Bessemerův proces - Bessemer process

Bessemerův převodník, schematický diagram

Proces Bessemer byl první levný průmyslový proces pro hromadnou výrobu z oceli z tekutého surového železa před rozvojem otevřeného nístějové pece . Základním principem je odstranění nečistot z litiny podle oxidací vzduchem foukané prostřednictvím roztaveného železa. Oxidace také zvyšuje teplotu železné hmoty a udržuje ji roztavenou.

Související oduhličování vzduchem se používalo mimo Evropu stovky let, ale ne v průmyslovém měřítku. Jeden takový proces (podobný pudingu ) byl znám v 11. století ve východní Asii, kde učenec Shen Kuo té doby popsal jeho použití v čínském železářském a ocelářském průmyslu. V 17. století popisy evropských cestovatelů podrobně popisovaly jeho možné použití Japonci.

Moderní proces je pojmenován po svém vynálezci, Angličanovi Henrymu Bessemerovi , který si na tento proces nechal patentovat v roce 1856. Tento proces byl údajně nezávisle objeven v roce 1851 americkým vynálezcem Williamem Kellym, ačkoli tvrzení je kontroverzní.

Proces využívající základní žáruvzdornou vyzdívku je známý jako „základní Bessemerův proces“ nebo Gilchrist -Thomasův proces podle anglických objevitelů Percy Gilchrista a Sidney Gilchrista Thomase .

Dějiny

Převaděč Bessemer, Kelham Island Museum , Sheffield, Anglie (2010).

Raná historie

Systém podobný procesu Bessemer existuje ve východní Asii od 11. století. Ekonomický historik Robert Hartwell píše, že Číňané z dynastie Song (960–1279 CE) inovovali metodu „částečné dekarbonizace“ opakovaného kování litiny pod studeným výbuchem. Sinolog Joseph Needham a historik metalurgie Theodore A. Wertime popsali tuto metodu jako předchůdce Bessemerova procesu výroby oceli. Tento proces poprvé popsal plodný vědec a polymath vládní úředník Shen Kuo (1031–1095) v roce 1075, když navštívil Cizhou. Hartwell uvádí, že snad nejranějším centrem, kde se to praktikovalo, byla v 11. století velká čtvrť výroby železa podél hranice Henan - Hebei .

V 15. století byl v Evropě vyvinut finery , další proces, který sdílí princip foukání vzduchu s Bessemerovým procesem. V roce 1740 vyvinul Benjamin Huntsman ve své dílně ve čtvrti Handsworth v Sheffieldu kelímkovou techniku pro výrobu oceli . Tento proces měl obrovský dopad na množství a kvalitu výroby oceli, ale nesouvisel s procesem typu Bessemer využívajícího oduhličení.

Johan Albrecht de Mandelslo popsal japonské využití Bessemerova procesu.

Japonci možná využili proces typu Bessemer, který pozorovali evropští cestovatelé v 17. století. Dobrodruh Johan Albrecht de Mandelslo popisuje postup v knize vydané v angličtině v roce 1669. Píše: „Mají mimo jiné zvláštní vynález pro tavení železa bez použití ohně a jeho odlévání do melodie vnitřek bez asi půl stopy země, kde ho udržují neustálým foukáním, vyndejte ho plnými naběračkami, aby měl takovou podobu, jakou se jim zlíbí. “ Podle historika Donalda Wagnera Mandelslo Japonsko osobně nenavštívil, takže jeho popis procesu je pravděpodobně odvozen z účtů jiných Evropanů, kteří do Japonska cestovali. Wagner věří, že japonský proces mohl být podobný procesu Bessemerovu, ale varuje, že alternativní vysvětlení jsou také přijatelná.

Bessemerův patent

William Kelly možná před Bessemerovým patentem experimentoval s podobným procesem.

