Table of Contents
Состояние черной металлургии до 19-го века
До 19-го века переписал правила металлургии, производство полезного железа и стали было дорогостоящим, трудоемким предприятием, ограниченным запасом топлива и ограничениями процесса. Материальный мир конца 1700-х годов был в основном построен из дерева, камня и кованого железа. Кованое железо, очищенное через кузницы, обработанные углем, или более поздний процесс пудлинга, было жестким, но трудоемко произведенным небольшими партиями. Чугун, хотя и дешевле производить в доменной печи, был хрупким и ненадежным при напряжении. Неуловимый материал был сталью - сплав железа и углерода, обладающий прочностью чугуна и твердостью кованого железа - но он оставался роскошным товаром, доступным только для режущих инструментов, пружин и тонких столовых приборов.
Металлургический вызов эпохи
Центральной проблемой, которая определила металлургию начала 19-го века, было отсутствие метода точного контроля содержания углерода в промышленном масштабе. Кованое железо содержит менее 0,008% углерода; оно мягкое и пластичное. Кастовое железо содержит от 2% до 4% углерода; оно твердое и хрупкое. Сталь занимает узкий диапазон между примерно 0,008% и 2,14% углерода, сладкое пятно, которое дает ему уникальную комбинацию твердости, прочности на растяжение и пластичности. Доминирующие методы производства стали до 1800-х годов - цементационная печь и процесс тиглей - могли достичь этой цели, но только в крошечных количествах. Миру нужна доменная печь, которая могла бы производить жидкую сталь, а не только чугун.
Топливный кризис и рост производства кока-колы
18-й век уже заложил один критический фундамент. Развитие Абрахама Дарби коксовых доменных печей в Коалбрукдейле в начале 1700-х годов разрешило кризис обезлесения, вызванный производством древесного угля. К началу 1800-х годов выплавка кокса была широко распространена, значительно понизив стоимость и увеличив производство чугуна. Однако коксовые доменные печи по-прежнему производили только чугун. Полученный металл был высоким содержанием углерода, кремния и других примесей. Он требовал обширной вторичной переработки - либо в обивочной печи для производства кованого железа, либо, редко, в тюше для производства высококачественной стали. Узкое место переместилось от топлива к самому процессу переработки.
Печь для пудинга: переработка без угля
Изобретение Генри Кортом в 1784 году процесса пудлинга было знаковым улучшением. Используя реверберационную печь, питаемую углем, пудлер перемешивал расплавленный чугун, подвергая его воздействию кислорода в атмосфере печи. Кислород сжигал углерод, кремний и марганец, оставляя после себя пастообразную массу относительно чистого кованого железа. В то время как большой шаг вперед — освобождение производства от зависимости от древесного угля — пудлинг был жестоко тяжелой работой, медленным и по своей сути мелкомасштабным. Один пудлер мог производить, возможно, тонну кованого железа в день. По мере ускорения развития железных дорог в 1830-х и 1840-х годах спрос на рельсы, котлы и структурные формы полностью опережал этот тип поставок.
Бессемерский процесс: пневматическая революция
Наиболее преобразующее единственное нововведение в истории сталелитейного производства произошло в 1856 году, когда сэр Генри Бессемер запатентовал свой пневматический процесс. Проницательность Бессемера была радикальной: вместо того, чтобы использовать пламя или перемешивание для удаления примесей из железа, он предложил продувать воздух непосредственно через ванну из расплавленного чугуна. Кислород в воздухе химически вступал в реакцию с углеродом, кремнием и марганцем, сжигая их из металла. Процесс был не просто эффективным; он был впечатляюще быстрым и экзотермическим, генерируя достаточно тепла, чтобы сохранить расплавленную сталь без внешнего топлива.
