ההיסטוריה של הפלדה

הפיתוח של פְּלָדָה ניתן לעקוב אחרי 4000 שנה לראשית תקופת הברזל. כשהוא מתגלה כקשה וחזק יותר מברונזה, שהיה בעבר המתכת הנפוצה ביותר, בַּרזֶל החל לעקור ברונזה בנשק ובכלים.

אולם במשך אלפי השנים הבאות, איכות הברזל המיוצר תהיה תלויה באותה מידה בעפרות הזמינות כמו בשיטות הייצור.

עד המאה ה -17, נכסי הברזל היו מובנים היטב, אך העיור הגובר באירופה דרש מתכת מבנית רב-תכליתית יותר. ועד המאה ה -19, כמות הברזל הנצרכת על ידי הרחבת מסילות הברזל סיפקה מתכות עם התמריץ הכספי למצוא פתרון לשבריריות ותהליכי הייצור הלא יעילים של הברזל.

ללא ספק, עם זאת, פריצת הדרך הגדולה ביותר בתולדות הפלדה הגיעה בשנת 1856 כשהנרי בסמר התפתח דרך יעילה להשתמש בחמצן להפחתת תכולת הפחמן בברזל: תעשיית הפלדה המודרנית הייתה נוֹלָד.

עידן הברזל

בטמפרטורות גבוהות מאוד הברזל מתחיל לספוג פחמן, מה שמוריד את נקודת ההתכה של המתכת, וכתוצאה מכך ברזל יצוק (2.5 עד 4.5% פחמן). התפתחות תנורי הפיצוץ, ששימשו לראשונה את הסינים במאה השישית לפני הספירה, אך נעשה שימוש נרחב יותר באירופה בימי הביניים, הגדילה את ייצור הברזל היצוק.

ברזל חזיר הוא ברזל מותך שנגמר מתנורי הפיצוץ ומקורר בערוץ הראשי ובתבניות הסמוכות. המטילים הקטנים הגדולים, המרכזיים והצמודים, דמו לזרוע ולחזירונים יונקים.

ברזל יצוק חזק אך סובל משבריריות בגלל תכולת הפחמן שלו, מה שהופך אותו לאידיאלי יותר לעבודה ולעיצוב. כאשר המטלורגיסטים התוודעו לכך שתכולת הפחמן הגבוהה בברזל הייתה מרכזית לבעיה של שבירות, הם התנסו בשיטות חדשות להפחתת תכולת הפחמן כדי לייצר ברזל יותר עָבִיד.

בסוף המאה ה -18 למדו יצרני הברזל כיצד להפוך ברזל חזיר יצוק לברזל יצוק בעל אחוז פחמן נמוך באמצעות תנורי שלולית (שפותחו על ידי הנרי קורט בשנת 1784). התנורים חיממו ברזל מותך, שהיה צריך לערבב על ידי שלוליות באמצעות כלים ארוכים בצורת משוט, מה שמאפשר לחמצן להשתלב ולהסיר לאט פחמן.

ככל שתכולת הפחמן פוחתת, נקודת ההיתוך של הברזל עולה, ולכן המוני ברזל יתאגרו בתנור. ההמונים האלה יוסרו ויפעלו באמצעות פטיש זיוף על ידי השלולית לפני שייגלגלו לסדינים או מסילות. בשנת 1860 היו בבריטניה מעל 3000 תנורי שלולית, אך התהליך נותר מעכב בגלל עוצמת העבודה והדלק שלה.

אחת הצורות הקדומות ביותר של פלדה, פלדה שלפוחית, החלה בייצור בגרמניה ובאנגליה ב -17 המאה והופק על ידי הגדלת תכולת הפחמן בברזל חזיר מותך באמצעות תהליך המכונה צמנט. בתהליך זה שכבו סורגי ברזל יצוק בפחיות אבקה בארגזי אבן וחוממו.

לאחר כשבוע היה הברזל סופג את הפחמן בפחם. חימום חוזר יפיץ את הפחמן בצורה אחידה יותר והתוצאה, לאחר הקירור, הייתה פלדה שלפוחית. תכולת הפחמן הגבוהה יותר הפכה את פלדת השלפוחית ​​לניתנת לעבודה הרבה יותר מברזל חזיר, מה שמאפשר להלחץ עליה או לגלגל אותה.