V časných polovině 50. let minulého století americký vynálezce William Kelly experimentoval s metodou podobnou Bessemerovu procesu. Wagner píše, že Kelly se možná nechala inspirovat technikami zavedenými čínskými hutníky najatými Kelly v roce 1854. Tvrzení, že Kelly i Bessemer vynalezli stejný proces, zůstává kontroverzní. Když společnost Scientific American nahlásila Bessemerův patent na tento proces , Kelly odpověděla napsáním dopisu do časopisu. V dopise Kelly uvádí, že s tímto procesem dříve experimentoval a tvrdil, že Bessemer o Kellyho objevu věděl. Napsal: „Mám důvod se domnívat, že můj objev byl znám v Anglii před třemi nebo čtyřmi lety, protože toto místo navštívilo několik anglických pudlů, aby viděli můj nový proces. Několik z nich se od té doby vrátilo do Anglie a možná mluvilo o mém vynález tam. " Navrhuje se, aby Kellyho proces byl méně rozvinutý a méně úspěšný než Bessemerův proces.

Sir Henry Bessemer popsal původ svého vynálezu ve své autobiografii napsané v roce 1890. Během vypuknutí krymské války se mnoho anglických průmyslníků a vynálezců začalo zajímat o vojenskou technologii. Podle Bessemera byl jeho vynález inspirován rozhovorem s Napoleonem III. V roce 1854, který se týkal oceli potřebné pro lepší dělostřelectvo. Bessemer prohlásil, že „to byla jiskra, která zapálila jednu z největších revolucí, které muselo současné století zaznamenat, protože během mé osamělé jízdy taxíkem té noci z Vincennes do Paříže jsem se rozhodl vyzkoušet, co bych mohl zlepšit. kvalita železa při výrobě zbraní “. V té době byla ocel používána k výrobě pouze drobných předmětů, jako jsou příbory a nástroje, ale pro děla byla příliš drahá. Počínaje lednem 1855 začal pracovat na způsobu výroby oceli v obrovských množstvích potřebných pro dělostřelectvo a do října podal svůj první patent související s Bessemerovým procesem. Tuto metodu si nechal patentovat o rok později v roce 1856.

Henry Bessemer

Bessemer licencovaný patent na svůj proces čtyři ironmasters , tedy celkem 27.000 £, ale držitelé licence nepřinesla kvalitu oceli slíbil, že to bylo „shnilé horko a shnilý za studena“, podle jeho kamaráda, William Clay - a později je koupil zpět za 32 500 liber. Jeho plánem bylo nabídnout licence jedné společnosti v každé z několika geografických oblastí za cenu licenčních poplatků za tunu, která zahrnovala nižší sazbu na část jejich produkce za účelem podpory produkce, ale ne tak velkou část, aby mohli rozhodnout snížit své prodejní ceny. Doufal, že touto metodou způsobí, že nový proces získá postavení a podíl na trhu.

Uvědomil si, že technický problém je způsoben nečistotami v žehličce, a dospěl k závěru, že řešením je vědět, kdy v jeho procesu vypnout proud vzduchu tak, aby nečistoty byly spáleny, ale zůstalo jen správné množství uhlíku . Navzdory tomu, že na experimenty utratil desítky tisíc liber, nenašel odpověď. Některé druhy oceli jsou citlivé na 78% dusíku, který byl součástí výbuchu vzduchu procházejícího ocelí.

Řešení poprvé objevil anglický metalurg Robert Forester Mushet , který v Forest of Dean provedl tisíce experimentů . Jeho metodou bylo nejprve spálit, pokud možno, všechny nečistoty a uhlík, poté znovu zavést uhlík a mangan přidáním přesného množství spiegeleisenu , slitiny železa a manganu se stopovým množstvím uhlíku a křemíku . To mělo za následek zlepšení kvality hotového výrobku, zvýšení jeho tvárnosti - jeho schopnosti odolat válcování a kování při vysokých teplotách a díky tomu byl vhodnější pro širokou škálu použití. Mushetův patent nakonec zanikl kvůli Mushetově neschopnosti platit poplatky za patent a získal jej Bessemer. Bessemer vydělal na patentech přes 5 milionů dolarů na licenčních poplatcích.

