Die Entwicklung von Stahl kann 4000 Jahre bis zum Beginn der Eisenzeit zurückverfolgt werden. Es hat sich als härter und fester erwiesen als Bronze, das zuvor das am häufigsten verwendete Metall war. Eisen begann Bronze in Waffen und Werkzeugen zu verdrängen.
In den folgenden paar tausend Jahren würde die Qualität des produzierten Eisens jedoch sowohl vom verfügbaren Erz als auch von den Produktionsmethoden abhängen.
Bis zum 17. Jahrhundert waren die Eigenschaften von Eisen gut verstanden, aber die zunehmende Verstädterung in Europa erforderte ein vielseitigeres Strukturmetall. Und bis zum 19. Jahrhundert wurde die Menge an Eisen, die durch den Ausbau der Eisenbahnen verbraucht wurde, bereitgestellt Metallurgen mit dem finanziellen Anreiz, eine Lösung für die Sprödigkeit und ineffizienten Produktionsprozesse von Eisen zu finden.
Zweifellos gelang der größte Durchbruch in der Stahlgeschichte jedoch 1856, als sich Henry Bessemer entwickelte Ein effektiver Weg, Sauerstoff zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts in Eisen zu nutzen: Die moderne Stahlindustrie war geboren.
Die Ära des Eisens
Bei sehr hohen Temperaturen beginnt Eisen Kohlenstoff zu absorbieren, was den Schmelzpunkt des Metalls senkt, was zu Gusseisen (2,5 bis 4,5% Kohlenstoff) führt. Die Entwicklung von Hochöfen, die erstmals im 6. Jahrhundert v. Chr. Von den Chinesen verwendet wurden, im Mittelalter jedoch in Europa häufiger eingesetzt wurden, erhöhte die Produktion von Gusseisen.
Roheisen ist geschmolzenes Eisen, das aus den Hochöfen herausgelaufen und im Hauptkanal und den angrenzenden Formen gekühlt wird. Die großen, zentralen und angrenzenden kleineren Barren ähnelten einer Sau und Spanferkeln.
Gusseisen ist stark, leidet jedoch aufgrund seines Kohlenstoffgehalts an Sprödigkeit, was es für Arbeiten und Formen nicht ideal macht. Als Metallurgen sich bewusst wurden, dass der hohe Kohlenstoffgehalt in Eisen für das Problem von zentral war Sprödigkeit experimentierten sie mit neuen Methoden zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts, um Eisen mehr zu machen praktikabel.
Im späten 18. Jahrhundert lernten die Eisenhersteller, Gusseisen mithilfe von Pfützenöfen (1784 von Henry Cort entwickelt) in schmiedeeisernes Schmiedeeisen umzuwandeln. Die Öfen erhitzten geschmolzenes Eisen, das von Pfützen mit langen, ruderförmigen Werkzeugen gerührt werden musste, damit sich Sauerstoff mit Kohlenstoff verbinden und langsam entfernen konnte.
Wenn der Kohlenstoffgehalt abnimmt, steigt der Schmelzpunkt des Eisens, so dass Eisenmassen im Ofen agglomerieren würden. Diese Massen würden von der Pfütze entfernt und mit einem Schmiedehammer bearbeitet, bevor sie zu Blechen oder Schienen gerollt würden. Bis 1860 gab es in Großbritannien über 3000 Pfützenöfen, aber der Prozess blieb durch seine Arbeits- und Brennstoffintensität behindert.
Eine der frühesten Stahlformen, der Blisterstahl, wurde am 17. in Deutschland und England hergestellt Jahrhundert und wurde durch Erhöhen des Kohlenstoffgehalts in geschmolzenem Roheisen unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt, das als bekannt ist Zementierung. Bei diesem Verfahren wurden schmiedeeiserne Stangen mit Holzkohlepulver in Steinkästen geschichtet und erhitzt.
Nach ungefähr einer Woche würde das Eisen den Kohlenstoff in der Holzkohle absorbieren. Wiederholtes Erhitzen würde den Kohlenstoff gleichmäßiger verteilen und das Ergebnis war nach dem Abkühlen Blisterstahl. Der höhere Kohlenstoffgehalt machte Blisterstahl viel bearbeitbarer als Roheisen und ermöglichte das Pressen oder Walzen.
