Yüksek fırınlar ilk olarak MÖ 6. yüzyılda Çinliler tarafından geliştirildi, ancak Orta Çağ boyunca Avrupa'da daha yaygın olarak kullanıldı ve dökme demir üretimini artırdı. Çok yüksek sıcaklıklarda demir karbonu emmeye başlar, bu da metalin erime noktasını düşürür ve dökme ile sonuçlanır. Demir (Yüzde 2.5 ila yüzde 4.5 karbon).
Dökme demir güçlüdür, ancak karbon içeriği nedeniyle kırılganlıktan muzdariptir, bu da onu çalışma ve şekillendirme için ideal olandan daha az yapar. Metalurjistler demirdeki yüksek karbon içeriğinin, kırılganlık, demiri daha fazla yapmak için karbon içeriğini azaltmak için yeni yöntemler denediler çalışılabilir.
Modern çelik üretimi demir yapmanın bu ilk günlerinden ve teknolojideki müteakip gelişmelerden evrimleşti.
Dövme demir
18. yüzyılın sonlarına doğru, demir üreticileri, 1784 yılında Henry Cort tarafından geliştirilen puding fırınlarını kullanarak dökme pik demiri düşük karbonlu ferforje haline nasıl dönüştüreceklerini öğrendiler. Pik demir, yüksek fırınlardan çıkan ve ana kanalda ve bitişik kalıplarda soğutulan erimiş demirdir. Adını aldı, çünkü büyük, merkezi ve bitişik küçük külçeler bir ekmek ve emziren domuz yavrularına benziyordu.
Ferforje yapmak için fırınlar, uzun kürek biçimli aletler kullanarak su birikintileri tarafından karıştırılması gereken erimiş demiri ısıtıp oksijenin karbonla birleşmesine ve yavaşça karbonun çıkarılmasına izin verdi.
Karbon içeriği azaldıkça demirin erime noktası artar, böylece demir kütleleri fırında toplanır. Bu kütleler, levhalara veya raylara haddelenmeden önce puddler tarafından bir dövme çekiçle çıkarılacak ve çalışacaktı. 1860'a gelindiğinde, Britanya'da 3.000'den fazla puding fırını vardı, ancak bu süreç emek ve yakıt yoğunluğu nedeniyle engellenmeye devam etti.
Blister Çelik
Blister çelik - en eski biçimlerden biri çelik- 17. yüzyılda Almanya ve İngiltere'de üretim başladı ve erimiş pik demirdeki karbon içeriğinin sementasyon olarak bilinen bir işlem kullanılarak arttırılmasıyla üretildi. Bu süreçte, dövme demir çubuklar taş kutularda toz kömür ile katmanlanmış ve ısıtılmıştır.
Yaklaşık bir hafta sonra demir, kömürdeki karbonu emer. Tekrarlanan ısıtma, karbonu daha eşit bir şekilde dağıtır ve sonuç, soğutulduktan sonra blister çeliktir. Daha yüksek karbon içeriği, blister çeliğini pik demire göre çok daha kullanışlı hale getirerek preslenmesini veya haddelenmesini sağlar.
Blister çelik üretimi, İngiliz saat üreticisi Benjamin Huntsman'ın metalin kil potalarda eritilir ve simantasyon işleminin geride bıraktığı cürufu gidermek için özel bir akı ile rafine edilir. Huntsman saat yayları için yüksek kaliteli bir çelik geliştirmeye çalışıyordu. Sonuç, pota veya dökme çelikti. Bununla birlikte, üretim maliyeti nedeniyle, hem blister hem de dökme çelik sadece özel uygulamalarda kullanıldı.
Sonuç olarak, puding fırınlarında yapılan dökme demir, 19. yüzyılın büyük bölümünde Britanya'nın sanayileşmesinde birincil yapısal metal olarak kaldı.
Bessemer Süreci ve Modern Çelik Üretimi
Hem Avrupa hem de Amerika'da 19. yüzyılda demiryollarının büyümesi, hala verimsiz üretim süreçleriyle mücadele eden demir endüstrisi üzerinde büyük baskı yarattı. Çelik, yapısal bir metal olarak hala kanıtlanmamıştır ve üretim yavaş ve maliyetlidir. Bu, 1856 yılına kadar Henry Bessemer'in karbon içeriğini azaltmak için erimiş demire oksijen katmanın daha etkili bir yolunu bulduğu zamandı.
Şimdi Bessemer Süreci olarak bilinen Bessemer, erimiş metal içinden oksijen üflenirken demirin ısıtılabileceği armut biçimli bir hazne (dönüştürücü olarak adlandırılır) tasarladı. Erimiş metalden oksijen geçerken, karbonla reaksiyona girerek karbondioksit açığa çıkaracak ve daha saf bir demir üretecektir.
İşlem hızlı ve ucuzdu, karbon ve silikonu birkaç dakika içinde demirden uzaklaştırdı, ancak çok başarılı oldu. Nihai üründe çok fazla karbon çıkarıldı ve çok fazla oksijen kaldı. Bessemer, karbon içeriğini artırmak ve istenmeyen oksijeni çıkarmak için bir yöntem bulana kadar yatırımcılarına geri ödeme yapmak zorunda kaldı.
Aynı zamanda, İngiliz metalurji Robert Mushet bir demir, karbon ve manganez- spiegeleisen olarak bilinir. Manganezin erimiş demirden oksijeni çıkardığı biliniyordu ve spiegeleisen'deki karbon içeriği, doğru miktarlarda eklenirse, Bessemer problemlerine çözüm sağlayacaktır. Bessemer, dönüşüm sürecine büyük bir başarıyla eklemeye başladı.