ייצור פלדה שלפוחית ​​התקדם בשנות ה -40 של המאה העשרים כאשר השען האנגלי בנימין האנטסמן כשניסה לפתח פלדה איכותית לשעונו. קפיצים, גילו כי ניתן להמיס את המתכת בכוריות חרס ולזקק בעזרת שטף מיוחד כדי להסיר סיגים שתהליך הבידוד הותיר מֵאָחוֹר. התוצאה הייתה כור היתוך, או יצוק. אך בשל עלות הייצור, הן שלפוחיות והן פלדה יצוקה שימשו אי פעם רק ביישומים מיוחדים.

כתוצאה מכך, ברזל יצוק המיוצר בתנורי שלולית נותרה המתכת המבנית העיקרית בתיעוש בריטניה במהלך מרבית המאה ה -19.

תהליך בסמר ועשיית פלדה מודרנית

גידול מסילות הברזל במהלך המאה ה -19 באירופה ובאמריקה הן הפעילו לחץ עצום על תעשיית הברזל, שעדיין נאבקה בתהליכי ייצור לא יעילים. פלדה עדיין לא הוכחה כמתכת מבנית וייצור המוצר היה איטי ויקר. זה היה עד 1856, כאשר הנרי בסמר המציא דרך יעילה יותר להכניס חמצן לברזל מותך כדי להפחית את תכולת הפחמן.

המכונה כיום תהליך בסמר, תכנן בסמר כלי קיבול בצורת אגס, המכונה 'ממיר' בו ניתן לחמם ברזל ואילו ניתן להפיץ חמצן דרך המתכת המותכת. כאשר החמצן עבר דרך המתכת המותכת, הוא היה מגיב עם הפחמן, משחרר פחמן דו חמצני ומייצר ברזל טהור יותר.

התהליך היה מהיר וזול, והסיר פחמן ו סִילִיקוֹן מברזל תוך מספר דקות אך סבל מהצלחה מוצלחת מדי. יותר מדי פחמן הוסר, ונותר יותר מדי חמצן במוצר הסופי. בסמר נאלץ בסופו של דבר להחזיר למשקיעים שלו עד שימצא שיטה להגדיל את תכולת הפחמן ולהסיר את החמצן הלא רצוי.

בערך באותה תקופה, המטלורג הבריטי רוברט מושט רכש והחל לבדוק תרכובת של ברזל, פחמן ו מַנגָן, המכונה spiegeleisen. ידוע כי מנגן מסיר חמצן מברזל מותך ותכולת הפחמן בספיגליזן, אם הוסיפה בכמויות הנכונות, תספק את הפתרון לבעיותיו של בסמר. בסמר החל להוסיף אותו לתהליך הגיור שלו בהצלחה רבה.

נותרה בעיה אחת. בסמר לא הצליח למצוא דרך להסיר את הזרחן, טומאה מזיקה שהופכת את הפלדה לפריכה, מהתוצר הסופי שלו. כתוצאה מכך, ניתן היה להשתמש רק בעפרות ללא זרחן משבדיה ומוויילס.

בשנת 1876 העלה תומאס הוולשי סידני גילכריסט תמיסה על ידי הוספת שטף בסיסי כימי, גיר, לתהליך בסמר. אבן הגיר שואבה זרחן מברזל החזיר אל הסיגים, ומאפשרת להסיר את היסוד הלא רצוי.

חידוש זה פירושו שלבסוף ניתן היה להשתמש בייצור עפרות ברזל מכל מקום בעולם לייצור פלדה. באופן לא מפתיע, עלויות ייצור הפלדה החלו לרדת משמעותית. מחירי מעקות הפלדה צנחו ביותר מ- 80% בין השנים 1867 ל- 1884, כתוצאה מהטכניקות החדשות לייצור פלדה, שהניעו את צמיחתה של תעשיית הפלדה העולמית.