Die Blisterstahlproduktion schritt in den 1740er Jahren voran, als der englische Uhrmacher Benjamin Huntsman versuchte, hochwertigen Stahl für seine Uhr zu entwickeln Federn fanden heraus, dass das Metall in Tontiegeln geschmolzen und mit einem speziellen Flussmittel raffiniert werden konnte, um die Schlacke zu entfernen, die der Zementierungsprozess hinterlassen hatte hinter. Das Ergebnis war ein Tiegel oder gegossener Stahl. Aufgrund der Produktionskosten wurden sowohl Blister als auch Stahlguss immer nur für Spezialanwendungen verwendet.
Infolgedessen blieb in Pfützenöfen hergestelltes Gusseisen während des größten Teils des 19. Jahrhunderts das wichtigste Baumetall bei der Industrialisierung Großbritanniens.
Der Bessemer-Prozess und die moderne Stahlherstellung
Das Wachstum der Eisenbahnen im 19. Jahrhundert in Europa und Amerika übte einen enormen Druck auf die Eisenindustrie aus, die immer noch mit ineffizienten Produktionsprozessen zu kämpfen hatte. Stahl war als Strukturmetall noch nicht bewiesen, und die Herstellung des Produkts war langsam und kostspielig. Das war bis 1856, als Henry Bessemer einen effektiveren Weg fand, Sauerstoff in geschmolzenes Eisen einzuführen, um den Kohlenstoffgehalt zu verringern.
Bessemer, der heute als Bessemer-Prozess bekannt ist, entwarf einen birnenförmigen Behälter, der als „Konverter“ bezeichnet wird und in dem Eisen erhitzt und Sauerstoff durch die Metallschmelze geblasen werden kann. Wenn Sauerstoff durch die Metallschmelze strömt, reagiert er mit dem Kohlenstoff, setzt Kohlendioxid frei und erzeugt ein reineres Eisen.
Der Prozess war schnell und kostengünstig und entfernte Kohlenstoff und Silizium in wenigen Minuten aus Eisen, litt aber darunter, zu erfolgreich zu sein. Zu viel Kohlenstoff wurde entfernt und zu viel Sauerstoff blieb im Endprodukt zurück. Bessemer musste seine Investoren letztendlich zurückzahlen, bis er eine Methode gefunden hatte, um den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen und den unerwünschten Sauerstoff zu entfernen.
Etwa zur gleichen Zeit erwarb der britische Metallurge Robert Mushet eine Verbindung aus Eisen, Kohlenstoff und Mangan, bekannt als spiegeleisen. Es war bekannt, dass Mangan Sauerstoff aus geschmolzenem Eisen entfernt und der Kohlenstoffgehalt im Spiegeleisen, wenn er in den richtigen Mengen zugesetzt wird, die Lösung für Bessemers Probleme darstellt. Bessemer begann es mit großem Erfolg in seinen Konvertierungsprozess aufzunehmen.
Ein Problem blieb bestehen. Bessemer hatte keinen Weg gefunden, Phosphor, eine schädliche Verunreinigung, die Stahl spröde macht, aus seinem Endprodukt zu entfernen. Folglich konnte nur phosphorfreies Erz aus Schweden und Wales verwendet werden.
1876 kam der Waliser Sidney Gilchrist Thomas auf die Lösung, indem er dem Bessemer-Prozess ein chemisch basisches Flussmittel, Kalkstein, hinzufügte. Der Kalkstein zog Phosphor aus dem Roheisen in die Schlacke, wodurch das unerwünschte Element entfernt werden konnte.
Diese Innovation bedeutete, dass schließlich Eisenerz von überall auf der Welt zur Herstellung von Stahl verwendet werden konnte. Es überrascht nicht, dass die Stahlproduktionskosten deutlich sanken. Die Preise für Stahlschienen fielen zwischen 1867 und 1884 aufgrund der neuen Stahlerzeugungstechniken um mehr als 80%, was das Wachstum der weltweiten Stahlindustrie auslöste.
