Den västerländska civilisationens historia II

admin

25.4.3: Stålproduktion

För 1860 var stål dyrt och producerades i små mängder, men utvecklingen av degelståletekniken av Benjamin Huntsman på 1740-talet, Bessemer-processen på 1850-talet och Siemens-Martin-processen på 1850-1860-talet resulterade i massproduktion av stål, ett av de viktigaste framstegen bakom den andra industriella revolutionen.

Lärandemål

Postulera effekterna av förbättrad stålproduktion på industrins utveckling.

Nyckelpunkter

  • Stahl är en legering av järn och andra grundämnen, främst kol, som används i stor utsträckning inom byggbranschen och andra tillämpningar på grund av sin höga draghållfasthet och låga kostnad. Stålets basmetall är järn. Det tillverkades först under antiken, men två decennier före den industriella revolutionen gjordes en förbättring av tillverkningen av stål, som vid den tiden var en dyr råvara som endast användes där järn inte räckte till.
  • Benjamin Huntsman utvecklade sin teknik för degelstål på 1740-talet. Han kunde tillverka tillfredsställande gjutstål i deglar i lerkrukor som var och en innehöll cirka 34 pund blåsstål. Ett flussmedel tillsattes och de täcktes och upphettades med koks i cirka tre timmar. Det smälta stålet hälldes sedan i formar och deglarna återanvändes. Under lång tid exporterade Huntsman hela sin produktion till Frankrike eftersom de lokala producenterna vägrade att arbeta med stål som var hårdare än vad de redan använde.
  • Stål anges ofta som det första av flera nya områden för industriell massproduktion som kännetecknar den andra industriella revolutionen. Före omkring 1860 var stål fortfarande en dyr produkt. Problemet med att massproducera billigt stål löstes 1855 av Henry Bessemer genom införandet av Bessemerkonverteraren vid hans stålverk i Sheffield i England. Ytterligare experiment av Göran Fredrik Göransson och Robert Forester Mushet gjorde det möjligt för Bessemer att finslipa det som skulle komma att kallas Bessemerprocessen.
  • Och även om Bessemer till en början möttes av avvisningar och var tvungen att själv ta på sig exploateringen av sin process, ansökte man så småningom om licenser i så stort antal att Bessemer fick royalties på över en miljon pund sterling. År 1870 användes Bessemer-stål i stor utsträckning för fartygsplåt. Bessemerprocessen gjorde också ståljärnvägar konkurrenskraftiga i pris. Erfarenheten visade snabbt att stålet hade mycket större styrka och hållbarhet och kunde hantera de tyngre och snabbare motorerna och vagnarna.
  • Efter 1890 ersattes Bessemerprocessen successivt av ståltillverkning i öppen jord. Carl Wilhelm Siemens utvecklade Siemens regenerativa ugn på 1850-talet. Denna ugn drivs vid en hög temperatur genom att använda regenerativ förvärmning av bränsle och luft för förbränning. År 1865 tog Pierre-Émile Martin en licens från Siemens och använde sin regenerativa ugn för att tillverka stål. Siemens-Martins process var långsammare och därmed lättare att kontrollera. Den gjorde det också möjligt att smälta och raffinera stora mängder stålskrot, vilket ytterligare sänkte kostnaderna för ståltillverkning och återanvände ett annars besvärligt avfallsmaterial.
  • Siemens-Martin-processen blev den ledande ståltillverkningsprocessen i början av 1900-talet. Tillgången till billigt stål möjliggjorde större broar, järnvägar, skyskrapor och fartyg. Andra viktiga stålprodukter var stålkabel, stålstång och stålplåt, som möjliggjorde stora högtryckspannor och stål med hög draghållfasthet för maskiner. Den militära utrustningen förbättrades också avsevärt.

Nyckelbegrepp

Andra industriella revolutionen En fas av snabb industrialisering under den sista tredjedelen av 1800-talet och början av 1900-talet, även känd som den tekniska revolutionen. Även om ett antal av dess karakteristiska händelser kan spåras till tidigare innovationer inom tillverkningsindustrin, t.ex. etableringen av en verktygsmaskinindustri, utvecklingen av metoder för att tillverka utbytbara delar och uppfinningen av Bessemerprocessen, dateras den i allmänhet mellan 1870 och 1914 fram till början av första världskriget. Bessemerprocessen Den första billiga industriella processen för masstillverkning av stål från smält tackjärn före utvecklingen av den öppna härdugnen. Huvudprincipen är att avlägsna föroreningar från järnet genom oxidation med luft som blåses genom det smälta järnet. Oxidationen höjer också järnmassans temperatur och håller den smält. degelstål En term som gäller för stål som tillverkas med två olika metoder i modern tid och som producerats på olika platser under historiens gång. Det tillverkas genom att smälta järn och andra material. Det tillverkades i Syd- och Centralasien under medeltiden, men tekniker för tillverkning av högkvalitativt stål utvecklades av Benjamin Huntsman i England på 1700-talet. Huntsmans process använde dock järn och stål som råmaterial snarare än direkt omvandling från gjutjärn som i den senare Bessemerprocessen. Den homogena kristallstrukturen hos detta gjutstål förbättrade dess hållfasthet och hårdhet jämfört med tidigare former av stål. cementering En föråldrad teknik för att tillverka stål genom uppkolning av järn. Till skillnad från modern ståltillverkning ökade den mängden kol i järnet. Den utvecklades tydligen före 1600-talet. Derwentcote Steel Furnace, som byggdes 1720, är det tidigaste bevarade exemplet på en ugn med denna teknik. karburering En värmebehandlingsprocess där järn eller stål absorberar kol medan metallen upphettas i närvaro av ett kolhaltigt material, till exempel träkol eller kolmonoxid. Avsikten är att göra metallen hårdare. Till skillnad från modern ståltillverkning ökade processen mängden kol i järnet.