Автогенный преобразователь в действии
Аппарат Бессемера, преобразователь, представлял собой грушевидный сосуд, облицованный кремнеземным кирпичом (кислотная облицовка). В преобразователь была заряжена партия расплавленного чугуна, и воздух был пробит через трубки в днище. Изо рта преобразователя вырылось сильное пламя длиной в несколько метров, когда кремний и углерод были окислены. Типичный удар длился всего 10-20 минут по сравнению с днями, требуемыми методами тиглей или пудинга. Последовательность реакций была точной: сначала окислялся кремний, повышая температуру, а затем углерод. Когда пламя упало, указывая на конец декарбюрации, сталь была готова к использованию. Добавление Роберта Мушета Spiegeleisen (ферромарганцевый сплав) было критическим усовершенствованием, поскольку оно обезвредило сталь и повторно ввело точное количество углерода, необходимое для достижения конкретных марок.
Проблема фосфора и основное решение
Первоначальный триумф стали Бессемера был быстро закален критическим недостатком. Кислая кремнеземная облицовка конвертера не могла удалить фосфор из железа. Фосфор делает сталь хрупкой, особенно при низких температурах, состояние, известное как «холодная короткость». Можно было использовать только руды с чрезвычайно низким содержанием фосфора, такие как найденные в Швеции и некоторых частях Англии. Этот «бессемеровский кошмар» сильно ограничил применимость процесса. Решение пришло от Сидни Гилхриста Томаса и его кузена Перси Гилхриста в 1877 году. Они заменили кислотную кремнеземную облицовку основной облицовкой из кальцинированного доломита (оксида магния кальция). В базовом конвертере фосфор окислился и в сочетании с облицовкой и добавили известь, чтобы сформировать стабильный шлак. Этот процесс Гилхрист-Томас разблокировал обширные фосфорные месторождения железной руды Лотарингии, Люксембурга и Германии, фундаментально изменив географию производства стали. Было отмечено, что это
Экономическое влияние дешевой стали
Влияние процессов Бессемера и Гилхриста-Томаса было ошеломляющим. Цена стальных рельсов упала более чем на 80% между 1856 и 1900 гг. Объемы производства взлетели с ничтожных сумм до миллионов тонн в год. Процесс Бессемера непосредственно позволил быстрому расширению железнодорожных сетей в Соединенных Штатах, Европе, Индии и России. Сталь, когда-то драгоценный металл, стала товаром. (Для подробной технической истории конструирования конвертера см. запись процесса Бессемера в Википедии .
Процесс открытой земли: точность и масштаб
Хотя процесс Бессемера отличался скоростью и стоимостью, он имел присущие ему недостатки. Трудно было точно контролировать конечную химию, он не мог эффективно совершенствовать большие количества металлолома, а размер партии был ограничен мощностью преобразователя. Процесс открытой земли, разработанный независимо Уильямом Сименсом в Англии и Пьером-Эмиль Мартином во Франции в 1860-х годах, обеспечил дополнительное решение, которое подчеркивало контроль и гибкость.
Регенеративная печь Siemens
Сердцем процесса с открытыми решетками была регенеративная печь, одна из великих инноваций в области тепловой эффективности 19-го века. В конструкции Siemens использовались горячие выхлопные газы из печи для нагрева пары кирпичных «шахтерных камер». Через несколько минут воздушный поток был обращен вспять: поступающий воздух и топливный газ проходили через нагреваемые шашки, получая огромную тепловую энергию перед входом в печь. Этот цикл позволил печи достигать температуры, превышающей 1650 ° C (300 ° F), потребляя при этом гораздо меньше топлива, чем обычная печь. Сама печь была неглубоким, прямоугольным очагом, облицованным огнеупорным материалом (кислотным или основным, в зависимости от практики шлака).