Der Open Hearth-Prozess
In den 1860er Jahren verbesserte der deutsche Ingenieur Karl Wilhelm Siemens die Stahlproduktion durch die Schaffung des Open-Hearth-Verfahrens weiter. Das Open-Hearth-Verfahren erzeugte Stahl aus Roheisen in großen flachen Öfen.
Der Prozess, bei dem hohe Temperaturen zum Abbrennen von überschüssigem Kohlenstoff und anderen Verunreinigungen verwendet wurden, beruhte auf beheizten Ziegelkammern unterhalb des Herdes. Regenerative Öfen verwendeten später Abgase aus dem Ofen, um hohe Temperaturen in den darunter liegenden Ziegelkammern aufrechtzuerhalten.
Dieses Verfahren ermöglichte die periodische Herstellung von viel größeren Mengen (50 bis 100 Tonnen konnten in einem Ofen hergestellt werden) Prüfung der Stahlschmelze, damit sie bestimmten Spezifikationen und der Verwendung von Stahlschrott als Rohware entspricht Material. Obwohl der Prozess selbst viel langsamer war, hatte der Open-Hearth-Prozess um 1900 in erster Linie den Bessemer-Prozess ersetzt.
Geburt der Stahlindustrie
Die Revolution in der Stahlproduktion, die billigeres Material von höherer Qualität lieferte, wurde von vielen damaligen Geschäftsleuten als Investitionsmöglichkeit anerkannt. Kapitalisten des späten 19. Jahrhunderts, darunter Andrew Carnegie und Charles Schwab, investierten und verdienten Millionen (im Fall von Carnegie Milliarden) in die Stahlindustrie. Die 1901 gegründete US Steel Corporation von Carnegie war das erste Unternehmen, das im Wert von über einer Milliarde Dollar gegründet wurde.
Elektrolichtbogenofen Stahlherstellung
Kurz nach der Jahrhundertwende kam es zu einer weiteren Entwicklung, die einen starken Einfluss auf die Entwicklung der Stahlproduktion haben würde. Der Lichtbogenofen (EAF) von Paul Heroult wurde entwickelt, um elektrischen Strom durch geladenes Material zu leiten, was zu einer exothermen Oxidation und Temperaturen von bis zu 3272 führt°F (1800°C) mehr als ausreichend, um die Stahlproduktion zu erwärmen.
Ursprünglich für Spezialstähle verwendet, wurden EAFs immer häufiger eingesetzt und im Zweiten Weltkrieg für die Herstellung von Stahllegierungen verwendet. Die geringen Investitionskosten beim Aufbau von EAF-Mühlen ermöglichten es ihnen, mit den großen US-Herstellern wie US Steel Corp. zu konkurrieren. und Bethlehem Steel, insbesondere in Kohlenstoffstählen oder langen Produkten.
Da EAFs Stahl aus 100% Schrott oder kaltem Eisenfutter herstellen können, wird weniger Energie pro Produktionseinheit benötigt. Im Gegensatz zu einfachen Sauerstoffherden kann der Betrieb auch mit geringen Kosten gestoppt und gestartet werden. Aus diesen Gründen steigt die Produktion über EAFs seit über 50 Jahren stetig an und macht nun etwa 33% der weltweiten Stahlproduktion aus.
Sauerstoff-Stahlherstellung
Der Großteil der weltweiten Stahlproduktion, rund 66%, wird heute in grundlegenden Sauerstoffanlagen produziert - die Entwicklung einer Methode zu Die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff im industriellen Maßstab in den 1960er Jahren ermöglichte bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von basischem Sauerstoff Öfen.
Grundlegende Sauerstofföfen blasen Sauerstoff in große Mengen geschmolzenen Eisens und Stahlschrotts und können eine Ladung viel schneller abschließen als Verfahren mit offenem Herd. Große Schiffe mit bis zu 350 Tonnen Eisen können die Umstellung auf Stahl in weniger als einer Stunde abschließen.
Die Kosteneffizienz der Herstellung von Sauerstoffstahl machte Fabriken mit offenem Herd nicht wettbewerbsfähig, und nach dem Aufkommen der Herstellung von Sauerstoffstahl in den 1960er Jahren begannen die Betriebe mit offenem Herd zu schließen. Die letzte Open-Hearth-Anlage in den USA wurde 1992 und in China 2001 geschlossen.