Keluli Sejarah dari Zaman Besi hingga Elektrik Arc Furnaces

Perkembangan keluli dapat ditelusuri kembali 4000 tahun ke permulaan Zaman Besi. Membuktikan menjadi lebih keras dan lebih kuat daripada gangsa, yang sebelum ini menjadi logam yang paling banyak digunakan, besi mula menggantikan gangsa dalam persenjataan dan alat.

Walau bagaimanapun, untuk beberapa ribu tahun yang lalu, kualiti besi yang dihasilkan akan bergantung kepada bijih yang ada pada kaedah pengeluaran.

Menjelang abad ke-17, sifat besi dipahami dengan baik, tetapi peningkatan urbanisasi di Eropah menuntut logam struktur yang lebih serba boleh.

Dan menjelang abad ke-19, jumlah besi yang dimakan dengan meluaskan kereta api menyediakan ahli metalurgi dengan insentif kewangan untuk mencari penyelesaian kepada kelembutan besi dan proses pengeluaran yang tidak cekap.

Walau bagaimanapun, penemuan utama dalam sejarah keluli berlaku pada 1856 apabila Henry Bessemer mengembangkan cara yang berkesan untuk menggunakan oksigen untuk mengurangkan kandungan karbon dalam besi: Industri keluli moden dilahirkan.

Era Besi

Pada suhu yang sangat tinggi, besi mula menyerap karbon, yang merendahkan titik lebur logam, mengakibatkan besi tuang (2. 5 hingga 4. 5% karbon ). Perkembangan tungkai letupan, yang pertama kali digunakan oleh orang Cina pada abad ke-6 SM tetapi lebih banyak digunakan di Eropah semasa Zaman Pertengahan, meningkatkan produksi besi tuang.

Besi babi adalah besi cair yang habis dari relau letupan dan disejukkan dalam saluran utama dan acuan bersebelahan. Ingot yang besar, tengah dan bersebelahan menyerupai babi yang menyemai dan menyusu.

Tuang besi kuat tetapi mengalami kelembapan kerana kandungan karbonnya, menjadikannya kurang sesuai untuk bekerja dan membentuk. Apabila ahli metallurgi menyedari bahawa kandungan karbon yang tinggi di dalam besi adalah penting kepada masalah kerapuhan, mereka telah bereksperimen dengan kaedah baru untuk mengurangkan kandungan karbon untuk menjadikan besi lebih berkesan.

Menjelang akhir abad ke-18, para ahli besi mempelajari bagaimana mengubah besi babi besi menjadi besi tempa kandungan karbon rendah menggunakan relau pudding (yang dikembangkan oleh Henry Cort pada tahun 1784). Tungku yang dipanaskan besi cair, yang harus diaduk oleh puddlers menggunakan alat berbentuk berukuran panjang, yang memungkinkan oksigen menggabungkan dan perlahan-lahan menghilangkan karbon.

Oleh kerana kandungan karbon berkurangan, titik lebur besi bertambah, maka massa besi akan berkumpul dalam relau. Orang ramai ini akan dibuang dan bekerja dengan tukul palsu oleh puddler sebelum dilancarkan ke lembaran atau rel. Menjelang tahun 1860, terdapat lebih daripada 3000 tungku pudding di Britain, tetapi prosesnya tetap dihalang oleh tenaga kerja dan keupayaan bahan api.

Salah satu bentuk keluli terawal, keluli lepuh, mula dihasilkan di Jerman dan England pada abad ke-17 dan dihasilkan dengan meningkatkan kandungan karbon dalam besi babi cair menggunakan proses yang dikenal sebagai penyemenan.Dalam proses ini, bar besi tempa berlapis dengan arang bubuk dalam kotak batu dan dipanaskan.