První společností, která proces licencovala, byla manchesterská firma W & J Galloway a učinili tak dříve, než to Bessemer oznámil v Cheltenhamu v roce 1856. Nejsou zahrnuty v jeho seznamu čtyř, kterým vrátil licenční poplatky. Následně však svoji licenci v roce 1858 zrušili výměnou za příležitost investovat do partnerství s Bessemerem a dalšími. Toto partnerství začalo vyrábět ocel v Sheffieldu od roku 1858, zpočátku pomocí dováženého surového železa z uhlí ze Švédska . Jednalo se o první komerční produkci.

20% podíl na patentu Bessemer byl rovněž zakoupen pro použití ve Švédsku a Norsku švédským obchodníkem a konzulem Göranem Fredrikem Göranssonem během návštěvy Londýna v roce 1857. Během první poloviny roku 1858 Göransson spolu s malou skupinou inženýrů experimentoval s Bessemerovým procesem ve švédském Edskenu poblíž Hofors , než se mu to nakonec podařilo. Později v roce 1858 se znovu setkal s Henrym Bessemerem v Londýně, podařilo se mu ho přesvědčit o jeho úspěchu v tomto procesu a vyjednal právo prodat svou ocel v Anglii. Výroba pokračovala v Edskenu, ale byla příliš malá na to, aby byla výroba v průmyslovém měřítku nutná. V roce 1862 postavil Göransson novou továrnu pro svou společnost Högbo Iron and Steel Works na břehu jezera Storsjön, kde bylo založeno město Sandviken . Společnost byla přejmenována na Sandviken's Ironworks, pokračovala v růstu a nakonec se v 70. letech stala Sandvik .

Průmyslová revoluce ve Spojených státech

Alexander Lyman Holley významně přispěl k úspěchu oceli Bessemer ve Spojených státech. Jeho Pojednání o arzenálu a zbroji je důležitým dílem o současné výrobě zbraní a postupech výroby oceli. V roce 1862 navštívil Bessemer's Sheffield Works a začal se zajímat o licencování postupu pro použití v USA. Po návratu do USA, Holley setkal s dvěma producenty železa z Troy, New York , John F. Winslow a John Augustus Griswold , který ho požádal, aby se vrátit do Spojeného království a jednat s Bank of England jejich jménem. Holley zajistil Griswoldovi a Winslowovi licenci k používání Bessemerových patentovaných postupů a vrátil se do Spojených států na konci roku 1863.

Trio začalo zřizovat mlýn v Tróji v New Yorku v roce 1865. Továrna obsahovala řadu Holleyových inovací, které výrazně zlepšily produktivitu oproti Bessemerově továrně v Sheffieldu, a majitelé uspořádali úspěšnou veřejnou výstavu v roce 1867. Troyská továrna upoutala pozornost z Pennsylvania železnice , který chtěl použít nový postup pro výrobu ocelového zábradlí. Financovala Holleyův druhý mlýn jako součást dceřiné společnosti Pennsylvania Steel. Mezi lety 1866 a 1877 mohli partneři licencovat celkem 11 oceláren Bessemer.

Jedním z investorů, které přilákali, byl Andrew Carnegie , který po návštěvě Bessemera v roce 1872 viděl velký příslib v nové ocelářské technologii a považoval ji za užitečný doplněk ke svým stávajícím podnikům, Keystone Bridge Company a Union Iron Works. Holley postavil novou ocelárnu pro Carnegie a tento proces nadále zlepšoval a zdokonaloval. Nový mlýn, známý jako ocelárna Edgar Thomson , se otevřel v roce 1875 a zahájil růst USA jako významného světového výrobce oceli. Pomocí procesu Bessemer dokázala společnost Carnegie Steel snížit náklady na ocelové železniční kolejnice ze 100 USD na tunu na 50 USD za tunu v letech 1873 až 1875. Cena oceli nadále klesala, dokud Carnegie v 90. letech 19. století neprodával kolejnice za 18 USD za tunu. Před otevřením společnosti Carnegie's Thomson Works činila produkce oceli ve Spojených státech přibližně 157 000 tun ročně. Do roku 1910 vyráběly americké společnosti 26 milionů tun oceli ročně.

