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钢铁的发展可以追溯到铁器时代以来的4000年。证明比以前是最广泛使用的金属的青铜更坚硬和坚强,铁开始在武器和工具中取代青铜。
然而,在接下来的几千年中,生产的铁的质量与生产方法上的可用矿石有关。
到17世纪,铁的财产得到了很好的理解,但是欧洲城市化进程的增长要求更多的结构性金属。
<! - 1 - >到十九世纪,铁路的铁路消耗量为冶金学家提供了经济动力,找到解决铁的脆弱性和低效的生产过程。
然而,毫无疑问,钢铁史上的重大突破是1856年,当时亨利·贝斯迈尔(Henry Bessemer)开发了一种有效利用氧气来减少铁含量的方法:现代钢铁工业诞生了。
铁的时代
在非常高的温度下,铁开始吸收碳,这降低了金属的熔点,导致铸铁(2.5-5.5%的碳)。公元前6世纪中国人首先使用的高炉的发展,在中世纪更广泛地应用于欧洲,增加了铸铁的生产。
生铁是从铁炉中排出的铁水,并在主通道和邻接的模具中冷却。大,中央和毗邻的较小的锭子类似于母猪和哺乳仔猪。
<! - 3 - >铸铁坚固,但由于其碳含量而脆弱,使其不如理想的加工和成型。随着冶金学家们意识到铁中的高碳含量是脆性问题的核心,他们尝试了减少碳含量的新方法,使铁更可行。
到十八世纪末期,炼铁者学会了如何使用搅拌炉(由亨利·科特于1784年开发)将铸铁转变为低碳含量的锻铁。炉子加热铁水,必须使用长的桨形工具搅拌 搅拌器 ,使氧气与碳结合并缓慢除去碳。
随着碳含量的降低,铁的熔点增加,因此铁的质量会在炉中聚集。这些质量将在被卷成片材或轨道之前用搅拌机移除并用锻造锤进行加工。到1860年,英国有超过3000个搅拌炉,但这一过程仍受到劳动和燃料集约化的阻碍。
钢铁,起泡钢的最早形式之一是在17世纪在德国和英国开始生产,并通过使用称为胶结的方法提高了生铁中的碳含量。在这个过程中,锻铁的铁条与粉状木炭在石盒中分层加热。大约一个星期后,铁会吸收木炭中的碳。反复加热会更均匀地分配碳,结果在冷却后是泡钢。较高的碳含量使得起泡钢比生铁更可行,允许其被压制或轧制。
17世纪40年代,英国钟表匠本杰明·亨斯曼(Benjamin Huntsman)试图为他的钟表弹簧开发高品质钢材时,吸塑钢产量先进,发现金属可以在粘土坩埚中熔化,并用特殊的助熔剂精炼除去留下的固井过程。结果是坩埚或铸钢。但是由于生产成本,泡罩和铸钢只用于特殊应用。因此,在19世纪的大部分时间里,在搅拌炉中生产的铸铁仍然是英国工业化的主要结构性金属。贝克斯过程与现代炼钢
欧洲和美国十九世纪铁路的发展给铁工业施加了巨大的压力,铁矿产业仍然在努力生产过程效率低下。然而,钢铁作为一种结构性金属尚未得到证实,生产速度缓慢且成本高昂。直到1856年,亨利·贝斯迈尔(Henry Bessemer)才提出了一种更有效的方法来将氧气引入铁水中以降低碳含量。 Bessemer现在称为Bessemer工艺,设计了一种梨形容器 - 被称为“转化器”,其中铁可以被加热,而氧气可以通过熔融金属吹动。当氧气通过熔融金属时,它将与碳反应,释放二氧化碳并产生更纯的铁。这个过程是快速和便宜的,在几分钟内从铁中除去碳和硅,但是太成功了。过多的碳被去除,最终产品中剩余的氧气太多。 Bessemer最终不得不偿还他的投资者,直到他找到一种增加碳含量和去除不需要的氧气的方法。大约在同一时间,英国冶金学家罗伯特·穆舍赫(Robert Mushet)收购并开始测试一种铁,碳和锰的化合物,被称为
speigeleisen
