Istoria civilizației occidentale II

admin

25.4.3: Producția de oțel

Înainte de 1860, oțelul era scump și produs în cantități mici, dar dezvoltarea tehnicii oțelului în creuzet de către Benjamin Huntsman în anii 1740, a procedeului Bessemer în anii 1850 și a procedeului Siemens-Martin în anii 1850-1860 a dus la producția de masă a oțelului, unul dintre progresele cheie care au stat la baza celei de-a doua revoluții industriale.

Obiectiv de învățare

Postulați efectele îmbunătățirii producției de oțel asupra progresului industriei.

Puncte cheie

  • Oțelul este un aliaj de fier și alte elemente, în principal carbon, care este utilizat pe scară largă în construcții și în alte aplicații datorită rezistenței sale ridicate la tracțiune și a costului scăzut. Metalul de bază al oțelului este fierul. A fost produs pentru prima dată în antichitate, dar cu două decenii înainte de Revoluția Industrială a fost făcută o îmbunătățire în producția de oțel, care la acea vreme era o marfă scumpă folosită doar acolo unde fierul nu ar fi fost suficient.
  • Benjamin Huntsman a dezvoltat tehnica oțelului în creuzet în anii 1740. El a reușit să producă oțel turnat în mod satisfăcător în creuzete cu vase de lut, fiecare conținând aproximativ 34 de kilograme de oțel blister. Se adăuga un fondant, iar acestea erau acoperite și încălzite cu cocs timp de aproximativ trei ore. Oțelul topit era apoi turnat în matrițe, iar creuzetele erau refolosite. Pentru o lungă perioadă de timp, Huntsman și-a exportat întreaga producție în Franța, deoarece producătorii locali refuzau să lucreze cu oțel mai tare decât cel pe care îl foloseau deja.
  • Oțelul este adesea citat ca fiind primul dintre cele câteva domenii noi de producție industrială în masă care caracterizează cea de-a doua revoluție industrială. Înainte de aproximativ 1860, oțelul era încă un produs scump. Problema producerii în masă a oțelului ieftin a fost rezolvată în 1855 de către Henry Bessemer, odată cu introducerea convertorului Bessemer în oțelăria sa din Sheffield, Anglia. Experimentele ulterioare ale lui Göran Fredrik Göransson și Robert Forester Mushet i-au permis lui Bessemer să perfecționeze ceea ce avea să fie cunoscut sub numele de procesul Bessemer.
  • Deși inițial Bessemer a întâmpinat respingeri și a fost forțat să se ocupe el însuși de exploatarea procesului său, în cele din urmă au fost solicitate licențe în număr atât de mare încât Bessemer a primit redevențe de peste un milion de lire sterline. Până în 1870, oțelul Bessemer era utilizat pe scară largă pentru tablă de navă. Procedeul Bessemer a făcut, de asemenea, ca oțelul feroviar să fie competitiv în ceea ce privește prețul. Experiența a demonstrat rapid că oțelul avea o rezistență și o durabilitate mult mai mari și putea face față motoarelor și vagoanelor mai grele și mai rapide.
  • După 1890, procesul Bessemer a fost înlocuit treptat de fabricarea oțelului în câmp deschis. Carl Wilhelm Siemens a dezvoltat cuptorul regenerativ Siemens în anii 1850. Acest cuptor funcționa la o temperatură ridicată prin utilizarea preîncălzirii regenerative a combustibilului și a aerului pentru ardere. În 1865, Pierre-Émile Martin a luat o licență de la Siemens și a aplicat cuptorul său regenerativ pentru fabricarea oțelului. Procesul Siemens-Martin era mai lent și, prin urmare, mai ușor de controlat. De asemenea, a permis topirea și rafinarea unor cantități mari de deșeuri de oțel, reducând și mai mult costurile de producție a oțelului și reciclând un material rezidual altfel supărător.
  • Procesul Siemens-Martin a devenit principalul proces de fabricare a oțelului până la începutul secolului XX. Disponibilitatea oțelului ieftin a permis construirea unor poduri, căi ferate, zgârie-nori și nave mai mari. Alte produse siderurgice importante au fost cablurile de oțel, tija de oțel și tabla de oțel, care au permis cazane mari, de înaltă presiune și oțel de înaltă rezistență la tracțiune pentru mașini. Echipamentul militar s-a îmbunătățit, de asemenea, în mod semnificativ.