William Walker Scranton , manažer a majitel společnosti Lackawanna Iron & Coal Company v Scrantonu v Pensylvánii , také vyšetřoval proces v Evropě. Postavil mlýn v roce 1876 pomocí Bessemerova procesu pro ocelové kolejnice a čtyřnásobil svou výrobu.

Bessemerova ocel byla ve Spojených státech používána především pro železniční koleje. Při stavbě Brooklynského mostu došlo k zásadnímu sporu o to, zda by místo levnější oceli Bessemer měla být použita kelímková ocel. V roce 1877 napsal Abram Hewitt dopis vyzývající k použití oceli Bessemer při stavbě Brooklynského mostu . Nabídky byly předloženy jak pro ocel kelímku, tak pro ocel Bessemer; John A. Roebling Sons předložila nejnižší nabídku pro Bessemer oceli, ale směrem Hewitt, byla zakázka udělena J. Lloyd Haigh Co. .

Technické údaje

Komponenty převodníku Bessemer.

Pomocí Bessemerova procesu trvalo přeměnu tří až pěti tun železa na ocel 10 až 20 minut - k dosažení tohoto cíle to trvalo nejméně celý den ohřevu, míchání a ohřívání.

Oxidace

Vhánění vzduchu roztaveným surovým železem zavádí do taveniny kyslík, což má za následek oxidaci a odstranění nečistot nacházejících se v surovém železe, jako je křemík , mangan a uhlík ve formě oxidů . Tyto oxidy buď unikají jako plyn, nebo tvoří pevnou strusku . Žáruvzdorná vyzdívka konvertoru také hraje roli při přeměně - jílové vyzdívky se používají, když je v surovině málo fosforu - toto je známé jako kyselý Bessemerův proces. Když je vysoký obsah fosforu, dolomit nebo někdy magnezit , se při alkalickém Bessemerově vápencovém procesu používají vyzdívky . Tito jsou také známí jako Gilchrist -Thomas převaděči , po jejich vynálezcích, Percy Gilchrist a Sidney Gilchrist Thomas. Aby bylo možné vyrobit z oceli s požadovanými vlastnostmi, aditiva, jako je zrcadloviny (a feromangan slitiny), mohou být přidány do roztavené oceli, jakmile byly odstraněny nečistoty.

Řízení procesu

Když byla vytvořena požadovaná ocel, byla nalita do naběraček a poté přenesena do forem, zatímco lehčí struska zůstala. Proces přeměny, nazývaný „úder“, byl dokončen přibližně za 20 minut. Během tohoto období byl průběh oxidace nečistot posuzován podle vzhledu plamene vycházejícího z ústí převodníku. Moderní použití fotoelektrických metod zaznamenávání charakteristik plamene výrazně pomohlo dmychadlu při kontrole kvality konečného produktu. Po úderu byl tekutý kov znovu zuhličen do požadovaného bodu a byly přidány další legující materiály, v závislosti na požadovaném produktu.

Převodník Bessemer mohl zpracovat „teplo“ (dávka horkého kovu) 5 až 30 tun najednou. Byly obvykle provozovány ve dvojicích, jedna byla foukána, zatímco druhá byla plněna nebo klepána.

Procesy předchůdce

Převodník Bessemer ve společnosti Högbo Bruk , Sandviken .