Преимущества в химии и использовании скрапа
Печь Siemens-Martin была заряжена тщательно рассчитанной смесью расплавленного чугуна, металлолома, железной руды и потоков. Процесс очистки занял значительно больше времени, чем удар Бессемера - обычно от 4 до 8 часов, а иногда и дольше для высокоуглеродных марок. Этот более медленный темп был преимуществом, поскольку он позволял плавильщикам брать образцы, анализировать химию и вносить дополнения, чтобы поразить точные спецификации. Открытый очаг был гораздо более универсальным, чем преобразователь Бессемера. Он мог обрабатывать до 100% зарядов лома, что делало его экономически устойчивым во время колеблющегося спроса на сталь. К концу 19-го века печь с открытыми сердечниками стала доминирующей технологией сталеплавильного производства в мире, положение, которое он занимал до 1960-х годов.
Гибридизация и смерть пудлинга
Процесс открытого грунта постепенно впитал в себя роли печи для пудинга и тигля. Он производил сталь, которая была очень однородной и надежной, идеально подходила для котельных пластин, конструкционных балок, корпусов кораблей и броневых пластин. Принятие базового открытого грунта (с использованием доломитовых накладок) в 1880-х годах еще больше расширило его охват, позволив ему обрабатывать высокофосфорные чугуны, как это делал базовый Бессемер. Печь для пудинга, культовая для ранней промышленной революции, была устаревшей к концу века. (] История печи открытого грунта в Википедии] предоставляет дополнительные подробности о своей работе.
Дополнительные и поддерживающие инновации
Рост производства стали Бессемера и открытого металла был поддержан рядом других разработок в области прокатки, легирования и переработки сырья, которые обеспечили возможность формирования, укрепления и применения производимой стали для полного спектра промышленных потребностей.
Достижения в технологии Rolling Mill
Способность производить большие слитки стали была бессмысленной без средств для их формирования. Роллинговые мельницы подверглись параллельной революции в 19 веке. Изобретение трехвысокого прокатного мельника позволило производить более тяжелые и длинные формы в одном проходе. Развитие универсального листового мельника позволило прокатывать широкие плоские пластины для корпусов судов и котлов. Внедрение структурных прокатных мельниц позволило производить стандартизированные балки, секции каналов и рельсы. Эта стандартизация была критической для строительной и железнодорожной промышленности. Стальная промышленность США, например, не смогла бы поставлять огромные количества стандартизированных рельсов, необходимых для охвата континента без этих прокатных достижений.
Рождение легированных сталей
В 19 веке также произошло первое преднамеренное развитие легированных сталей. Металлурги и промышленники начали экспериментировать с добавлением конкретных элементов в сталь для придания особых свойств. Использование марганца Робертом Мушетом в шпигельейзене было первым практическим добавлением сплава. Позже Роберт Хэдфилд разработал марганцевую сталь (содержащую 12-14% марганца) в 1882 году, которая проявила чрезвычайную твердость и прочность, став необходимой для камнедробительных машин и железнодорожных пунктов. В 1890-х годах добавление никеля и хрома стало исследоваться для бронелистного и структурного использования, заложив основу для сложных сплавных систем 20-го века.
Гилхрист-Томас Базовый Глубокий Погружение
Особого внимания заслуживает развитие базовой облицовки, поскольку это был как металлургический, так и геополитический поворотный момент. Ключевое понимание Томаса и Гилкриста заключалось в том, что основной огнеупорный материал мог химически сочетаться с кислотными оксидами фосфора, произведенными во время удара. Образовавшийся шлак был богат фосфором и широко продавался в качестве сельскохозяйственного удобрения, создавая ценный вторичный поток доходов для сталелитейных заводов. Патент был широко лицензирован в Германии и Франции, что дало этим странам огромное преимущество в стоимости. Это химическое новшество, возможно, позволило Германии быстро превзойти Великобританию в производстве стали к концу 19-го века, фундаментально изменив экономический ландшафт Европы.