Selepas kira-kira seminggu, besi akan menyerap karbon dalam arang. Pemanasan berulang akan mengagihkan karbon lebih sama rata dan hasilnya, selepas penyejukan, adalah keluli lepuh. Kandungan karbon yang lebih tinggi menjadikan keluli lepuh lebih banyak dapat dilaksanakan daripada besi babi, yang membolehkannya ditekan atau digulung. Pengeluaran keluli lepuh maju pada tahun 1740-an semasa pembuat jam bahasa Inggeris Benjamin Huntsman ketika cuba membangunkan keluli berkualiti tinggi untuk mata airnya, mendapati bahawa logam itu boleh dicairkan dalam crucibles tanah liat dan ditapis dengan fluks khas untuk membuang terak yang proses penyekatan ditinggalkan. Hasilnya adalah kriket atau keluli cast. Tetapi disebabkan oleh kos pengeluaran, kedua-dua lepuh dan keluli tuang hanya digunakan dalam aplikasi khusus.

Akibatnya, besi tuang yang dibuat di dalam tungku pudding kekal sebagai logam struktur utama dalam industrialisasi Britain pada kebanyakan abad ke-19.

Proses Bessemer dan Pembuatan Baja Moden

Pertumbuhan kereta api pada abad ke-19 di kedua-dua Eropah dan Amerika memberikan tekanan hebat kepada industri besi, yang masih bergelut dengan proses pengeluaran yang tidak cekap.

Namun keluli masih belum dibuktikan sebagai logam struktur dan pengeluarannya perlahan dan mahal. Itu adalah sehingga 1856 apabila Henry Bessemer datang dengan cara yang lebih berkesan untuk memperkenalkan oksigen ke dalam besi lebur untuk mengurangkan kandungan karbon.

Sekarang dikenali sebagai Proses Bessemer, Bessemer merancang wadah berbentuk pir-dirujuk sebagai 'penukar' - di mana besi dapat dipanaskan sementara oksigen dapat ditiupkan melalui logam cair. Apabila oksigen melewati logam lebur, ia akan bertindak balas dengan karbon, melepaskan karbon dioksida dan menghasilkan besi yang lebih tulen.

Prosesnya cepat dan murah, mengeluarkan karbon dan silikon daripada besi dalam masa beberapa minit tetapi mengalami terlalu berjaya. Terlalu banyak karbon dikeluarkan dan terlalu banyak oksigen kekal dalam produk akhir. Bessemer akhirnya terpaksa membayar balik pelaburnya sehingga dia dapat mencari kaedah untuk meningkatkan kandungan karbon dan mengeluarkan oksigen yang tidak diingini.

Pada masa yang sama, ahli metalurgi British Robert Mushet memperoleh dan mula menguji sebatian besi, karbon, dan mangan yang dikenali sebagai

speigeleisen . Mangan dikenali untuk menghilangkan oksigen dari besi lebur dan kandungan karbon dalam speigeleisen, jika ditambah dalam kuantiti yang tepat, akan memberikan penyelesaian kepada masalah Bessemer. Bessemer mula menambahkannya ke proses penukarannya dengan kejayaan yang besar. Namun, masih ada masalah. Bessemer telah gagal untuk mencari cara untuk membuang fosforus-kotoran yang merosakkan yang membuat keluli rapuh-dari produk akhirnya. Oleh itu, hanya bijih bebas fosforus dari Sweden dan Wales boleh digunakan.

Pada tahun 1876 Welshman Sidney Gilchrist Thomas menghasilkan penyelesaian dengan menambahkan bahan kimia batu kapur-batu kapur-untuk proses Bessemer. Batu kapur menarik fosforus dari besi babi ke dalam sanga, yang membolehkan unsur yang tidak diingini dikeluarkan.

Inovasi ini bermaksud bahawa, akhirnya, bijih besi dari mana saja di dunia boleh digunakan untuk membuat keluli. Tidak menghairankan, kos pengeluaran keluli mula menurun dengan ketara. Harga kereta api keluli menurun lebih daripada 80% antara tahun 1867 dan 1884, hasil daripada teknik pembuatan keluli baru, yang memulakan pertumbuhan industri keluli dunia.

Proses Pemanasan Terbuka

Pada tahun 1860-an, jurutera Jerman Karl Wilhelm Siemens terus meningkatkan pengeluaran keluli menerusi penciptaan proses perapian terbuka. Proses perapian terbuka menghasilkan keluli dari besi babi di relau cetek yang besar.

