До 1860 года сталь была дорогой и производилась в небольших количествах, но развитие технологии тигельной стали Бенджамином Хантсманом в 1740-х годах, Бессемеровского процесса в 1850-х годах и процесса Сименса-Мартина в 1850-1860-х годах привело к массовому производству сталь, одно из ключевых достижений Второй промышленной революции.
КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
- Сталь - это сплав железа и других элементов, в первую очередь углерода, который широко используется в строительстве и других областях из-за его высокой прочности на разрыв и низкой стоимости. Основной металл стали - железо. Впервые его начали производить в древности, но за два десятилетия до промышленной революции производство стали было улучшено, что в то время было дорогим товаром, используемым только там, где железо не годилось.
- Бенджамин Хантсман разработал свою технику изготовления тигельной стали в 1740-х годах. Он смог сделать удовлетворительную отливку стали в тиглях из глиняных горшков, каждый из которых вмещал около 34 фунтов черновой стали. Добавляли флюс, накрывали и нагревали коксом около трех часов. Затем расплавленную сталь разливали в формы и повторно использовали тигли. В течение долгого времени Хантсман экспортировал всю свою продукцию во Францию, поскольку местные производители отказывались работать со сталью более твердой, чем они уже использовали.
- Сталь часто называют первой из нескольких новых областей промышленного массового производства, характерных для Второй промышленной революции. Примерно до 1860 года сталь все еще была дорогим продуктом. Проблема массового производства дешевой стали была решена в 1855 году Генри Бессемером с внедрением конвертера Бессемера на его сталелитейном заводе в Шеффилде, Англия. Дальнейшие эксперименты Йорана Фредрика Йоранссона и Роберта Форестера Мушета позволили Бессемеру усовершенствовать так называемый процесс Бессемера.
- Хотя первоначально Бессемер встретил отпор и был вынужден сам использовать свой процесс, в конечном итоге лицензии были запрошены в таком количестве, что Бессемер получил гонорары, превышающие миллион фунтов стерлингов. К 1870 году бессемеровская сталь широко использовалась для изготовления корабельной плиты. Бессемеровский процесс также сделал стальные железные дороги конкурентоспособными по цене. Опыт быстро показал, что сталь имеет гораздо большую прочность и долговечность и может выдерживать более тяжелые и быстрые двигатели и автомобили.
- После 1890 года бессемеровский процесс постепенно вытеснялся мартеновским производством стали. Карл Вильгельм Сименс разработал регенеративную печь Сименс в 1850-х годах. Эта печь работала при высокой температуре за счет регенеративного подогрева топлива и воздуха для горения. В 1865 году Пьер-Эмиль Мартен получил лицензию от Siemens и применил свою регенеративную печь для производства стали. Процесс Сименс-Мартин был медленнее, и поэтому его легче было контролировать. Это также позволило выплавлять и рафинировать большое количество стального лома, что еще больше снизило затраты на производство, стали и переработало опасные отходы.
- К началу 20 века процесс Сименс-Мартин стал ведущим процессом производства стали. Доступность дешевой стали позволяла строить мосты, железные дороги, небоскребы и корабли большего размера. Другими важными изделиями из стали были стальной трос, стальной стержень и листовая сталь, которые позволили использовать большие котлы высокого давления и сталь с высокой прочностью на растяжение для оборудования. Военная техника также значительно улучшилась.
Сталь и промышленная революция
Сталь - это сплав железа и других элементов, в первую очередь углерода, который широко используется в строительстве и других областях из-за его высокой прочности на разрыв и низкой стоимости. Основным металлом стали является железо, которое в зависимости от температуры может принимать две кристаллические формы: объемно-центрированную кубическую (ОЦК) и гранецентрированную кубическую (ГЦК). Именно взаимодействие этих аллотропов с легирующими элементами, в первую очередь углеродом, придает стали и чугуну ряд уникальных свойств. В конфигурации BCC в центре каждого куба находится атом железа, а в FCC - по одному в центре каждой из шести граней куба. Углерод, другие элементы и включения в железе действуют как отвердители, предотвращающие движение дислокаций, которые в противном случае возникают в кристаллических решетках атомов железа.
