowa Termin odnoszący się do stali wytwarzanej dwiema różnymi metodami w epoce nowożytnej i produkowanej w różnych miejscach na przestrzeni dziejów. Wytwarzana jest przez topienie żelaza i innych materiałów. Była produkowana w Azji Południowej i Środkowej w okresie średniowiecza, ale techniki produkcji wysokiej jakości stali zostały opracowane przez Benjamina Huntsmana w Anglii w XVIII wieku. Jednak proces Huntsmana wykorzystywał żelazo i stal jako surowce, a nie bezpośrednią konwersję z żeliwa, jak w późniejszym procesie Bessemera. Jednorodna struktura krystaliczna tego staliwa poprawiła jego wytrzymałość i twardość w porównaniu z poprzednimi formami stali. cementacja Przestarzała technologia wytwarzania stali poprzez nawęglanie żelaza. W przeciwieństwie do nowoczesnej produkcji stali, zwiększała ona ilość węgla w żelazie. Najwyraźniej została opracowana przed XVII wiekiem. Derwentcote Steel Furnace, zbudowany w 1720 r., jest najwcześniejszym zachowanym przykładem pieca wykorzystującego tę technologię. nawęglanie Proces obróbki cieplnej, w którym żelazo lub stal absorbuje węgiel, podczas gdy metal jest podgrzewany w obecności materiału zawierającego węgiel, takiego jak węgiel drzewny lub tlenek węgla. Celem tego procesu jest utwardzenie metalu. W przeciwieństwie do nowoczesnego wytwarzania stali, proces ten zwiększył ilość węgla w żelazie.
Stal to stop żelaza i innych pierwiastków, głównie węgla, który jest szeroko wykorzystywany w budownictwie i innych zastosowaniach ze względu na wysoką wytrzymałość na rozciąganie i niski koszt. Podstawowym metalem stali jest żelazo, które w zależności od temperatury może przybierać dwie formy krystaliczne, body-centered cubic (BCC) i face-centered cubic (FCC). To właśnie interakcja tych alotropów z pierwiastkami stopowymi, głównie z węglem, nadaje stali i żeliwu szereg unikalnych właściwości. W układzie BCC, w środku każdego sześcianu znajduje się atom żelaza, a w układzie FCC, w środku każdej z sześciu ścian sześcianu znajduje się jeden atom. Węgiel, inne pierwiastki i wtrącenia w żelazie działają jak środki utwardzające, które zapobiegają przemieszczaniu się dyslokacji, które w przeciwnym razie występują w siatkach krystalicznych atomów żelaza.
Stal (o niższej zawartości węgla niż surówka, ale wyższej niż żelazo kute) została po raz pierwszy wyprodukowana w starożytności, ale dwie dekady przed rewolucją przemysłową dokonano ulepszeń w produkcji stali, która w tym czasie była drogim towarem używanym tylko tam, gdzie żelazo nie dawało rady, np. w narzędziach tnących i sprężynach. W latach czterdziestych XVII wieku Benjamin Huntsman opracował technikę produkcji stali w tyglu. Po wielu eksperymentach Huntsman był w stanie wyprodukować zadowalającą ilość stali odlewanej w glinianych tyglach, z których każdy mieścił około 34 funtów stali blister. Do tygli dodawano topnik, a następnie przykrywano je i ogrzewano koksem przez około trzy godziny. Stopiona stal była następnie wlewana do form, a tygle były ponownie wykorzystywane. Lokalni producenci sztućców odmawiali kupowania stali Huntsmana, ponieważ była ona twardsza niż niemiecka stal, której byli przyzwyczajeni używać. Przez długi czas Huntsman eksportował całą swoją produkcję do Francji. Stal hutnicza stosowana przez Huntsmana jako surowiec była wytwarzana w procesie cementacji lub nawęglania żelaza. Nawęglanie to proces obróbki cieplnej, w którym żelazo lub stal absorbuje węgiel, podczas gdy metal jest podgrzewany w obecności materiału zawierającego węgiel, takiego jak węgiel drzewny lub tlenek węgla. Celem tego procesu jest uczynienie metalu twardszym. W przeciwieństwie do nowoczesnej produkcji stali, proces ten zwiększył ilość węgla w żelazie.
Druga rewolucja przemysłowa
Stal jest często wymieniana jako pierwszy z kilku nowych obszarów masowej produkcji przemysłowej, które charakteryzują Drugą Rewolucję Przemysłową rozpoczynającą się około 1850 roku, chociaż metoda masowej produkcji stali nie została wynaleziona aż do lat 60-tych XIX wieku i stała się powszechnie dostępna w latach 70-tych XIX wieku po zmodyfikowaniu procesu w celu uzyskania bardziej jednolitej jakości.
Przed rokiem 1860 stal była drogim produktem, wytwarzanym w małych ilościach i używanym głównie do produkcji mieczy, narzędzi i sztućców. Wszystkie duże konstrukcje metalowe były wykonywane z kutego lub żeliwnego żelaza. Problem masowej produkcji taniej stali został rozwiązany w 1855 r. przez Henry’ego Bessemera, który wprowadził konwertor Bessemera w swojej hucie stali w Sheffield w Anglii. W procesie Bessemera roztopiona surówka z wielkiego pieca była ładowana do dużego tygla, a przez roztopioną surówkę od spodu wdmuchiwano powietrze, które zapalało rozpuszczony węgiel z koksu. W miarę spalania się węgla temperatura topnienia mieszaniny wzrastała, ale ciepło pochodzące z palącego się węgla dostarczało dodatkowej energii potrzebnej do utrzymania mieszaniny w stanie stopionym. Gdy zawartość węgla w stopionej masie spadła do wymaganego poziomu, odcięto dopływ powietrza. Typowy konwertor Bessemera mógł przerobić 25-tonową partię surówki na stal w ciągu pół godziny. Bessemer zademonstrował ten proces w 1856 r., a w 1864 r. rozpoczął udaną działalność.
