Geliştirilmesi çelik 4000 yıl geriye, Demir Çağı'nın başlangıcına kadar izlenebilir. Daha önce en yaygın kullanılan metal olan bronzdan daha sert ve daha güçlü olduğunu kanıtlayan, Demir bronz, silah ve aletlerde yerini almaya başladı.
Ancak önümüzdeki birkaç bin yıl boyunca, üretilen demirin kalitesi, üretim yöntemlerine olduğu kadar mevcut cevherlere de bağlı olacaktı.
17. yüzyıla gelindiğinde, demirin özellikleri iyi anlaşılmıştı, ancak Avrupa'da artan şehirleşme daha çok yönlü bir yapısal metal gerektiriyordu. Ve 19. yüzyılda genişleyen demiryolları ile tüketilen demir miktarı, metalurjistler demirin kırılganlığına ve verimsiz üretim süreçlerine bir çözüm bulmak için mali teşvik ile.
Şüphesiz, çelik tarihindeki en büyük atılım 1856'da Henry Bessemer'ın demirdeki karbon içeriğini azaltmak için oksijeni kullanmanın etkili bir yolu: Modern çelik endüstrisi doğdu.
Demir Çağı
Çok yüksek sıcaklıklarda demir karbonu emmeye başlar, bu da metalin erime noktasını düşürür ve sonuçta dökme demir (% 2,5 - 4,5 karbon) ortaya çıkar. İlk olarak MÖ 6. yüzyılda Çinliler tarafından kullanılan ancak Orta Çağ'da Avrupa'da daha yaygın olarak kullanılan yüksek fırınların gelişimi, dökme demir üretimini artırmıştır.
Pik demir, yüksek fırınlardan çıkan ve ana kanalda ve bitişik kalıplarda soğutulan erimiş demirdir. Büyük, merkezi ve bitişik daha küçük külçeler bir dişi domuza ve emziren domuz yavrularına benziyordu.
Dökme demir güçlüdür ancak karbon içeriği nedeniyle kırılganlıktan muzdariptir, bu da onu çalışma ve şekillendirme için idealden daha az yapar. Metalurji uzmanları, demirdeki yüksek karbon içeriğinin şu sorunun merkezi olduğunu fark ettikçe kırılganlık, demiri daha fazla yapmak için karbon içeriğini azaltmak için yeni yöntemler denediler uygulanabilir.
18. yüzyılın sonlarında, demir üreticileri, dökme pik demiri, puddling fırınları (Henry Cort tarafından 1784'te geliştirilen) kullanarak düşük karbon içerikli bir ferforje haline nasıl dönüştüreceklerini öğrendiler. Uzun, kürek şeklindeki aletler kullanılarak su birikintileri tarafından karıştırılması gereken erimiş demiri fırınlar, oksijenin karbonla birleşmesine ve karbonu yavaşça uzaklaştırmasına izin veriyordu.
Karbon içeriği azaldıkça, demirin erime noktası artar, bu nedenle demir kütleleri fırında toplanır. Bu kütleler, tabakalara veya raylara yuvarlanmadan önce su biriktirici tarafından kaldırılır ve bir dövme çekiçle işlenirdi. 1860'a gelindiğinde İngiltere'de 3000'den fazla puddling fırını vardı, ancak süreç, emek ve yakıt yoğunluğu nedeniyle engellenmiş durumda kaldı.
En eski çelik formlarından biri olan blister çelik, 17. yüzyılda Almanya ve İngiltere'de üretime başladı. yüzyılda ve olarak bilinen bir işlem kullanılarak erimiş pik demirdeki karbon içeriği artırılarak üretildi çimentolama. Bu süreçte demir çubuklar, taş kutularda toz odun kömürü ile kaplandı ve ısıtıldı.
Yaklaşık bir hafta sonra demir, kömürdeki karbonu emer. Tekrarlanan ısıtma, karbonu daha eşit bir şekilde dağıtacak ve sonuç, soğutmadan sonra kabarcıklı çelikti. Daha yüksek karbon içeriği, blister çeliği pik demirden çok daha fazla işlenebilir hale getirerek preslenmesini veya haddelenmesini sağladı.