Počátkem 19. století byl pudlovací proces velmi rozšířený. Dokud technologický pokrok neumožnil pracovat při vyšších teplotách, nebylo možné struskové nečistoty zcela odstranit, ale dozvuková pec umožnila ohřívat železo, aniž by bylo umístěno přímo do ohně, což poskytovalo určitý stupeň ochrany před nečistotami ze zdroje paliva. . S příchodem této technologie tedy uhlí začalo nahrazovat palivo z dřevěného uhlí . Bessemerův proces umožnil výrobu oceli bez paliva s využitím nečistot železa k vytvoření potřebného tepla. To drasticky snížilo náklady na výrobu oceli, ale suroviny s požadovanými charakteristikami by bylo obtížné najít.

Vysoce kvalitní ocel byla vyrobena obráceným procesem přidávání uhlíku do tepaného železa bez uhlíku , obvykle dováženého ze Švédska . Výrobní proces, nazývaný cementační proces , sestával z topných tyčí z tepaného železa spolu s dřevěným uhlím po dobu až jednoho týdne v dlouhém kamenném boxu. Tím se vyrobila blistrová ocel . Blistrová ocel byla vložena do kelímku s tepaným železem a roztavena, čímž vznikla ocel kelímku . Na každou tunu vyrobené oceli byly spáleny až 3 tuny drahého koksu . Taková ocel při válcování do tyčí se prodávala za 50 až 60 liber (přibližně 3 390 až 4 070 liber v roce 2008) dlouhé tuny . Nejobtížnější a pracovně nejnáročnější částí procesu však byla výroba tepaného železa prováděná ve finských kovárnách ve Švédsku.

Tento proces byl rafinovaný v 18. století se zavedením Benjamin Huntsman je kelímek ocelových techniky -making, který přidal další tři hodiny okamžiku výstřelu a požadované další velké množství koksu. Při výrobě oceli kelímku byly blistrové ocelové tyče rozlámány na kusy a roztaveny v malých kelímcích, z nichž každý obsahoval přibližně 20 kg. To produkovalo kelímkovou ocel vyšší kvality, ale zvýšilo náklady. Bessemerův proces zkrátil čas potřebný k výrobě oceli této kvality na přibližně půl hodiny, přičemž vyžadoval pouze koks, který byl původně potřebný k roztavení surového železa. Nejdříve Bessemerovy převaděče vyráběly ocel za 7 liber za dlouhou tunu , ačkoli se zpočátku prodávaly za zhruba 40 liber za tunu.

„Základní“ vs. kyselý Bessemerův proces

Sidney Gilchrist Thomas , Londýňan s velšským otcem, byl průmyslovým chemikem, který se rozhodl řešit problém fosforu v železe, který vyústil ve výrobu oceli nízké jakosti. V domnění, že našel řešení, kontaktoval svého bratrance Percyho Gilchrista , který byl chemikem v Blaenavonské železárně . Tehdejší manažer Edward Martin nabídl zařízení Sidney pro rozsáhlé testování a pomohl mu sepsat patent, který byl uzavřen v květnu 1878. Sidney Gilchrist Thomasův vynález spočíval spíše v použití dolomitových nebo někdy vápencových obložení pro Bessemerův konvertor než jílu a stal se známým spíše jako „základní“ Bessemer než jako „kyselý“ Bessemerův proces. Další výhodou bylo, že procesy v konvertoru vytvářely více strusky, a to bylo možné získat zpět a velmi výnosně použít jako fosfátové hnojivo.

Důležitost

Bessemerova pec v provozu v Youngstownu, Ohio , 1941.

V roce 1898 publikoval Scientific American článek s názvem Bessemer Steel and its Effect on the World vysvětlující významné ekonomické efekty zvýšené nabídky levné oceli. Poznamenali, že expanze železnic do dříve řídce obydlených oblastí země vedla k osídlení v těchto regionech a učinila obchod s určitým zbožím výnosným, což bylo dříve příliš nákladné na dopravu.