Termeni cheie

A doua revoluție industrială O fază de industrializare rapidă în ultima treime a secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, cunoscută și sub numele de Revoluția tehnologică. Deși o serie de evenimente caracteristice acesteia pot fi atribuite unor inovații anterioare în domeniul producției, cum ar fi înființarea unei industrii a mașinilor-unelte, dezvoltarea metodelor de fabricare a pieselor interschimbabile și inventarea procedeului Bessemer, ea este, în general, datată între 1870 și 1914, până la începutul Primului Război Mondial. Procedeu Bessemer Primul procedeu industrial ieftin de producere în masă a oțelului din fontă brută topită, înainte de dezvoltarea cuptorului cu vatră deschisă. Principiul cheie este îndepărtarea impurităților din fier prin oxidare cu ajutorul aerului suflat prin fierul topit. De asemenea, oxidarea crește temperatura masei de fier și o menține topită. oțel în creuzet Termen care se aplică oțelului fabricat prin două metode diferite în epoca modernă și produs în diferite locuri de-a lungul istoriei. Se obține prin topirea fierului și a altor materiale. A fost produs în Asia Centrală și de Sud în epoca medievală, dar tehnicile de producere a oțelului de înaltă calitate au fost dezvoltate de Benjamin Huntsman în Anglia în secolul al XVIII-lea. Cu toate acestea, procedeul lui Huntsman folosea fierul și oțelul ca materii prime și nu o conversie directă din fontă, ca în cazul procedeului Bessemer de mai târziu. Structura cristalină omogenă a acestui oțel turnat i-a îmbunătățit rezistența și duritatea în comparație cu formele anterioare de oțel. cementare Tehnologie învechită de fabricare a oțelului prin carburare a fierului. Spre deosebire de fabricarea modernă a oțelului, aceasta creștea cantitatea de carbon din fier. Se pare că a fost dezvoltată înainte de secolul al XVII-lea. Furnalul de oțel Derwentcote, construit în 1720, este cel mai vechi exemplu care a supraviețuit al unui cuptor care folosea această tehnologie. carburare Un proces de tratament termic în care fierul sau oțelul absoarbe carbonul în timp ce metalul este încălzit în prezența unui material care conține carbon, cum ar fi cărbunele sau monoxidul de carbon. Intenția este de a face metalul mai dur. Spre deosebire de fabricarea modernă a oțelului, procesul a crescut cantitatea de carbon din fier.

Oțelul este un aliaj de fier și alte elemente, în principal carbon, care este utilizat pe scară largă în construcții și în alte aplicații datorită rezistenței sale ridicate la tracțiune și a costului redus. Metalul de bază al oțelului este fierul, care este capabil să ia două forme cristaline, cubică centrată pe corp (BCC) și cubică centrată pe față (FCC), în funcție de temperatura sa. Interacțiunea acestor alotropii cu elementele de aliere, în primul rând cu carbonul, este cea care conferă oțelului și fontei gama lor de proprietăți unice. În aranjamentul BCC, există un atom de fier în centrul fiecărui cub, iar în FCC, există unul în centrul fiecăreia dintre cele șase fețe ale cubului. Carbonul, alte elemente și incluziunile din fier acționează ca agenți de întărire care împiedică mișcarea dislocațiilor care, în caz contrar, apar în rețelele cristaline ale atomilor de fier.

Oțelul (cu un conținut de carbon mai mic decât fonta, dar mai mare decât fierul forjat) a fost produs pentru prima dată în antichitate, dar cu două decenii înainte de Revoluția Industrială a fost făcută o îmbunătățire în producția de oțel, care la acea vreme era o marfă scumpă, folosită doar acolo unde fierul nu ar fi fost suficient, cum ar fi pentru unelte ascuțite și pentru arcuri. Benjamin Huntsman a dezvoltat tehnica oțelului în creuzet în anii 1740. După numeroase experimente, Huntsman a reușit să producă oțel turnat satisfăcător în creuzete din vase de lut, fiecare conținând aproximativ 34 de kilograme de oțel blister. Se adăuga un fondant, iar acestea erau acoperite și încălzite cu cocs timp de aproximativ trei ore. Oțelul topit era apoi turnat în matrițe, iar creuzetele erau refolosite. Producătorii locali de tacâmuri au refuzat să cumpere oțelul turnat de Huntsman, deoarece era mai dur decât oțelul german pe care erau obișnuiți să îl folosească. Pentru o lungă perioadă de timp, Huntsman și-a exportat întreaga producție în Franța. Oțelul blister utilizat de Huntsman ca materie primă era obținut prin procesul de cementare sau prin carburare a fierului. Carburizarea este un proces de tratament termic, în care fierul sau oțelul absoarbe carbonul în timp ce metalul este încălzit în prezența unui material care conține carbon, cum ar fi cărbunele sau monoxidul de carbon. Intenția este de a face metalul mai dur. Spre deosebire de fabricarea modernă a oțelului, procesul creștea cantitatea de carbon din fier.

