Von der Eisenzeit bis zum Bessemer-Prozess und der modernen Stahlerzeugung
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 zuerst im 6. Jahrhundert v. Chr. Von den Chinesen benutzt wurden, aber im Mittelalter in Europa weit verbreitet waren, erhöhte die Produktion von Gusseisen.
Roheisen
Geschmolzenes Eisen, das aus den Hochöfen lief und im Hauptkanal und den angrenzenden Formen abkühlte, wurde als Roheisen bezeichnet, weil die großen, zentralen und angrenzenden kleineren Barren einem Sau- und Saugferkel glichen.
Gusseisen
Gusseisen ist stark, leidet jedoch aufgrund seines Kohlenstoffgehalts an Sprödigkeit und ist daher für das Bearbeiten und Formen weniger geeignet. Als die Metallurgen sich bewusst wurden, dass der hohe Kohlenstoffgehalt im Eisen für das Problem der Sprödigkeit von zentraler Bedeutung ist, experimentierten sie mit neuen Methoden zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts, um das Eisen bearbeitbarer zu machen.
Schmiedeeisen
Gegen Ende des 18. Jahrhunderts lernten die Eisenhütten Eisengießereien mithilfe von Pfützenöfen (entwickelt von Henry Cort im Jahre 1784) in ein Schmiedeeisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt umzuformen. Die Öfen erhitzten geschmolzenes Eisen, das von Pfützen mit langen röhrenförmigen Werkzeugen gerührt werden musste , wodurch sich Sauerstoff mit Kohlenstoff vereinigen und langsam entfernen konnte.
Wenn der Kohlenstoffgehalt abnimmt, steigt der Schmelzpunkt des Eisens, so dass sich Eisenmassen im Ofen agglomerieren. Diese Massen würden durch den Puddler entfernt und mit einem Schmiedehammer bearbeitet, bevor sie zu Blechen oder Schienen gerollt würden. Um 1860 gab es in Großbritannien über 3000 Puddelöfen, aber der Prozess wurde durch seine Arbeits- und Brennstoffintensität behindert.
Blister Stahl
Eine der frühesten Formen von Stahl , Blisterstahl, begann im 17. Jahrhundert in Deutschland und England zu produzieren und wurde durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in geschmolzenem Roheisen unter Verwendung eines als Zementation bekannten Verfahrens hergestellt. Bei diesem Verfahren wurden schmiedeeiserne Stäbe mit pulverisierter Kohle in Steinkästen geschichtet und erhitzt.
Nach etwa einer Woche würde das Eisen den Kohlenstoff in der Kohle absorbieren. Wiederholtes Erhitzen würde Kohlenstoff gleichmäßiger verteilen und das Ergebnis nach dem Abkühlen war Blisterstahl. Der höhere Kohlenstoffgehalt machte Blisterstahl viel besser bearbeitbar als Roheisen, wodurch er gepresst oder gewalzt werden konnte.
Blisterstahlproduktion entwickelte sich in den 1740er Jahren, als der englische Uhrmacher Benjamin Huntsman beim Versuch, einen hochwertigen Stahl für seine Spiralfedern zu entwickeln, fand, dass das Metall in Tontiegeln geschmolzen und mit einem speziellen Flussmittel verfeinert werden konnte, um den Zementationsprozess zu entfernen hinter. Das Ergebnis war Tiegel- oder Stahlguss. Aufgrund der Produktionskosten wurden sowohl Blister als auch Stahlguss jedoch nur in Spezialanwendungen eingesetzt.
Infolgedessen blieb Gusseisen, das in Puddelöfen hergestellt wurde, das wichtigste strukturelle Metall bei der Industrialisierung Großbritanniens während des größten Teils des 19. Jahrhunderts.
Der Bessemer-Prozess und die moderne Stahlerzeugung
Das Wachstum der Eisenbahnen im 19. Jahrhundert in Europa und Amerika setzte die Eisenindustrie unter Druck, die immer noch mit ineffizienten Produktionsprozessen zu kämpfen hatte. Stahl war als strukturelles Metall noch nicht bewiesen und die Produktion war langsam und teuer. Das war bis 1856, als Henry Bessemer einen effektiveren Weg fand, Sauerstoff in das geschmolzene Eisen einzuführen, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren.
Bessemer, heute bekannt als Bessemer-Prozess, entwarf einen birnenförmigen Behälter, der als "Konverter" bezeichnet wurde und in dem Eisen erhitzt werden konnte, während Sauerstoff durch das geschmolzene Metall geblasen werden konnte. Wenn Sauerstoff durch das geschmolzene Metall strömt, würde es mit dem Kohlenstoff reagieren, Kohlendioxid freisetzen und ein reineres Eisen erzeugen.
Das Verfahren war schnell und kostengünstig und entfernte Kohlenstoff und Silizium innerhalb weniger Minuten aus Eisen, litt jedoch darunter, dass es zu erfolgreich war.
Zu viel Kohlenstoff wurde entfernt und zu viel Sauerstoff verblieb im Endprodukt. Am Ende musste Bessemer seine Investoren zurückzahlen, bis er eine Methode fand, um den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen und den unerwünschten Sauerstoff zu entfernen.
Ungefähr zur selben Zeit erwarb der britische Metaller Robert Mushet eine Verbindung aus Eisen, Kohlenstoff und Mangan, die als Spiegeleisen bekannt ist . Mangan war dafür bekannt, Sauerstoff aus geschmolzenem Eisen zu entfernen, und der Kohlenstoffgehalt in den Spiegeleisen, wenn es in den richtigen Mengen zugegeben würde, würde die Lösung für Bessemers Probleme liefern. Bessemer begann damit, seinen Umwandlungsprozess mit großem Erfolg zu erweitern.
