Бессемеровский процесс был первым недорогим промышленным процессом массового производства стали из расплавленного чугуна до изобретения мартеновской печи . Ключевым принципом является удаление примесей из железа путем окисления с продувкой расплавленного железа воздухом. Окисление также повышает температуру массы железа и поддерживает ее в расплавленном состоянии .
Связанные с этим процессы обезуглероживания воздухом использовались за пределами Европы в течение сотен лет, но не в промышленных масштабах. [1] Один из таких процессов (похожий на пудлинг ) был известен в XI веке в Восточной Азии, где ученый той эпохи Шэнь Куо описал его использование в китайской металлургической промышленности. [2] [3] В XVII веке отчеты европейских путешественников подробно описали его возможное использование японцами. [4]
Современный процесс назван в честь его изобретателя, англичанина Генри Бессемера , который получил патент на этот процесс в 1856 году. [5] Говорят, что этот процесс был независимо открыт в 1851 году американским изобретателем Уильямом Келли [4] [6], хотя это утверждение является спорным. [7] [8] [9] [10]
Процесс с использованием базовой огнеупорной футеровки известен как «базовый процесс Бессемера» или процесс Гилкриста–Томаса в честь английских первооткрывателей Перси Гилкриста и Сиднея Гилкриста Томаса .
Система, родственная бессемеровскому процессу, существовала в Восточной Азии с XI века. [2] [3] Экономический историк Роберт Хартвелл пишет, что китайцы династии Сун (960–1279 гг. н. э.) изобрели метод «частичной декарбонизации» многократной ковки чугуна под холодным дутьем. [11] Синолог Джозеф Нидхэм и историк металлургии Теодор А. Вертайм описали этот метод как предшественника бессемеровского процесса производства стали. [2] [12] [13] Этот процесс был впервые описан плодовитым ученым и энциклопедистом, правительственным чиновником Шэнь Ко (1031–1095) в 1075 году, когда он посетил Цычжоу. [11] Хартвелл утверждает, что, возможно, самым ранним центром, где это практиковалось, был крупный район производства железа вдоль границы Хэнань - Хэбэй в XI веке. [11]
В XV веке в Европе был разработан процесс Finery , еще один процесс, который разделяет принцип продувки воздухом с процессом Бессемера. В 1740 году Бенджамин Хантсман разработал тигельную технику для производства стали в своей мастерской в районе Хэндсворт в Шеффилде . Этот процесс оказал огромное влияние на количество и качество производства стали, но он не был связан с процессом типа Бессемера, использующим обезуглероживание.
Японцы, возможно, использовали процесс типа Бессемера, который наблюдали европейские путешественники в 17 веке. [4] Авантюрист Иоганн Альбрехт де Мандельсло описывает этот процесс в книге, опубликованной на английском языке в 1669 году. Он пишет: «У них, среди прочего, есть особое изобретение для плавки железа без использования огня, они отливают его в чан, сделанный внутри без примерно половины фута земли, где они держат его с постоянным раздуванием, вынимают его полными ковшами, чтобы придать ему любую форму, которую они хотят». По словам историка Дональда Вагнера, Мандельсло лично не посещал Японию, поэтому его описание процесса, вероятно, основано на рассказах других европейцев, которые путешествовали в Японию. Вагнер полагает, что японский процесс мог быть похож на процесс Бессемера, но предупреждает, что альтернативные объяснения также правдоподобны. [4]
В начале-середине 1850-х годов американский изобретатель Уильям Келли экспериментировал с методом, похожим на процесс Бессемера. Вагнер пишет, что Келли, возможно, был вдохновлен методами, введенными китайскими металлистами, нанятыми Келли в 1854 году. [4] Утверждение, что и Келли, и Бессемер изобрели один и тот же процесс, остается спорным. Когда о патенте Бессемера на этот процесс сообщил Scientific American , Келли ответил письмом в журнал. В письме Келли заявляет, что он ранее экспериментировал с этим процессом, и утверждает, что Бессемер знал об открытии Келли. Он написал, что «у меня есть основания полагать, что мое открытие было известно в Англии три или четыре года назад, поскольку несколько английских пудлеров посетили это место, чтобы увидеть мой новый процесс. Некоторые из них с тех пор вернулись в Англию и, возможно, рассказали там о моем изобретении». [4] Предполагается, что процесс Келли был менее развит и менее успешен, чем процесс Бессемера. [14]
Сэр Генри Бессемер описал происхождение своего изобретения в своей автобиографии , написанной в 1890 году. Во время начала Крымской войны многие английские промышленники и изобретатели заинтересовались военными технологиями. По словам Бессемера, его изобретение было вдохновлено разговором с Наполеоном III в 1854 году относительно стали, необходимой для лучшей артиллерии. Бессемер утверждал, что это «было искрой, которая зажгла одну из величайших революций, которые должен был записать нынешний век, поскольку во время моей одиночной поездки в такси той ночью из Венсенна в Париж я решил попробовать все, что смогу, чтобы улучшить качество железа в производстве орудий». [5] В то время сталь использовалась для изготовления только небольших предметов, таких как столовые приборы и инструменты, но была слишком дорогой для пушек. Начиная с января 1855 года, он начал работать над способом производства стали в огромных количествах, необходимых для артиллерии , и к октябрю он подал свой первый патент, связанный с процессом Бессемера. Он запатентовал этот метод год спустя, в 1856 году. [5] Уильям Келли получил приоритетный патент в 1857 году. [15]
Бессемер лицензировал патент на свой процесс четырем производителям железа [ когда? ] на общую сумму 27 000 фунтов стерлингов, но лицензиаты не смогли произвести сталь того качества, которое он обещал — она была «отвратительно горячей и отвратительно холодной», по словам его друга Уильяма Клея [16] — и позже он выкупил их обратно за 32 500 фунтов стерлингов. [17] Его план состоял в том, чтобы предложить лицензии одной компании в каждой из нескольких географических областей по цене роялти за тонну, которая включала бы более низкую ставку на часть их продукции, чтобы стимулировать производство, но не настолько большую, чтобы они могли решить снизить свои отпускные цены. С помощью этого метода он надеялся заставить новый процесс укрепить свои позиции и долю рынка. [16]
Он понял, что техническая проблема была вызвана примесями в железе, и пришел к выводу, что решение заключается в том, чтобы знать, когда следует выключать поток воздуха в его процессе, чтобы примеси сгорали, но оставалось ровно столько углерода, сколько нужно . Однако, несмотря на то, что он потратил десятки тысяч фунтов на эксперименты, он не смог найти ответ. [18] Некоторые марки стали чувствительны к 78% азота , который был частью воздушного потока, проходящего через сталь.