Преобразование построенного мира и общества
Резкое падение стоимости и повышение качества стали оказали прямое, ощутимое влияние на физический мир. Вторая промышленная революция во многом была революцией, управляемой сталью. Каждый крупный инфраструктурный проект конца 19-го века — от трансконтинентальных железных дорог до подвесных мостов и первых небоскребов — зависел от материала, поступающего из Бессемера и открытых заводов.
Железные дороги, мосты и инфраструктура
Железнодорожная промышленность была крупнейшим первоначальным потребителем стали. Стальные рельсы просуществовали в десять-двадцать раз дольше, чем ковано-железные рельсы, что означало более низкие затраты на техническое обслуживание и способность поддерживать более тяжелые, более быстрые локомотивы. Американская трансконтинентальная железная дорога, завершенная в 1869 году, полагалась на стальные рельсы, произведенные преобразователями на Востоке. Форт-мост в Шотландии, завершенный в 1890 году, символически ознаменовал триумф стали в структурной инженерии; его массивные консольные рельсы были построены почти полностью из стали открытого грунта и Бессемера. Сталь также позволяла строить более длинные подвесные мосты, такие как Бруклинский мост (1883), который использовал стальную проволоку для своих основных кабелей.
Стальной скелет и подъем города
Современный высотный город родился из стального каркаса. До развития стальных скелетов высота здания была ограничена прочностью кладки на сжатие. Здание Home Insurance в Чикаго, завершенное в 1885 году, широко считается первым небоскребом, поскольку для поддержания своего веса использовалось структурное стальное каркасное сооружение. Это нововведение позволило городам расширяться вверх, а не только наружу, концентрируя коммерческую деятельность в плотных центрах города. Сталь также позволила распространить возвышенные железные дороги, системы метро и выставочные залы большого пролета, такие как Хрустальный дворец.
Морская мощь и промышленная мощь
Военные применения дешевой стали были немедленными. Первый океанский железный военный корабль, Воин (1860), использовал железо, а не дерево, но к 1870-м годам сталь стала стандартом для военно-морского строительства. Стальные бронелисты могли быть свернуты до гораздо больших толщин и прочностей, чем железные пластины, что привело к гонке вооружений в военно-морской артиллерийской технике и бронетехнике. Способность производить большие количества высококачественной стали стала прямой мерой национальной военной мощи. Стальные артиллерийские орудия заменили бронзовые и железные пушки, а массовое производство стандартизированных винтовок стало отличительной чертой современных армий. [[FLT: 2]] Подробнее об истории стали на Британнике [[FLT: 3]].
Вывод: Основы современного индустриального общества
Инновации в производстве железа и стали в 19 веке представляют собой учебник пример того, как связанные технические и химические прорывы могут полностью изменить цивилизацию. Процесс Бессемера ввел скорость и масштаб; процесс открытой земли ввел качество и контроль; процесс Гилхриста-Томас разрешил фосфорный кризис и изменил глобальный баланс промышленности. Это были не изолированные изобретения, а часть непрерывной волны промышленного и научного прогресса. Экономическая и социальная структура современного мира - его города, его транспортные сети, его уровень жизни - опирается непосредственно на фундамент дешевой, высококачественной стали, ставшей возможной благодаря этим методам 19-го века.
К 1900 году мировое производство стали достигло 28 миллионов тонн, объем, немыслимый всего пятьдесят лет назад. Процессы, разработанные в эту эпоху, непосредственно превратились в базовое производство кислородной стали (производное Бессемера) и электрическую дуговую печь (производное принципов тиглей и открытой земли), которые доминируют сегодня в производстве стали. Понимание огромных технических проблем, преодолеваемых Бессемером, Siemens, Мартином, Томасом и Гилкристом, дает больше, чем историческое понимание: оно освещает, как материальные ограничения приводят к инновациям, и как один материал может стать невидимым скелетом общества. (Для более широкого обзора Второй промышленной революции, которую позволил этот стальной бум, ASME предоставляет превосходное резюме связанных механических инноваций [[FLT: 1]] ,