Ein Problem ist geblieben. Bessemer hatte keinen Weg gefunden, Phosphor - eine schädliche Verunreinigung, die den Stahl brüchig macht - aus seinem Endprodukt zu entfernen. Folglich könnten nur phosphorfreie Erze aus Schweden und Wales verwendet werden.
1876 brachte der Waliser Sidney Gilchrist Thomas die Lösung mit einem chemisch basischen Flussmittel - Kalkstein - zum Bessemer-Verfahren. Der Kalkstein zog Phosphor aus dem Roheisen in die Schlacke, wodurch das unerwünschte Element entfernt werden konnte.
Dank dieser Innovation konnte schließlich Eisenerz von überall auf der Welt zur Herstellung von Stahl verwendet werden. Es überrascht nicht, dass die Kosten für die Stahlproduktion deutlich gesunken sind. Die Preise für Stahlschienen gingen zwischen 1867 und 1884 um mehr als 80% zurück, was auf die neuen Stahlproduktionstechniken zurückzuführen ist, die das Wachstum der Weltstahlindustrie einleiteten.
Der offene Herdprozess:
In den 1860er Jahren verbesserte der deutsche Ingenieur Karl Wilhelm Siemens die Stahlproduktion durch die Schaffung des offenen Herdprozesses. Der offene Herdprozeß erzeugte Stahl aus Roheisen in großen flachen Öfen.
Unter Verwendung von hohen Temperaturen zum Abbrennen von überschüssigem Kohlenstoff und anderen Verunreinigungen beruhte der Prozess auf geheizten gemauerten Kammern unterhalb des Herdes. Regenerative Öfen verwendeten später Abgase aus dem Ofen, um hohe Temperaturen in den darunter liegenden Ziegelkammern aufrechtzuerhalten.
Dieses Verfahren ermöglichte die Herstellung viel größerer Mengen (50-100 Tonnen konnten in einem Ofen hergestellt werden), periodische Tests des geschmolzenen Stahls, so dass er bestimmten Spezifikationen und der Verwendung von Stahlschrott als Rohmaterial entsprechen konnte . Obwohl der Prozess selbst viel langsamer ablief, hatte der offene Herdprozess bis 1900 den Bessemer-Prozess weitgehend abgelöst.
Geburt der Stahlindustrie:
Die Revolution in der Stahlproduktion, die billigeres Material von höherer Qualität lieferte, wurde von vielen Geschäftsleuten des Tages als eine Investitionsmöglichkeit erkannt. Die Kapitalisten des späten 19. Jahrhunderts, darunter Andrew Carnegie und Charles Schwab, investierten und machten Millionen (im Fall von Carnegie) in der Stahlindustrie. Carnegies US Steel Corporation, gegründet 1901, war das erste Unternehmen, das jemals im Wert von über einer Milliarde Dollar gestartet wurde.
Lichtbogenofen Stahlerzeugung:
Kurz nach der Jahrhundertwende trat eine weitere Entwicklung ein, die die Entwicklung der Stahlproduktion stark beeinflussen sollte. Paul Heroults Elektrolichtbogenofen (EAF) wurde entwickelt, um einen elektrischen Strom durch geladenes Material zu leiten, was zu exothermer Oxidation und Temperaturen von bis zu 3272 ° F (1800 ° C) führt, mehr als ausreichend, um die Stahlproduktion zu erhitzen.
Ursprünglich für Spezialstähle verwendet, wuchsen die EAFs und wurden bis zum Zweiten Weltkrieg für die Herstellung von Stahllegierungen verwendet. Aufgrund der geringen Investitionskosten für die Errichtung von EAF-Walzwerken konnten sie mit den großen US-amerikanischen Herstellern wie US Steel Corp. und Bethlehem Steel konkurrieren, insbesondere bei Kohlenstoffstählen oder Langprodukten.
Da EAFs Stahl aus 100% Schrott oder kaltem Eisen liefern können, wird weniger Energie pro Produktionseinheit benötigt. Im Gegensatz zu einfachen Sauerstoffherden können Operationen auch mit wenig verbundenen Kosten gestoppt und gestartet werden. Aus diesen Gründen nimmt die Produktion über Elektrolichtbogenöfen seit über 50 Jahren stetig zu und macht heute rund 33% der weltweiten Stahlproduktion aus.
Sauerstoff-Stahlerzeugung:
Der Großteil der weltweiten Stahlproduktion - etwa 66% - wird heute in Basis-Sauerstoffanlagen produziert. Die Entwicklung eines Verfahrens zur Abtrennung von Sauerstoff aus Stickstoff im industriellen Maßstab in den 1960er Jahren ermöglichte wesentliche Fortschritte bei der Entwicklung von Sauerstoff-Grundöfen.
Basische Sauerstofföfen blasen Sauerstoff in große Mengen von geschmolzenem Eisen und Stahlschrott und können eine Ladung viel schneller vervollständigen als offene Herdmethoden. Große Schiffe mit bis zu 350 Tonnen Eisen können in weniger als einer Stunde zu Stahl umgerüstet werden.
Die Kosteneffizienz der Sauerstoffstahlerzeugung machte offene Herdenfabriken unkonventionell und nach dem Aufkommen der Sauerstoffstahlerzeugung in den 1960er Jahren begannen die Betriebe mit offenem Herd zu schließen. Die letzte offene Fabrik in den USA wurde 1992 und in China 2001 geschlossen.
Quellen:
Spoerl, Joseph S. Eine kurze Geschichte der Eisen- und Stahlproduktion . St. Anselm College.
Verfügbar: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Der Weltstahlverband. Webseite: www.steeluniversity.org
Straße, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metalle im Dienste des Menschen . 11. Ausgabe (1998).