تاريخ الصلب من العصر الحديدي إلى أفران القوس الكهربائي

تطور الصلب يمكن ارجاعه 4000 سنة إلى بداية العصر الحديدي. ولكي يكون الحديد أصعب وأقوى من البرونز، الذي كان في السابق المعدن الأكثر استخداما، بدأ الحديد بتهجير البرونز في الأسلحة والأدوات.

على مدى بضعة آلاف من السنين التالية، ومع ذلك، فإن نوعية الحديد المنتجة تعتمد على الكثير من خام المتاحة كما في أساليب الإنتاج.

وبحلول القرن السابع عشر، كانت خصائص الحديد مفهومة جيدا، ولكن التوسع الحضري في أوروبا طالب بمعدن بنيوي أكثر تنوعا.

وبحلول القرن التاسع عشر، كانت كمية الحديد المستهلكة من خلال توسيع السكك الحديدية تزود خبراء المعادن بالحافز المالي لإيجاد حل لشدة الحديد وعدم كفاءة عمليات الإنتاج.

مما لا شك فيه، على الرغم من ذلك، اختراق كبير في تاريخ الصلب جاء في عام 1856 عندما طور هنري بيسيمر وسيلة فعالة لاستخدام الأكسجين للحد من محتوى الكربون في الحديد: ولدت صناعة الصلب الحديثة.

- 2>>

عصر الحديد

في درجات حرارة عالية جدا، يبدأ الحديد في امتصاص الكربون، مما يقلل من درجة انصهار المعدن، مما يؤدي إلى الحديد الزهر (2. 5 إلى 4. 5٪ كربون ). وقد أدى تطوير أفران الصهر، التي استخدمها الصينيون لأول مرة في القرن السادس قبل الميلاد، ولكن استخدم على نطاق واسع في أوروبا خلال العصور الوسطى، إلى زيادة إنتاج الحديد الزهر.

حديد الخنزير هو الحديد المنصهر ينفد من أفران الانفجار ويبرد في القناة الرئيسية والقوالب المجاورة. كانت السبائك الصغيرة الكبيرة والمركبة والمجاورة تشبه الخنازير الصغيرة والمزروعة.

الحديد الزهر قوي ولكن يعاني من هشاشة بسبب محتوى الكربون، مما يجعلها أقل من مثالية للعمل والتشكيل. كما علم علماء المعادن أن محتوى الكربون العالي في الحديد كان أساسيا لمشكلة هشاشة، وأنها تجربت مع أساليب جديدة للحد من محتوى الكربون من أجل جعل الحديد أكثر قابلية للتطبيق.

وبحلول أواخر القرن الثامن عشر، تعلم صناع الحديد كيفية تحويل الحديد الخنزير الزهر إلى محتوى منخفض الكربون من الحديد المطاوع باستخدام أفران البادلج (التي وضعها هنري كورت في 1784). الأفران تسخن الحديد المنصهر، الذي كان يجب أن يحركه الباعة باستخدام أدوات طويلة على شكل خنزير، مما يسمح للأكسجين بالجمع مع إزالة الكربون ببطء.

مع انخفاض محتوى الكربون، تزداد نقطة انصهار الحديد، لذلك تكتل كتل الحديد في الفرن. هذه الجماهير سيتم إزالتها وعملت مع مطرقة تزوير من قبل البادلر قبل أن توالت في ورقة أو القضبان. وبحلول عام 1860، كان هناك أكثر من 3000 من الأفران البركانية في بريطانيا، لكن العملية ظلت تعوقها كثافة العمل والوقود.

واحدة من أقدم أشكال الصلب، الصلب نفطة، وبدأ الإنتاج في ألمانيا وانكلترا في القرن 17، وكان ينتج عن طريق زيادة محتوى الكربون في الحديد الخنزير المنصهر باستخدام عملية تعرف باسم الأسمنت.في هذه العملية، كانت الحانات من الحديد المطاوع الطبقات مع مسحوق الفحم في صناديق الحجر وتسخينها.

بعد حوالي أسبوع، الحديد سوف تمتص الكربون في الفحم. ومن شأن التسخين المتكرر أن يوزع الكربون بشكل أكثر توازنا وأن تكون النتيجة، بعد التبريد، نفطة من الصلب. ارتفاع محتوى الكربون جعل الصلب نفطة أكثر من ذلك بكثير من الحديد الخنزير، مما يسمح للضغط أو المدرفلة.