Сталь (с более низким содержанием углерода, чем чугун, но более высоким, чем у кованого железа) была впервые произведена в древности, но за два десятилетия до промышленной революции в производстве стали, которая в то время была дорогим товаром, использовалась только там, где железо не годится, например, для современных инструментов и пружин. Бенджамин Хантсман разработал свою технику изготовления тигельной стали в 1740-х годах. После многих экспериментов Хантсман смог сделать удовлетворительную отливку стали в тиглях из глиняных горшков, каждый из которых вмещал около 34 фунтов черновой стали. Добавляли флюс, накрывали и нагревали коксом около трех часов. Затем расплавленную сталь разливали в формы и повторно использовали тигли. Местные производители столовых приборов отказались покупать стальное литье Хантсмана, так как оно было тверже немецкой стали, к которой они привыкли. Хантсман долгое время экспортировал всю свою продукцию во Францию. Черновая сталь, используемая Хантсманом в качестве сырья, была изготовлена путем цементации или науглероживания железа. Науглероживание - это процесс термообработки, при котором железо или сталь поглощают углерод, в то время как металл нагревается в присутствии углеродсодержащего материала, такого как древесный уголь или окись углерода. Цель состоит в том, чтобы сделать металл более твердым. В отличие от современного производства стали, этот процесс увеличил количество углерода в чугуне. Цель состоит в том, чтобы сделать металл более твердым. В отличие от современного производства стали, этот процесс увеличил количество углерода в чугуне. Цель состоит в том, чтобы сделать металл более твердым. В отличие от современного производства стали, этот процесс увеличивал количество углерода в чугуне.
Вторая Промышленная Революция
Сталь часто называют первой из нескольких новых областей промышленного массового производства, которые характеризуют Вторую промышленную революцию, начавшуюся примерно в 1850 году, хотя метод массового производства стали не был изобретен до 1860-х годов и стал широкодоступным в 1870-х годах после этого процесса. был изменен для получения более однородного качества.
Примерно до 1860 года сталь была дорогим продуктом, производилась в небольших количествах и использовалась в основном для изготовления мечей, инструментов и столовых приборов. Все крупные металлические конструкции были из кованого или чугунного железа. Проблема массового производства дешевой стали была решена в 1855 году Генри Бессемером с внедрением конвертера Бессемера на его сталелитейном заводе в Шеффилде, Англия. В процессе Бессемера расплавленный чугун из доменной печи загружали в большой тигель, и воздух продувался через расплавленный чугун снизу, воспламеняя растворенный углерод из кокса. По мере того, как уголь выгорает, температура плавления смеси увеличивается, но тепло от горящего угля обеспечивает дополнительную энергию, необходимую для поддержания расплавления смеси. После снижения содержания углерода в расплаве до желаемого уровня тяга воздуха перекрывалась. Типичный конвертер Бессемера может преобразовать 25-тонную партию чугуна в сталь за полчаса. Бессемер продемонстрировал процесс в 1856 году и успешно провел операцию к 1864 году.
Хотя бессемеровский процесс больше не используется в коммерческих целях, на момент его изобретения он имел огромное промышленное значение, поскольку снизил стоимость производства стали, что привело к тому, что сталь стала широко заменять чугун. Внимание Бессемера было привлечено к проблеме стали. производство в попытке улучшить конструкцию орудия.
Бессемер передал лицензию на свой процесс пяти металлургам, но с самого начала у компаний были большие трудности с производством стали хорошего качества. Горан Фредрик Йоранссон, шведский мастер по производству железа, использующий более чистый древесный уголь в чушках этой страны, был первым, кто сделал хорошую сталь с помощью этого процесса, но только после многих попыток. Его результаты побудили Бессемера попробовать более чистое железо, полученное из гематита Камберленд, но имело лишь ограниченный успех, поскольку количество углерода было трудно контролировать. Роберт Форестер Мушет после тысяч экспериментов на Darkhill Ironworks показал, что количество углерода можно контролировать, удалив почти весь его из железа, а затем добавив точное количество углерода и марганца в виде шпигелейзена (ферромарганцевый сплав. ).