Secunda revoluție industrială

Oțelul este adesea citat ca fiind primul dintre cele câteva domenii noi de producție industrială în masă care caracterizează a doua revoluție industrială care începe în jurul anului 1850, deși o metodă de fabricare în masă a oțelului nu a fost inventată până în anii 1860 și a devenit disponibilă pe scară largă în anii 1870, după ce procesul a fost modificat pentru a produce o calitate mai uniformă.

Până în jurul anului 1860, oțelul era un produs scump, fabricat în cantități mici și folosit mai ales pentru săbii, unelte și tacâmuri. Toate structurile metalice mari erau realizate din fier forjat sau turnat. Problema producerii în masă a oțelului ieftin a fost rezolvată în 1855 de Henry Bessemer, odată cu introducerea convertorului Bessemer în oțelăria sa din Sheffield, Anglia. În procesul Bessemer, fonta topită din furnal era încărcată într-un creuzet mare, iar aerul era suflat prin fierul topit de jos, aprinzând carbonul dizolvat din cocs. Pe măsură ce carbonul ardea, punctul de topire al amestecului creștea, dar căldura rezultată din arderea carbonului furniza energia suplimentară necesară pentru a menține amestecul topit. După ce conținutul de carbon din topitură a scăzut la nivelul dorit, curentul de aer a fost întrerupt. Un convertor Bessemer tipic putea transforma un lot de 25 de tone de fontă brută în oțel în jumătate de oră. Bessemer a demonstrat procesul în 1856 și a avut o operațiune de succes până în 1864.

Convertorul Bessemer, tipăritură publicată în 1867 în Marea Britanie.

Deși procedeul Bessemer nu mai este utilizat comercial, la momentul inventării sale a avut o importanță industrială enormă, deoarece a redus costul de producție al oțelului, ceea ce a dus la înlocuirea pe scară largă a fontei cu oțel.Atenția lui Bessemer a fost atrasă de problema fabricării oțelului în încercarea de a îmbunătăți construcția tunurilor.

Bessemer a licențiat brevetul pentru procedeul său către cinci manufacturieri de fier, dar, încă de la început, companiile au avut mari dificultăți în a produce oțel de bună calitate. Göran Fredrik Göransson, un fierar suedez, folosind fonta mai pură cu cărbune de lemn din acea țară, a fost primul care a reușit să producă oțel bun prin acest procedeu, dar numai după multe încercări. Rezultatele sale l-au determinat pe Bessemer să încerce un fier mai pur obținut din hematite din Cumberland, dar nu a avut decât un succes limitat, deoarece cantitatea de carbon era greu de controlat. Robert Forester Mushet, după mii de experimente la Darkhill Ironworks, a demonstrat că cantitatea de carbon poate fi controlată prin îndepărtarea aproape în totalitate a acestuia din fier și apoi prin adăugarea unei cantități exacte de carbon și mangan sub formă de spiegeleisen (un aliaj de ferromangan). Acest lucru a îmbunătățit calitatea produsului finit și a sporit maleabilitatea acestuia.