إنتاج الصلب نفطة متقدمة في 1740s عندما بينكمين هنتسمان الإنجليزية كلوكماكر بينما كان يحاول تطوير الصلب عالية الجودة للينابيع له على مدار الساعة، وجدت أن المعدن يمكن ذاب في بوتقة الطين والمكرر مع تدفق خاص لإزالة الخبث أن عملية التسميد تركت وراءها. وكانت النتيجة بوتقة أو الصلب الزهر. ولكن نظرا لتكلفة الإنتاج، كل من نفطة والفولاذ المصبوب كانت تستخدم من أي وقت مضى فقط في التطبيقات المتخصصة.

ونتيجة لذلك، ظل الحديد الزهر المصنوع في أفران البركل هو المعدن الهيكلي الأساسي في تصنيع بريطانيا خلال معظم القرن التاسع عشر.

عملية بيسيمر وصناعة الصلب الحديثة

وضع نمو خطوط السكك الحديدية خلال القرن التاسع عشر في كل من أوروبا وأمريكا ضغوطا كبيرة على صناعة الحديد، التي ما زالت تكافح مع عمليات الإنتاج غير الفعالة.

ومع ذلك، كان الصلب لا يزال غير مثبت كمعدن هيكلي، وكان الإنتاج بطيئا ومكلفا. وكان ذلك حتى عام 1856 عندما جاء هنري بيسيمر مع طريقة أكثر فعالية لإدخال الأكسجين في الحديد المنصهر من أجل الحد من محتوى الكربون.

والمعروفة الآن باسم عملية بيسيمر، صممت بيسيمر وعاء على شكل كمثرى، ويشار إلى "المحول"، حيث الحديد يمكن تسخينها بينما الأكسجين يمكن أن تكون في مهب من خلال المعدن المنصهر. ومع مرور الأكسجين من خلال المعدن المنصهر، فإنه يتفاعل مع الكربون، وإطلاق ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الحديد أكثر نقاء.

كانت العملية سريعة وغير مكلفة، وإزالة الكربون والسيليكون من الحديد في غضون دقائق ولكن عانت من كونها ناجحة جدا. تمت إزالة الکثیر من الکربون وظھر الکثیر من الأکسجین في المنتج النھائي. كان بسمر في نهاية المطاف لسداد مستثمريه حتى يتمكن من العثور على طريقة لزيادة محتوى الكربون وإزالة الأكسجين غير المرغوب فيها.

وفي الوقت نفسه تقريبا، استحوذ ميتالورجيا بريطانيا روبرت موشيت على اختبار مركب من الحديد والكربون والمنغنيز يعرف باسم سبيجليسن . ومن المعروف أن المنغنيز لإزالة الأكسجين من الحديد المنصهر ومحتوى الكربون في سبيجليسن، إذا أضيفت في الكميات الصحيحة، من شأنه أن يوفر حل لمشاكل بسمر. بدأ بسمر إضافته إلى عملية التحويل له بنجاح كبير.

ومع ذلك، لا تزال هناك مشكلة واحدة. فشل بيسيمر في العثور على طريقة لإزالة الفوسفور، وهي شائبة ضارة تجعل الصلب هش من المنتج النهائي له. ونتيجة لذلك، يمكن استخدام خام خال من الفوسفور فقط من السويد وويلز.

في عام 1876 جاء ويلشمان سيدني جيلكريست توماس مع الحل بإضافة تدفق كيميائي أساسي من الحجر الجيري إلى عملية بيسيمر. ورسم الحجر الجيري الفوسفور من حديد الخنزير إلى الخبث، مما يسمح بإزالة العنصر غير المرغوب فيه.

هذا الابتكار يعني أنه، أخيرا، خام الحديد من أي مكان في العالم يمكن أن تستخدم لصنع الصلب. ليس من المستغرب أن تكاليف إنتاج الصلب بدأت تنخفض بشكل ملحوظ. وانخفضت أسعار السكك الحديدية الحديدية أكثر من 80٪ بين 1867 و 1884، نتيجة للتقنيات الجديدة لإنتاج الصلب، مما أدى إلى نمو صناعة الصلب العالمية.

عملية الموقد المفتوح

في 1860s، قام المهندس الألماني كارل فيلهلم سيمنز بزيادة تعزيز إنتاج الصلب من خلال إنشاء عملية الموقد المفتوحة. عملية الموقد المفتوحة تنتج الصلب من الحديد الخنزير في الأفران الضحلة الكبيرة.

باستخدام درجات حرارة عالية لحرق الكربون الزائد والشوائب الأخرى، اعتمدت العملية على غرف الطوب الساخن تحت الموقد. استخدمت أفران التجدد لاحقا غازات العادم من الفرن للحفاظ على درجات حرارة عالية في غرف الطوب أدناه.