Bir sorun kaldı. Bessemer, son ürününden fosforu (çeliği kırılgan hale getiren zararlı bir kirlilik) çıkarmanın bir yolunu bulamamıştı. Sonuç olarak, sadece İsveç ve Galler'den fosfor içermeyen cevherler kullanılabilir.
1876'da Welshman Sidney Gilchrist Thomas, Bessemer sürecine kimyasal olarak temel bir kireç - kireçtaşı ekleyerek bir çözüm buldu. Kireçtaşı, pik demiri fosfordan cüruf içine çekerek istenmeyen elementin çıkarılmasını sağlar.
Bu yenilik, dünyanın her yerinden gelen demir cevherinin nihayet çelik yapmak için kullanılabileceği anlamına geliyordu. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, çelik üretim maliyetleri önemli ölçüde düşmeye başladı. Çelik ray fiyatları 1867 ve 1884 arasında yüzde 80'den fazla düşerek dünya çelik endüstrisinin büyümesini başlattı.
Açık Ocak Süreci
1860'larda Alman mühendis Karl Wilhelm Siemens, açık ocak sürecini yaratarak çelik üretimini daha da artırdı. Bu, büyük sığ fırınlarda pik demirden çelik üretti.
Aşırı karbon ve diğer yabancı maddeleri yakmak için yüksek sıcaklıklar kullanan işlem, ocağın altındaki ısıtılmış tuğla odalarına dayanıyordu. Rejeneratif fırınlar daha sonra aşağıdaki tuğla odalarında yüksek sıcaklıkları korumak için fırından çıkan egzoz gazlarını kullandı.
Bu yöntem, daha büyük miktarlarda (bir fırında 50-100 metrik ton), periyodik testlerin üretilmesine izin verdi erimiş çelikten üretilmiştir, böylece belirli özellikleri karşılamak için yapılabilir ve hurda çeliğin ham olarak kullanılması malzeme. Sürecin kendisi çok daha yavaş olmasına rağmen, 1900 yılına kadar açık ocak süreci büyük ölçüde Bessemer sürecinin yerini almıştı.
Çelik Endüstrisinin Doğuşu
Daha ucuz, daha kaliteli malzeme sağlayan çelik üretiminde yaşanan devrim, birçok iş adamı tarafından bir yatırım fırsatı olarak kabul edildi. Andrew Carnegie ve 19. yüzyılın sonlarında kapitalistler Charles Schwab, çelik endüstrisine milyonlarca (Carnegie durumunda milyarlarca) yatırım yaptı ve yatırım yaptı. Carnegie'nin 1901 yılında kurulan US Steel Corporation, 1 milyar dolardan fazla değere sahip ilk şirketti.
Elektrik Ark Ocağı Çelik Üretimi
Yüzyılın başından hemen sonra, Paul Heroult'un elektrik ark ocağı (EAF), yüklü malzemeden bir elektrik akımı geçirecek şekilde tasarlandı, ekzotermik oksidasyon ve 3.272 derece Fahrenhayt (1.800 santigrat derece) sıcaklığa neden olur, bu da çeliği ısıtmak için fazlasıyla yeterli üretim.
Başlangıçta özel çelikler için kullanılan EAF'ler kullanımda büyüdü ve II. Dünya Savaşı tarafından çelik alaşımlarının üretimi için kullanılıyordu. EAF değirmenlerinin kurulmasında düşük yatırım maliyeti, US Steel Corp. gibi ABD'li büyük üreticilerle rekabet etmelerini sağladı. ve Bethlehem Steel, özellikle karbon çeliklerinde veya uzun ürünlerde.
EAF'ler yüzde 100 hurda veya soğuk demirli yemden çelik üretebildiğinden, üretim birimi başına daha az enerji gerekir. Temel oksijen ocaklarının aksine, işlemler de durdurulabilir ve çok az maliyetle başlatılabilir. Bu nedenlerden dolayı, EAF'ler aracılığıyla üretim 50 yıldan fazla bir süredir istikrarlı bir şekilde artmaktadır ve 2017 itibariyle küresel çelik üretiminin yaklaşık yüzde 33'ünü oluşturmuştur.
Oksijen Çelik Üretimi
Küresel çelik üretiminin çoğu - yaklaşık yüzde 66 - temel oksijen tesislerinde üretilmektedir. 1960'larda endüstriyel ölçekte oksijeni nitrojenden ayırmak için bir yöntemin geliştirilmesi, temel oksijen fırınlarının geliştirilmesinde büyük ilerlemeler sağlamıştır.
Temel oksijen fırınları, oksijeni büyük miktarlarda erimiş demir ve hurda çeliğe üfler ve açık ocak yöntemlerinden çok daha hızlı bir yükü tamamlayabilir. 350 metrik tona kadar demir içeren büyük gemiler çeliğe dönüşümü bir saatten daha kısa sürede tamamlayabilir.
Oksijen çelik üretiminin maliyet verimliliği, açık ocak fabrikalarını rekabetsiz hale getirdi ve 1960'larda oksijen çelik üretiminin ortaya çıkmasının ardından açık ocak operasyonları kapanmaya başladı. ABD'deki son açık ocak tesisi 1992'de, Çin'de ise son açık ocak 2001'de kapandı.
Kaynaklar:
Spoerl, Joseph S. Demir Çelik Üretiminin Kısa Tarihi. Saint Anselm Koleji.
Mevcut: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Dünya Çelik Birliği. İnternet sitesi: www.steeluniversity.org
Sokak Arthur. & Alexander, W. Ö. 1944. İnsanın Hizmetinde Metaller. 11. Baskı (1998).