Bessemerův proces způsobil revoluci ve výrobě oceli snížením jejích nákladů ze 40 GBP za dlouhou tunu na 6–7 GBP za dlouhou tunu spolu s výrazným zvýšením rozsahu a rychlosti výroby této životně důležité suroviny. Tento proces také snížil pracovní nároky na výrobu oceli. Předtím, než byla zavedena, byla ocel příliš drahá na výrobu mostů nebo nosných konstrukcí budov, a proto se po celou průmyslovou revoluci používalo kované železo . Po zavedení Bessemerova procesu se ocel a tepané železo stalo za podobnou cenu a někteří uživatelé, především železnice, se obrátili k oceli. Problémy s kvalitou, jako je křehkost způsobená dusíkem ve vháněném vzduchu, zabránily použití oceli Bessemer v mnoha konstrukčních aplikacích. Otevřená ocel byla vhodná pro konstrukční aplikace.

Ocel výrazně zlepšila produktivitu železnic. Ocelové kolejnice vydržely desetkrát déle než železné kolejnice. Ocelové kolejnice, které se staly těžšími, protože ceny klesaly, mohly nést těžší lokomotivy, které mohly táhnout delší vlaky. Ocelové železniční vozy byly delší a dokázaly zvýšit hmotnost nákladu na vůz z 1: 1 na 2: 1.

Již v roce 1895 ve Velké Británii bylo poznamenáno, že rozkvět Bessemerova procesu skončil a že převažovala metoda otevřeného krbu . The Iron and Coal Trades Review uvedl, že je "v polomrtvém stavu. Rok co rok nejenže nepřestal dělat pokroky, ale absolutně upadal". V té době i v nedávné době bylo naznačeno, že příčinou byl nedostatek vyškoleného personálu a investice do technologie, spíše než cokoli, co je vlastní samotnému procesu. Jednou z hlavních příčin úpadku obří železářské společnosti Bolckow Vaughan z Middlesbrough byla například neschopnost upgradovat svou technologii. Základní proces, Thomas-Gilchristův proces, se používal déle, zejména v kontinentální Evropě, kde železné rudy měly vysoký obsah fosforu a proces s otevřeným krbem nebyl schopen odstranit veškerý fosfor; v 50. a 60. letech byla touto metodou vyráběna téměř veškerá levná stavební ocel v Německu. Nakonec bylo nahrazeno základním kyslíkovým zpracováním oceli .

Zastarávání

V USA se komerční výroba oceli pomocí této metody zastavila v roce 1968. Nahradily ji procesy, jako je proces základního kyslíku (Linz – Donawitz) , který nabízel lepší kontrolu finální chemie. Bessemerův proces byl tak rychlý (10–20 minut na teplo), že poskytoval málo času na chemickou analýzu nebo úpravu legujících prvků v oceli. Bessemerovy konvertory neodstraňovaly z roztavené oceli účinně fosfor; jak rudy s nízkým obsahem fosforu zdražovaly, náklady na konverzi rostly. Tento proces dovolil účtovat pouze omezené množství šrotové oceli, což dále zvýšilo náklady, zvláště když byl šrot levný. Použití technologie elektrické obloukové pece příznivě konkurovalo Bessemerovu procesu, jehož důsledkem bylo jeho zastarání.

Základní výroba kyslíkové oceli je v podstatě vylepšenou verzí Bessemerova procesu (oduhličení vháněním kyslíku jako plynu do tepla, nikoli spalováním přebytečného uhlíku přidáváním látek přenášejících kyslík do tepla). Henry Bessemer věděl o výhodách čistého výbuchu kyslíku oproti výbuchu vzduchem, ale technologie 19. století nebyla natolik vyspělá, aby umožnila výrobu velkého množství čistého kyslíku nezbytného k tomu, aby byl ekonomický.

Viz také

Reference

Bibliografie

  • Anstis, Ralph (1997), Man of Iron, Man of Steel: Lives of David and Robert Mushet , Albion House, ISBN 0-9511371-4-X

externí odkazy