。已知锰可以从铁水中除去氧气,如果以正确的量加入,则该物质中的碳含量将为Bessemer的问题提供解决方案。 Bessemer开始将其添加到他的转换过程中,取得了巨大的成功。
然而,仍然存在一个问题。 Bessemer没有找到一种方法去除磷 - 一种有害的杂质,使钢材从最终产品中变脆。因此,只能使用瑞典和威尔士的无磷矿石。
1876年,威尔士人西德尼·吉尔克里斯特·托马斯(Welshman Sidney Gilchrist Thomas)通过在Bessemer工艺中添加了一种化学基本的助焊剂 - 石灰石来解决这个问题。石灰石将生铁中的磷吸入炉渣中,使不需要的元素被去除。
这个创新意味着,最终,世界上任何地方的铁矿石都可以用来制造钢铁。钢铁生产成本开始明显下降。由于新钢铁生产技术,世界钢铁行业的增长,钢铁价格在1867年至1884年间下滑了80%以上。
开炉工艺
在十九世纪六十年代,德国工程师Karl Wilhelm西门子通过开创炉底工艺进一步增强了钢铁生产。开放炉床工艺在大型浅井炉中生产生铁的钢铁。 使用高温燃烧多余的碳和其他杂质,该过程依赖于炉膛下面的加热砖室。再生炉后来使用炉内废气,以保持下方砖室的高温。 该方法允许生产更大量的产品(在一个炉中可以生产50-100公吨),对钢水进行定期测试,以使其可以满足特定规格并使用废钢作为一种原料。虽然过程本身要慢得多,但在1900年之前,开放式炉膛过程在很大程度上取代了Bessemer过程。
钢铁工业的诞生
提供更便宜,更高质量的材料的钢铁生产革命,被当今许多商人认可为投资机会。包括安德鲁·卡内基(Andrew Carnegie)和查尔斯·施瓦布(Charles Schwab)在内的19世纪后期的资本家在钢铁行业投资了数百万(在卡内基的数十亿美元)。卡内基的美国钢铁公司成立于1901年,是第一家价值超过十亿美元的公司。
电弧炉炼钢
本世纪之交以来,发生了另一个发展,对钢铁生产的演变有很大的影响。 Paul Heroult的电弧炉(EAF)被设计成使电流通过带电材料,导致放热氧化和温度高达3272
999(F)(1800
°999),超过足以加热钢铁生产。
最初用于特种钢,EAF正在使用中,第二次世界大战正在用于制造钢合金。与建立电炉炼厂相关的投资成本低,使得他们能够与美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司等主要美国生产商,特别是碳钢或长产品竞争。
因为EAF可以从100%的废铁或冷铁进料中生产钢,因此需要较少的单位生产能量。与基础氧气炉相反,操作也可以停止并开始,而相关成本很低。由于这些原因,通过EAF的生产已经稳步增长了50多年,现在占全球钢铁产量的33%左右。
氧气炼钢
大部分全球钢铁生产 - 约66% - 现在生产基础氧气设施。在二十世纪六十年代,工业规模上开发分离氮与氮的方法可以使碱性氧炉的发展取得重大进展。
碱性氧气炉将氧气吹入大量的铁水和废钢,并且可以比炉底炉法快得多。容纳350公吨铁的大型船只可在不到一小时的时间内完成钢材转换。氧气炼钢的成本效益使得平炉厂缺乏竞争力,随着二十世纪六十年代氧气炼钢的出现,开放式的炉灶业务开始关闭。美国最后一个开放式设施在1992年关闭,2001年在中国。 来源: Spoerl,Joseph S. 钢铁生产简史 。圣安塞尔姆学院。世界钢铁协会。万维网。 steeluniversity。 org
亚瑟街。 &Alexander,W.O. 1944.
金属服务人
。第11版(1998)。