Menggunakan suhu tinggi untuk membakar karbon berlebihan dan kekotoran lain, proses ini bergantung pada ruang bata yang dipanaskan di bawah perapian. Relau regeneratif kemudian menggunakan gas ekzos dari relau untuk mengekalkan suhu tinggi di dalam ruang bata di bawah.

Kaedah ini membolehkan penghasilan kuantiti yang lebih besar (50-100 tan metrik boleh dihasilkan dalam satu relau), ujian periodik keluli cair supaya dapat dibuat untuk memenuhi spesifikasi tertentu dan penggunaan keluli besi sebagai bahan mentah. Walaupun proses itu sendiri lebih perlahan, pada tahun 1900, proses perduaan terbuka sebahagian besarnya telah menggantikan proses Bessemer.

Kelahiran Industri Keluli

Revolusi dalam pengeluaran keluli yang menyediakan lebih murah, bahan berkualiti tinggi, diiktiraf oleh ramai ahli perniagaan hari ini sebagai peluang pelaburan. Kapitalis abad ke-19, termasuk Andrew Carnegie dan Charles Schwab, melabur dan membuat jutaan (bilion dalam kes Carnegie) dalam industri keluli. Carnegie's US Steel Corporation, yang diasaskan pada tahun 1901, adalah syarikat pertama yang dilancarkan bernilai lebih dari satu bilion dolar.

Elektrik Arc Furnace Steelmaking

Hanya selepas pergantian abad, perkembangan lain berlaku yang akan mempunyai pengaruh yang kuat terhadap evolusi pengeluaran keluli. Relau arka elektrik Paul Heroult (EAF) direka untuk lulus arus elektrik melalui bahan yang dikenakan, menyebabkan pengoksidaan dan suhu eksotermik sehingga 3272

° F (1800 ° C), lebih daripada mencukupi untuk memanaskan pengeluaran keluli. Pada mulanya digunakan untuk keluli khusus, EAF berkembang digunakan dan, oleh Perang Dunia II, digunakan untuk pembuatan aloi keluli. Kos pelaburan yang rendah yang terlibat dalam menubuhkan kilang EAF membolehkan mereka bersaing dengan pengeluar AS utama seperti US Steel Corp dan Bethlehem Steel, terutama dalam keluli karbon, atau produk lama.

Kerana EAFs boleh menghasilkan keluli dari 100% sekerap atau suapan ferus sejuk, kurang tenaga bagi setiap unit pengeluaran diperlukan. Berbanding dengan pendaratan oksigen asas, operasi juga boleh dihentikan dan bermula dengan sedikit kos yang berkaitan. Atas sebab ini, pengeluaran melalui EAF telah semakin meningkat selama lebih dari 50 tahun dan kini menyumbang kira-kira 33% daripada pengeluaran keluli global.

Oksigen Steelmaking

Kebanyakan pengeluaran keluli global - kira-kira 66% - kini dihasilkan di kemudahan oksigen asas. Pengembangan kaedah untuk memisahkan oksigen daripada nitrogen pada skala industri pada tahun 1960-an membolehkan kemajuan besar dalam pembangunan relau oksigen asas.

Asap oksigen asas meniup oksigen ke dalam jumlah besar besi cair dan besi skrap dan boleh menyelesaikan bayaran lebih cepat daripada kaedah perapian terbuka. Kapal-kapal besar yang memegang hingga 350 metrik tan besi boleh menukarkan penukaran kepada keluli dalam masa kurang dari satu jam.

Kecekapan kos pembuatan keluli oksigen menjadikan kilang perumahan terbuka tidak kompetitif dan, berikutan kedatangan pembuatan keluli oksigen pada tahun 1960-an, operasi bukaan terbuka mula ditutup. Kemudahan terbuka terakhir di AS ditutup pada tahun 1992 dan di China pada tahun 2001.

Sumber:

_{Spoerl, Joseph S.}

_{Sejarah Singkat Pengeluaran Besi dan Keluli . Saint Anselm College. Persatuan Keluli Dunia. www. steeluniversity. org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.}

_{Logam dalam Perkhidmatan Manusia . Edisi ke-11 (1998).}