يسمح هذا الأسلوب لإنتاج كميات أكبر بكثير (50-100 طن متري يمكن أن تنتج في فرن واحد)، والاختبار الدوري للصلب المنصهر بحيث يمكن أن تكون مصنوعة لتلبية مواصفات معينة واستخدام الصلب الخردة كما مادة خام. على الرغم من أن العملية نفسها كانت أبطأ بكثير، بحلول عام 1900 عملية الموقد المفتوحة قد حلت إلى حد كبير محل عملية بيسيمر.

ولادة صناعة الصلب

وقد اعترف العديد من رجال الأعمال اليوم بأن الثورة في إنتاج الصلب التي وفرت مواد أرخص وأعلى جودة هي فرصة استثمارية. استثمر الرأسماليون في أواخر القرن التاسع عشر، بما في ذلك أندرو كارنيجي وتشارلز شواب، وجعل الملايين (مليارات في حالة كارنيغي) في صناعة الصلب. تأسست شركة كارنيجي للصلب الأمريكية، التي تأسست في عام 1901، أول شركة تم إطلاقها قيمتها أكثر من مليار دولار.

فرن القوس الكهربائي ستيلماكينغ

بعد مطلع القرن، حدث تطور آخر سيكون له تأثير قوي على تطور إنتاج الصلب. تم تصميم فرن القوس الكهربائي بول هيرولت لتمرير تيار كهربائي من خلال المواد المشحونة، مما أدى إلى أكسدة الحرارة ودرجات الحرارة تصل إلى 3272 ° F <1800 ° C)، أكثر من كافية لتسخين إنتاج الصلب.

في البداية استخدمت في الفولاذ التخصص، نمت في استخدام إفس، وبحلول الحرب العالمية الثانية، كانت تستخدم لتصنيع سبائك الصلب. وقد أتاحت التكلفة الاستثمارية المنخفضة التي ينطوي عليها إنشاء مصانع مصايد أسماك البحر الأبيض المتوسط ​​إمكانية التنافس مع المنتجين الأمريكيين الرئيسيين مثل شركة الصلب الأمريكية وشركة بيت لحم للصلب، وخاصة في فولاذ الكربون أو المنتجات الطويلة.

لأن الأفران المائية يمكن أن تنتج الصلب من خردة 100٪ أو تغذية حديدية باردة، هناك حاجة إلى طاقة أقل لكل وحدة إنتاج. على عكس المآخذ الأكسجين الأساسية، ويمكن أيضا أن توقف العمليات وبدأت مع القليل من التكلفة المرتبطة بها. ولهذه األسباب، فإن اإلنتاج عن طريق األرصاد ​​الجوية األوروبية قد ازداد بشكل مطرد منذ أكثر من 50 عاما، ويمثل اآلن حوالي 33٪ من إنتاج الصلب العالمي.

الأكسجين ستيلماكينغ

معظم إنتاج الصلب العالمي - حوالي 66٪ -أنتج الآن في مرافق الأكسجين الأساسية. وأتاح تطوير طريقة لفصل الأوكسجين من النيتروجين على نطاق صناعي في الستينيات تحقيق تقدم كبير في تطوير أفران الأكسجين الأساسية.

الأكسجين الأساسية الأكسجين ضربة الأكسجين إلى كميات كبيرة من الحديد المنصهر والخردة الصلب ويمكن إكمال تهمة أسرع بكثير من طرق الموقد مفتوحة. ويمكن للسفن الكبيرة التي تحمل ما يصل إلى 350 طنا متريا من الحديد أن تستكمل التحويل إلى الصلب في أقل من ساعة واحدة.

جعلت الكفاءة في تكلفة صناعة الأكسجين المصنوعة من الفولاذ مصانع مفتوحة الموقد غير قادرة على المنافسة، وبعد ظهور الصلب الأكسجين في 1960s، بدأت عمليات الموقد مفتوحة إغلاق. آخر منشأة للموقد المفتوح في الولايات المتحدة أغلقت في عام 1992 وفي الصين عام 2001.

_{المصادر:}

_{سبويرل، جوزيف S. لمحة تاريخية عن إنتاج الحديد والصلب . كلية سانت أنسيلم.}

_{جمعية الصلب العالمية. شبكة الاتصالات العالمية. steeluniversity. أورغ}

_{شارع، آرثر. & أليكساندر، W. O. 1944. المعادن في خدمة الإنسان . 11th إديتيون (1998).}