Blister çelik üretimi 1740'larda İngiliz saatçi Benjamin Huntsman'ın saati için yüksek kaliteli çelik geliştirmeye çalışırken gelişti. yaylar, metalin kil potalarda eritilebileceğini ve sementasyon işleminin bıraktığı cürufu çıkarmak için özel bir eritkenle rafine edilebileceğini buldu. arkasında. Sonuç, bir pota veya dökme çelikti. Ancak üretim maliyeti nedeniyle hem blister hem de dökme çelik yalnızca özel uygulamalarda kullanıldı.
Sonuç olarak, puddling fırınlarında yapılan dökme demir, 19. yüzyılın çoğunda İngiltere'nin sanayileşmesinde birincil yapısal metal olarak kaldı.
Bessemer Süreci ve Modern Çelik Üretimi
19. yüzyılda hem Avrupa'da hem de Amerika'da demiryollarının büyümesi, hala verimsiz üretim süreçleriyle mücadele eden demir endüstrisi üzerinde muazzam bir baskı oluşturdu. Çelik, yapısal bir metal olarak hala kanıtlanmamıştı ve ürünün üretimi yavaş ve maliyetliydi. Bu, Henry Bessemer'in karbon içeriğini azaltmak için erimiş demire oksijen katmanın daha etkili bir yolunu bulduğu 1856 yılına kadardı.
Artık Bessemer Süreci olarak bilinen Bessemer, oksijen erimiş metale üflenirken demirin ısıtılabildiği bir 'dönüştürücü' olarak adlandırılan armut biçimli bir hazne tasarladı. Oksijen erimiş metalden geçerken karbonla reaksiyona girerek karbondioksit açığa çıkarır ve daha saf bir demir üretir.
İşlem hızlı ve ucuzdu, karbonu ortadan kaldırıyor ve silikon birkaç dakika içinde demirden kurtuldu, ancak çok başarılı olmaktan acı çekti. Çok fazla karbon çıkarıldı ve nihai üründe çok fazla oksijen kaldı. Bessemer nihayetinde karbon içeriğini artırmak ve istenmeyen oksijeni gidermek için bir yöntem bulana kadar yatırımcılarına geri ödeme yapmak zorunda kaldı.
Yaklaşık aynı zamanda, İngiliz metalurji uzmanı Robert Mushet bir demir, karbon ve karbon bileşiği satın aldı ve test etmeye başladı. manganez, spiegeleisen olarak bilinir. Manganezin oksijeni erimiş demirden uzaklaştırdığı biliniyordu ve spiegeleisen'deki karbon içeriği, doğru miktarlarda eklenirse, Bessemer'in sorunlarına çözüm sağlayacaktır. Bessemer, onu dönüşüm sürecine büyük bir başarıyla eklemeye başladı.
Bir sorun kaldı. Bessemer, çeliği kırılgan hale getiren zararlı bir safsızlık olan fosforu nihai ürününden çıkarmanın bir yolunu bulamamıştı. Sonuç olarak, sadece İsveç ve Galler'den fosforsuz cevher kullanılabilir.
1876'da Welshman Sidney Gilchrist Thomas, Bessemer sürecine kimyasal olarak bazik bir eritken olan kireçtaşı ekleyerek çözümü buldu. Kireçtaşı, pik demirden cüruf içine fosfor çekerek istenmeyen elementin uzaklaştırılmasına izin verdi.
Bu yenilik, nihayet dünyanın herhangi bir yerindeki demir cevherinin çelik yapmak için kullanılabileceği anlamına geliyordu. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, çelik üretim maliyetleri önemli ölçüde düşmeye başladı. Yeni çelik üretim tekniklerinin bir sonucu olarak, çelik ray fiyatları 1867 ile 1884 yılları arasında% 80'den fazla düştü ve dünya çelik endüstrisinin büyümesini başlattı.
Açık Ocak Süreci
1860'larda Alman mühendis Karl Wilhelm Siemens, açık ocak sürecini yaratarak çelik üretimini daha da geliştirdi. Açık ocak işlemi, büyük sığ fırınlarda pik demirden çelik üretti.