Когда Бессемер попытался убедить производителей использовать его усовершенствованную систему, он встретил общий отпор и в конечном итоге был вынужден сам приступить к эксплуатации процесса. Он построил сталелитейный завод в Шеффилде в рамках делового партнерства с другими компаниями, такими как W&J Galloway & Sons, и начал производство стали. Сначала объем производства был незначительным, но постепенно масштабы операции увеличивались до тех пор, пока конкуренция не стала эффективной, и трейдеры стали осознавали, что фирма Henry Bessemer & Co. продавала их по заниженным ценам до 10-15 фунтов стерлингов за тонну. . Этот аргумент в пользу карманов быстро возымел действие, и лицензии были запрошены в таком количестве, что в качестве гонорара за использование его процесса Бессемер получил сумму, значительно превышающую миллион фунтов стерлингов. К 1870 г. Бессемеровская сталь широко использовалась для изготовления корабельной плиты. К 1850-м годам скорость, вес и количество железнодорожных перевозок были ограничены прочностью используемых кованых рельсов. Решением было обратиться к стальным рельсам, которые благодаря бессемеровскому процессу стали конкурентоспособными по цене. Опыт быстро показал, что сталь имеет гораздо большую прочность и долговечность и может выдерживать более тяжелые и быстрые двигатели и автомобили.
Однако Мушет ничего не получил и к 1866 году был нищим и больным. В том же году его 16-летняя дочь Мэри приехала в Лондон одна, чтобы противостоять Бессемеру в его офисе, утверждая, что его успех был основан на результатах работы ее отца. Бессемер решил выплачивать Мушету ежегодную пенсию в размере 300 фунтов стерлингов, очень значительную сумму, которую он выплачивал более 20 лет, возможно, чтобы удержать Мушет от судебных исков.
После 1890 года бессемеровский процесс постепенно вытеснялся мартеновским производством стали. Сэр Карл Вильгельм Сименс разработал регенеративную печь Сименс в 1850-х годах и в 1857 году заявил, что утилизирует достаточно тепла, чтобы сэкономить 70–80% топлива. Эта печь работала при высокой температуре за счет регенеративного подогрева топлива и воздуха для горения. При регенеративном предварительном нагреве отходящие газы из печи закачиваются в камеру, содержащую кирпичи, где тепло передается от газов к кирпичам. Затем поток в печи меняется на противоположный, так что топливо и воздух проходят через камеру и нагреваются кирпичами. Благодаря этому методу мартеновская печь может достигать достаточно высоких температур для плавления стали, но компания Siemens изначально не использовала ее для этого. В 1865 г. Французский инженер Пьер-Эмиль Мартен получил лицензию от Siemens и впервые применил свою регенеративную печь для производства стали. Наиболее привлекательной характеристикой регенеративной печи Сименс является быстрое производство большого количества основной стали, используемой, например, для строительства высотных зданий.
Наиболее привлекательной характеристикой регенеративной печи Сименс было быстрое производство большого количества основной стали, используемой, например, для строительства высотных зданий. Благодаря методу Сименса мартеновская печь могла достигать достаточно высоких температур для плавления стали, но изначально Сименс не использовала ее для этого. Именно Мартин первым применил регенеративную печь для производства стали.
Процесс Сименс-Мартин скорее дополнял, чем заменял процесс Бессемера. Он был медленнее и, следовательно, его легче было контролировать. Это также позволило выплавлять и рафинировать большое количество стального лома, что еще больше снизило затраты на производство, стали и переработало опасные отходы. Его самым большим недостатком было и остается то, что плавление и очистка шихты занимает несколько часов. Кроме того, рабочая среда вокруг мартеновской печи была и остается чрезвычайно опасной.
К началу 20 века процесс Сименс-Мартин стал ведущим процессом производства стали. Доступность дешевой стали позволяла строить мосты, железные дороги, небоскребы и корабли большего размера. Другими важными изделиями из стали, также изготовленными с использованием мартеновского процесса, были стальной трос, стальной стержень и листовая сталь, которые позволили использовать большие котлы высокого давления, а также сталь с высокой прочностью на растяжение для оборудования, что позволило создать гораздо более мощные двигатели, шестерни и оси. чем это было возможно раньше. Благодаря большому количеству стали стало возможным построить гораздо более мощные орудия и лафеты, танки, боевые бронированные машины и военно-морские корабли.