Stål är en legering av järn och andra grundämnen, främst kol, som används i stor utsträckning inom byggbranschen och andra tillämpningar på grund av sin höga draghållfasthet och låga kostnad. Stålets grundmetall är järn, som kan anta två kristallina former, kroppscentrerad kubisk (BCC) och ansiktscentrerad kubisk (FCC), beroende på dess temperatur. Det är samspelet mellan dessa allotropa former och legeringselementen, främst kol, som ger stål och gjutjärn deras unika egenskaper. I BCC-arrangemanget finns det en järnatom i mitten av varje kub, och i FCC-arrangemanget finns det en i mitten av var och en av kubens sex sidor. Kol, andra grundämnen och inneslutningar i järnet fungerar som härdningsmedel som förhindrar förflyttning av dislokationer som annars uppstår i järnatomernas kristallgitter.

Stål (med lägre kolhalt än tackjärn men högre än smidesjärn) tillverkades för första gången i antiken, men två decennier före den industriella revolutionen gjordes en förbättring av ståltillverkningen, som vid den tiden var en dyr råvara som endast användes där järn inte räckte till, t.ex. för skärande verktyg och för fjädrar. Benjamin Huntsman utvecklade sin teknik för degelstål på 1740-talet. Efter många experiment kunde Huntsman tillverka tillfredsställande gjutstål i deglar i lerkrukor som var och en innehöll cirka 34 pund blåsstål. Ett flussmedel tillsattes, och de täcktes och upphettades med koks i cirka tre timmar. Det smälta stålet hälldes sedan i formar och smältdeglarna återanvändes. De lokala besticktillverkarna vägrade att köpa Huntsmans gjutstål eftersom det var hårdare än det tyska stål som de var vana vid att använda. Huntsman exporterade länge hela sin produktion till Frankrike. Blisterstål som Huntsman använde som råvara tillverkades genom cementeringsprocessen eller genom uppkolning av järn. Karburering är en värmebehandlingsprocess där järn eller stål absorberar kol medan metallen värms upp i närvaro av ett kolhaltigt material, t.ex. träkol eller kolmonoxid. Avsikten är att göra metallen hårdare. Till skillnad från modern ståltillverkning ökade processen mängden kol i järnet.

Den andra industriella revolutionen

Stål anges ofta som det första av flera nya områden för industriell massproduktion som kännetecknar den andra industriella revolutionen med början omkring 1850, även om en metod för masstillverkning av stål inte uppfanns förrän på 1860-talet och blev allmänt tillgänglig på 1870-talet efter det att processen modifierats för att producera mer enhetlig kvalitet.

För omkring 1860 var stål en dyr produkt som tillverkades i små mängder och användes främst till svärd, verktyg och bestick. Alla stora metallkonstruktioner var tillverkade av smides- eller gjutjärn. Problemet med att massproducera billigt stål löstes 1855 av Henry Bessemer genom införandet av Bessemerkonverteraren vid hans stålverk i Sheffield i England. I Bessemerprocessen fylldes smält råjärn från masugnen på i en stor degel och luft blåstes genom det smälta järnet underifrån, vilket antände det lösta kolet från koks. När kolet brann av ökade smältpunkten för blandningen, men värmen från det brinnande kolet gav den extra energi som behövdes för att hålla blandningen smält. När kolhalten i smältan hade sjunkit till önskad nivå stängdes luftdraget av. En typisk Bessemerkonverter kan omvandla en 25-tons sats råjärn till stål på en halvtimme. Bessemer demonstrerade processen 1856 och hade en framgångsrik verksamhet igång 1864.

Bessemerkonverterare, tryck publicerat 1867 i Storbritannien.

Även om Bessemerprocessen inte längre används kommersiellt var den vid tiden för dess uppfinning av enorm industriell betydelse eftersom den sänkte produktionskostnaden för stål, vilket ledde till att stål i stor utsträckning ersatte gjutjärn.Bessemer uppmärksammades på problemet med ståltillverkning i ett försök att förbättra konstruktionen av vapen.