Când Bessemer a încercat să-i determine pe fabricanți să adopte sistemul său îmbunătățit, s-a lovit de refuzuri generale și, în cele din urmă, a fost determinat să întreprindă el însuși exploatarea procesului. El a ridicat oțelării în Sheffield într-un parteneriat de afaceri cu alții, cum ar fi W & J Galloway & Sons, și a început să producă oțel. La început, producția a fost nesemnificativă, dar, treptat, amploarea operațiunii a fost extinsă până când concurența a devenit efectivă, iar comercianții de oțel au devenit conștienți de faptul că firma lui Henry Bessemer & Co. îi vindea mai ieftin cu 10-15 lire sterline pe tonă. Acest argument la buzunar și-a făcut repede efectul, iar licențele au fost solicitate în număr atât de mare încât, din redevențele pentru utilizarea procedeului său, Bessemer a primit o sumă care a depășit considerabil un milion de lire sterline. Până în 1870, oțelul Bessemer era utilizat pe scară largă pentru tablă pentru nave. În anii 1850, viteza, greutatea și cantitatea traficului feroviar erau limitate de rezistența șinelor de fier forjat utilizate. Soluția a fost trecerea la șine din oțel, pe care procesul Bessemer le-a făcut competitive din punct de vedere al prețului. Experiența a dovedit rapid că oțelul avea o rezistență și o durabilitate mult mai mari și putea face față motoarelor și vagoanelor mai grele și mai rapide.

Cu toate acestea, Mushet nu a primit nimic, iar până în 1866 era sărac și cu probleme de sănătate. În acel an, fiica sa în vârstă de 16 ani, Mary, a călătorit singură la Londra pentru a-l confrunta pe Bessemer la birourile sale, argumentând că succesul său se baza pe rezultatele muncii tatălui său. Bessemer a decis să-i plătească lui Mushet o pensie anuală de 300 de lire sterline, o sumă foarte considerabilă, lucru pe care l-a făcut timp de peste 20 de ani, probabil pentru a-i feri pe soții Mushet de o acțiune în justiție.

După 1890, procedeul Bessemer a fost suplinit treptat de fabricarea oțelului în foc deschis. Sir Carl Wilhelm Siemens a dezvoltat cuptorul regenerativ Siemens în anii 1850 și a susținut în 1857 că recuperează suficientă căldură pentru a economisi 70-80% din combustibil. Acest cuptor funcționa la o temperatură ridicată prin utilizarea preîncălzirii regenerative a combustibilului și a aerului pentru ardere. În cazul preîncălzirii regenerative, gazele de evacuare din cuptor sunt pompate într-o cameră care conține cărămizi, unde căldura este transferată de la gaze la cărămizi. Fluxul cuptorului este apoi inversat, astfel încât combustibilul și aerul să treacă prin cameră și să fie încălzite de cărămizi. Prin această metodă, un cuptor cu foc deschis poate atinge temperaturi suficient de ridicate pentru a topi oțelul, dar Siemens nu l-a folosit inițial în acest scop. În 1865, inginerul francez Pierre-Émile Martin a luat o licență de la Siemens și a aplicat pentru prima dată cuptorul său regenerativ pentru fabricarea oțelului. Caracteristica cea mai atrăgătoare a cuptorului regenerativ Siemens este producția rapidă de cantități mari de oțel de bază, utilizat, de exemplu, pentru construirea de clădiri înalte.

Furnalul Siemens din 1895

Caracteristica cea mai atrăgătoare a cuptorului regenerativ Siemens a fost producția rapidă de cantități mari de oțel de bază, folosit, de exemplu, pentru construirea de clădiri înalte. Prin metoda Siemens, un cuptor cu foc deschis putea atinge temperaturi suficient de ridicate pentru a topi oțelul, dar Siemens nu l-a folosit inițial pentru acest lucru. Martin a fost cel care a aplicat pentru prima dată cuptorul regenerativ pentru fabricarea oțelului.

Procesul Siemens-Martin a completat mai degrabă decât a înlocuit procesul Bessemer. A fost mai lent și, prin urmare, mai ușor de controlat. De asemenea, a permis topirea și rafinarea unor cantități mari de deșeuri de oțel, reducând și mai mult costurile de producție a oțelului și reciclând un material rezidual altfel problematic. Cel mai mare dezavantaj al său a fost și rămâne faptul că topirea și rafinarea unei încărcături durează mai multe ore. În plus, mediul de lucru din jurul unui cuptor cu vatră deschisă era și rămâne extrem de periculos.

Procesul Siemens-Martin a devenit principalul proces de fabricare a oțelului la începutul secolului XX. Disponibilitatea oțelului ieftin a permis construirea unor poduri, căi ferate, zgârie-nori și nave mai mari. 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.