Konwerter Bessemera, druk opublikowany w 1867 r. w Wielkiej Brytanii.
Bessemer udzielił licencji na swój proces pięciu hutom żelaza, ale od początku firmy te miały duże trudności z produkcją dobrej jakości stali. Göran Fredrik Göransson, szwedzki mistrz hutniczy, używając czystszej surówki węglowej z tego kraju, jako pierwszy wytworzył dobrą stal w tym procesie, ale dopiero po wielu próbach. Jego wyniki skłoniły Bessemera do wypróbowania czystszej surówki otrzymywanej z hematytu Cumberland, ale odniósł tylko ograniczony sukces, ponieważ ilość węgla była trudna do kontrolowania. Robert Forester Mushet, po przeprowadzeniu tysięcy eksperymentów w Darkhill Ironworks, wykazał, że ilość węgla można kontrolować, usuwając go prawie w całości z żelaza, a następnie dodając dokładną ilość węgla i manganu w postaci spiegeleisenu (stopu ferromanganu). Poprawiło to jakość gotowego produktu i zwiększyło jego ciągliwość.
Gdy Bessemer próbował nakłonić producentów do zastosowania swojego ulepszonego systemu, spotkał się z ogólną odmową i w końcu został zmuszony do samodzielnego podjęcia się eksploatacji procesu. Wybudował hutę stali w Sheffield w ramach spółki z innymi, takimi jak W & J Galloway & Sons, i rozpoczął produkcję stali. Początkowo produkcja była niewielka, ale stopniowo zwiększano skalę działalności, aż konkurencja stała się skuteczna i handlarze stali zdali sobie sprawę, że firma Henry’ego Bessemera & Co. zaniża ich ceny do poziomu 10-15 funtów za tonę. Ten argument do kieszeni szybko odniósł skutek, a o licencje występowano tak licznie, że Bessemer otrzymał z tytułu opłat licencyjnych za stosowanie jego procesu sumę znacznie przekraczającą milion funtów szterlingów. Do 1870 r. stal Bessemera była powszechnie używana do produkcji blach okrętowych. W latach pięćdziesiątych XIX wieku prędkość, ciężar i natężenie ruchu kolejowego były ograniczone wytrzymałością stosowanych szyn z kutego żelaza. Rozwiązaniem było zastosowanie szyn stalowych, które dzięki procesowi Bessemera stały się konkurencyjne cenowo. Doświadczenie szybko udowodniło, że stal ma znacznie większą wytrzymałość i trwałość i może obsługiwać cięższe i szybsze silniki i samochody.
Jednakże Mushet nie otrzymał nic i do 1866 roku był bez środków do życia i w złym stanie zdrowia. W tym samym roku jego 16-letnia córka, Mary, pojechała sama do Londynu, aby skonfrontować się z Bessemerem w jego biurze, argumentując, że jego sukces opierał się na wynikach pracy jej ojca. Bessemer zdecydował się wypłacać Mushetowi roczną rentę w wysokości 300 funtów, co było bardzo znaczącą sumą, którą wypłacał przez ponad 20 lat, prawdopodobnie po to, by uchronić Mushetów przed pozwami sądowymi.
Po 1890 roku proces Bessemera był stopniowo wypierany przez produkcję stali w otwartym piecu. W latach 50. XIX wieku Sir Carl Wilhelm Siemens opracował piec regeneracyjny Siemensa, który w 1857 roku twierdził, że odzyskuje wystarczająco dużo ciepła, by zaoszczędzić 70-80% paliwa. Piec ten pracował w wysokiej temperaturze dzięki zastosowaniu regeneracyjnego podgrzewania wstępnego paliwa i powietrza do spalania. W regeneracyjnym podgrzewaniu wstępnym, spaliny z pieca są pompowane do komory zawierającej cegły, gdzie ciepło jest przekazywane z gazów do cegieł. Następnie przepływ w piecu zostaje odwrócony, tak że paliwo i powietrze przechodzą przez komorę i są ogrzewane przez cegły. Dzięki tej metodzie piec martenowski może osiągnąć temperaturę wystarczająco wysoką do topienia stali, ale Siemens początkowo nie wykorzystywał go do tego celu. W 1865 r. francuski inżynier Pierre-Émile Martin wykupił licencję od Siemensa i po raz pierwszy zastosował swój piec regeneracyjny do produkcji stali. Najbardziej atrakcyjną cechą pieca regeneracyjnego Siemensa jest szybka produkcja dużych ilości stali podstawowej, wykorzystywanej na przykład do wznoszenia wieżowców.
Piec Siemensa z 1895 r.
Proces Siemensa-Martina raczej uzupełniał niż zastępował proces Bessemera. Był wolniejszy, a przez to łatwiejszy do kontrolowania. Umożliwił również wytop i rafinację dużych ilości złomu stalowego, co pozwoliło na dalsze obniżenie kosztów produkcji stali i recykling kłopotliwego materiału odpadowego. Jej najgorszą wadą było i jest to, że wytop i rafinacja wsadu trwa kilka godzin. Co więcej, środowisko pracy wokół pieca z otwartym paleniskiem było i pozostaje niezwykle niebezpieczne.
Proces Siemens-Martin stał się wiodącym procesem produkcji stali na początku XX wieku. Dostępność taniej stali umożliwiła budowę większych mostów, linii kolejowych, drapaczy chmur i statków. 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.
-