Fazla karbonu ve diğer safsızlıkları yakmak için yüksek sıcaklıklar kullanan süreç, ocağın altındaki ısıtılmış tuğla odalara dayanıyordu. Rejeneratif fırınlar daha sonra aşağıdaki tuğla odalarda yüksek sıcaklıkları korumak için fırından çıkan egzoz gazlarını kullandı.
Bu yöntem, periyodik olarak çok daha büyük miktarlarda (bir fırında 50-100 metrik ton üretilebilir) üretime izin verdi. Erimiş çeliğin test edilmesi, böylece belirli spesifikasyonların karşılanması ve hurda çeliğin ham olarak kullanılması malzeme. Sürecin kendisi çok daha yavaş olmasına rağmen, 1900 yılına gelindiğinde, açık ocak süreci öncelikle Bessemer sürecinin yerini aldı.
Çelik Endüstrisinin Doğuşu
Daha ucuz, daha kaliteli malzeme sağlayan çelik üretiminde devrim, günün birçok iş adamı tarafından bir yatırım fırsatı olarak kabul edildi. Andrew Carnegie ve Charles Schwab da dahil olmak üzere 19. yüzyılın sonlarının kapitalistleri, çelik endüstrisine milyonlar (Carnegie durumunda milyarlar) yatırım yaptı ve kazandı. Carnegie'nin 1901 yılında kurulan US Steel Corporation, bir milyar doları aşan değeriyle kurulmuş ilk şirketti.
Elektrik Ark Ocağı Çelik Üretimi
Yüzyılın dönüşünden hemen sonra, çelik üretiminin gelişimi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olacak başka bir gelişme meydana geldi. Paul Heroult'un elektrik ark fırını (EAF), elektrik akımını yüklü malzemeden geçirecek şekilde tasarlandı, bu da ekzotermik oksidasyon ve 3272'ye kadar sıcaklıkla sonuçlandı.°F (1800°C), çelik üretimini ısıtmak için fazlasıyla yeterli.
Başlangıçta özel çelikler için kullanılan EAF'ler kullanımda arttı ve II.Dünya Savaşı'nda çelik alaşımlarının üretiminde kullanıldı. Elektrikli ark ocağı tesislerinin kurulumunda yer alan düşük yatırım maliyeti, onların US Steel Corp. gibi büyük ABD'li üreticilerle rekabet etmelerini sağladı. ve Bethlehem Steel, özellikle karbon çeliklerinde veya uzun ürünlerde.
EAO'lar% 100 hurda veya soğuk demirden çelik üretebildikleri için, üretim birimi başına daha az enerjiye ihtiyaç vardır. Temel oksijen ocaklarının aksine, operasyonlar çok az ilişkili bir maliyetle durdurulabilir ve başlatılabilir. Bu nedenlerden dolayı, EAO'lar yoluyla üretim 50 yılı aşkın süredir istikrarlı bir şekilde artmaktadır ve şu anda küresel çelik üretiminin yaklaşık% 33'ünü oluşturmaktadır.
Oksijenli Çelik Üretimi
Küresel çelik üretiminin çoğu, yani yaklaşık% 66'sı şu anda temel oksijen tesislerinde üretiliyor - 1960'larda endüstriyel ölçekte oksijeni nitrojenden ayırmak, temel oksijenin gelişiminde büyük ilerlemeler sağladı fırınlar.
Temel oksijen fırınları, oksijeni büyük miktarlarda erimiş demir ve hurda çeliğe üfler ve bir şarjı açık ocak yöntemlerinden çok daha hızlı tamamlayabilir. 350 metrik tona kadar demir tutan büyük gemiler çeliğe dönüşümü bir saatten daha kısa sürede tamamlayabilir.
Oksijenli çelik üretiminin maliyet verimliliği, açık ocak fabrikalarını rakipsiz hale getirdi ve 1960'larda oksijenli çelik üretiminin ortaya çıkmasının ardından, açık ocak operasyonları kapanmaya başladı. ABD'deki son açık ocak tesisi 1992'de ve Çin 2001'de kapatıldı.