תהליך האח הפתוח

בשנות ה -60 של המאה ה -20, המהנדס הגרמני קרל וילהלם סימנס שיפר עוד יותר את ייצור הפלדה באמצעות יצירת תהליך האח הפתוח. תהליך האח הפתוח ייצר פלדה מברזל חזיר בתנורים רדודים גדולים.

התהליך, באמצעות טמפרטורות גבוהות לשריפת עודפי פחמן וזיהומים אחרים, הסתמך על תאי לבנים מחוממים מתחת לאח. מאוחר יותר השתמשו תנורים רגנרטיביים בגזי פליטה מהתנור כדי לשמור על טמפרטורות גבוהות בתאי הלבנים שמתחת.

שיטה זו אפשרה ייצור של כמויות גדולות בהרבה (ניתן לייצר 50-100 טון בתנור אחד), תקופתית בדיקת הפלדה המותכת כדי שתוכל להתאים אותה למפרטים מסוימים ולשימוש בפלדת גרוטאות כחומר גלם חוֹמֶר. למרות שהתהליך עצמו היה איטי בהרבה, בשנת 1900, תהליך האח הפתוח החליף בעיקר את תהליך בסמר.

לידת תעשיית הפלדה

המהפכה בייצור הפלדה שסיפקה חומר זול ואיכותי יותר, הוכרה על ידי אנשי עסקים רבים של היום כהזדמנות השקעה. קפיטליסטים בסוף המאה ה -19, כולל אנדרו קרנגי וצ'רלס שוואב, השקיעו והרוויחו מיליונים (במקרה של קרנגי מיליארדים) בתעשיית הפלדה. תאגיד הפלדה האמריקני של קרנגי, שנוסד בשנת 1901, היה התאגיד הראשון שהושק אי פעם בשווי של למעלה ממיליארד דולר.

תנור קשת חשמלי לייצור פלדה

רק לאחר תחילת המאה התרחשה התפתחות נוספת שתשפיע רבות על התפתחות ייצור הפלדה. תנור הקשת החשמלי של פול הרולט (EAF) תוכנן להעביר זרם חשמלי דרך חומר טעון, וכתוצאה מכך חמצון אקסותרמי וטמפרטורות עד 3272°F (1800°ג), יותר ממספיק לחימום ייצור פלדה.

בתחילה שימשו לפלדות מיוחדות, EAFs גדלו בשימוש, ובמלחמת העולם השנייה שימשו לייצור סגסוגות פלדה. עלות ההשקעה הנמוכה הכרוכה בהקמת טחנות EAF אפשרה להם להתחרות עם היצרניות הגדולות בארה"ב כמו US Steel Corp. ובית לחם פלדה, במיוחד בפלדות פחמן, או במוצרים ארוכים.

מכיוון ש- EAF יכולים לייצר פלדה מגרוטאות של 100%, או מזין ברזל קר, יש צורך באנרגיה פחותה ליחידת ייצור. בניגוד לאח חמצן בסיסי, ניתן גם להפסיק את הפעולות ולהעלות אותן בעלות נמוכה. מסיבות אלה, הייצור באמצעות EAF גדל בהתמדה למעלה מ- 50 שנה וכיום מהווה כ- 33% מייצור הפלדה העולמי.

יצירת חמצן

עיקר ייצור הפלדה העולמי, כ -66%, מיוצר כיום במתקני חמצן בסיסיים - פיתוח שיטה ל חמצן נפרד מחנקן בקנה מידה תעשייתי בשנות ה -60 של המאה העשרים אפשר לפיתוח משמעותי בפיתוח חמצן בסיסי תנורים.

תנורי חמצן בסיסיים מפריחים חמצן לכמויות גדולות של ברזל מותך ופלדת גרוטאות ויכולים להשלים מטען הרבה יותר מהר משיטות האח הפתוח. כלים גדולים המחזיקים עד 350 טון ברזל יכולים להשלים את ההמרה לפלדה בפחות משעה.

התייעלות העלותית של ייצור פלדת חמצן הפכה מפעלים לאח ללא תחרות, ובעקבות הופעת ייצור הפלדה של חמצן בשנות ה -60, פעולות האח הפתוחות החלו להיסגר. מתקן האח הפתוח האחרון בארה"ב נסגר בשנת 1992 וסין בשנת 2001.