Bessemer licensierade patentet på sin process till fem järnmästare, men redan från början hade företagen stora svårigheter att producera stål av god kvalitet. Göran Fredrik Göransson, en svensk järnmästare, som använde det renare kolgrisjärnet i det landet, var den förste som tillverkade bra stål genom processen, men först efter många försök. Hans resultat fick Bessemer att pröva ett renare järn framställt av Cumberland hematit, men hade endast begränsad framgång eftersom kolmängden var svår att kontrollera. Robert Forester Mushet hade efter tusentals experiment vid Darkhill Ironworks visat att kolmängden kunde kontrolleras genom att ta bort nästan allt kol från järnet och sedan tillsätta en exakt mängd kol och mangan i form av spiegeleisen (en ferromanganlegering). Detta förbättrade kvaliteten på den färdiga produkten och ökade dess formbarhet.

När Bessemer försökte förmå tillverkare att använda sitt förbättrade system möttes han av allmänna avvisningar och drevs till slut till att själv ta sig an utnyttjandet av processen. Han uppförde stålverk i Sheffield i ett affärspartnerskap med andra, såsom W & J Galloway & Sons, och började tillverka stål. Till en början var produktionen obetydlig, men gradvis utökades verksamheten tills konkurrensen blev effektiv och stålhandlarna blev medvetna om att företaget Henry Bessemer & Co. sålde dem till ett pris som låg mellan 10 och 15 brittiska pund per ton. Detta argument till fickan fick snabbt effekt, och licenser söktes i ett sådant antal att Bessemer fick en summa på betydligt mer än en miljon pund sterling i royalties för användningen av hans process. År 1870 användes Bessemer-stål i stor utsträckning för fartygsplåt. På 1850-talet begränsades järnvägstrafikens hastighet, vikt och kvantitet av hållfastheten hos de smidesjärnskenor som användes. Lösningen var att övergå till stålskenor, som Bessemerprocessen gjorde konkurrenskraftigt i pris. Erfarenheten visade snabbt att stålet hade mycket större styrka och hållbarhet och kunde hantera de tyngre och snabbare motorerna och vagnarna.

Hur som helst fick Mushet ingenting och 1866 var han utblottad och vid dålig hälsa. Samma år reste hans 16-åriga dotter Mary ensam till London för att konfrontera Bessemer på hans kontor och hävdade att hans framgång byggde på resultaten av hennes fars arbete. Bessemer beslutade att betala Mushet en årlig pension på 300 pund, en mycket ansenlig summa, vilket han gjorde i över 20 år, möjligen för att hålla Mushet borta från rättsliga åtgärder.

Efter 1890 ersattes Bessemerprocessen gradvis av ståltillverkning i öppen jord. Sir Carl Wilhelm Siemens utvecklade Siemens regenerativa ugn på 1850-talet och hävdade 1857 att han återvann tillräckligt med värme för att spara 70-80 procent av bränslet. Denna ugn drivs vid hög temperatur med hjälp av regenerativ förvärmning av bränsle och luft för förbränning. Vid regenerativ förvärmning pumpas avgaserna från ugnen in i en kammare med tegelstenar, där värme överförs från gaserna till tegelstenarna. Flödet i ugnen vänds sedan om så att bränsle och luft passerar genom kammaren och värms upp av tegelstenarna. Genom denna metod kan en öppen ugn nå temperaturer som är tillräckligt höga för att smälta stål, men Siemens använde den ursprungligen inte för detta. År 1865 tog den franske ingenjören Pierre-Émile Martin en licens från Siemens och använde först sin regenerativa ugn för att tillverka stål. Den mest tilltalande egenskapen hos Siemens regenerativa ugn är den snabba produktionen av stora mängder basstål, som till exempel används för att bygga höghus.

Siemens ugn från 1895

Den mest tilltalande egenskapen hos Siemens regenerativa ugn var den snabba produktionen av stora mängder basstål, som användes till exempel för att konstruera höghus. Genom Siemens metod kunde en öppen ugn nå tillräckligt höga temperaturer för att smälta stål, men Siemens använde den till en början inte för detta. Det var Martin som först tillämpade den regenerativa ugnen för tillverkning av stål.

Siemens-Martin-processen kompletterade snarare än ersatte Bessemer-processen. Den var långsammare och därmed lättare att kontrollera. Den gjorde det också möjligt att smälta och raffinera stora mängder stålskrot, vilket ytterligare sänkte kostnaderna för ståltillverkning och återanvände ett annars besvärligt avfallsmaterial. Dess värsta nackdel var och förblir det faktum att det tar flera timmar att smälta och raffinera en laddning. Dessutom var och är arbetsmiljön runt en öppen härdugn extremt farlig.

Siemens-Martin-processen blev den ledande ståltillverkningsprocessen i början av 1900-talet. Tillgången till billigt stål möjliggjorde större broar, järnvägar, skyskrapor och fartyg. 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.