Решение было впервые обнаружено английским металлургом Робертом Форестером Мюшетом , который провел тысячи экспериментов в Форест-оф-Дин . Его метод заключался в том, чтобы сначала сжечь, насколько это возможно, все примеси и углерод, а затем снова ввести углерод и марганец , добавив точное количество шпигелейзена , сплава железа и марганца с небольшим количеством углерода и кремния . Это имело эффект улучшения качества готового продукта, увеличения его пластичности — его способности выдерживать прокатку и ковку при высоких температурах и делало его более пригодным для широкого спектра применений. [19] [20] Патент Мюшета в конечном итоге истек из-за неспособности Мюшета платить патентные пошлины и был приобретен Бессемером. Бессемер заработал более 5 миллионов долларов [ необходимо разъяснение ] в виде роялти от патентов. [21]
Первой компанией, лицензировавшей этот процесс, была манчестерская фирма W & J Galloway , и они сделали это до того, как Бессемер объявил об этом в Челтнеме в 1856 году. Они не были включены в его список из четырех, которым он вернул лицензионные сборы. Однако впоследствии они аннулировали свою лицензию в 1858 году в обмен на возможность инвестировать в партнерство с Бессемером и другими. Это партнерство начало производить сталь в Шеффилде с 1858 года, первоначально используя импортируемый из Швеции чугун с древесным углем . Это было первое коммерческое производство. [16] [22]
20% акций патента Бессемера были также куплены для использования в Швеции и Норвегии шведским торговцем и консулом Йораном Фредриком Йоранссоном во время визита в Лондон в 1857 году. В первой половине 1858 года Йоранссон вместе с небольшой группой инженеров экспериментировал с процессом Бессемера в Эдскене около Хофорса , Швеция, прежде чем он, наконец, добился успеха. Позже в 1858 году он снова встретился с Генри Бессемером в Лондоне, сумел убедить его в своем успехе с процессом и договорился о праве продавать свою сталь в Англии. Производство продолжалось в Эдскене, но оно было слишком маленьким для необходимого промышленного производства. В 1862 году Йоранссон построил новый завод для своей компании Högbo Iron and Steel Works на берегу озера Стуршён, где был основан город Сандвикен . Компания была переименована в Sandviken's Ironworks, продолжила расти и в конечном итоге в 1970-х годах стала Sandvik . [23]
Александр Лайман Холли внес значительный вклад в успех бессемеровской стали в Соединенных Штатах. Его «Трактат о вооружении и броне» является важной работой по современному производству оружия и сталелитейным практикам. В 1862 году он посетил заводы Бессемера в Шеффилде и заинтересовался лицензированием процесса для использования в США. Вернувшись в США, Холли встретился с двумя производителями железа из Трои, штат Нью-Йорк , Джоном Ф. Уинслоу и Джоном Августом Грисволдом , которые попросили его вернуться в Соединенное Королевство и провести переговоры с Банком Англии от их имени. Холли получил лицензию для Грисволда и Уинслоу на использование запатентованных процессов Бессемера и вернулся в Соединенные Штаты в конце 1863 года. [24]
Трио начало строить завод в Трое, штат Нью-Йорк, в 1865 году. На заводе было реализовано несколько инноваций Холли, которые значительно повысили производительность по сравнению с заводом Бессемера в Шеффилде, и владельцы провели успешную публичную выставку в 1867 году. Завод в Трое привлек внимание Пенсильванской железной дороги , которая хотела использовать новый процесс для производства стальных рельсов. Она профинансировала второй завод Холли как часть своего дочернего предприятия Pennsylvania Steel. В период с 1866 по 1877 год партнеры смогли лицензировать в общей сложности 11 сталелитейных заводов Бессемера.
Одним из инвесторов, которых они привлекли, был Эндрю Карнеги , который увидел большие перспективы в новой технологии производства стали после визита в Бессемер в 1872 году и увидел в ней полезное дополнение к своим существующим предприятиям, Keystone Bridge Company и Union Iron Works. Холли построил новый сталелитейный завод для Карнеги и продолжил совершенствовать и совершенствовать процесс. Новый завод, известный как Edgar Thomson Steel Works , открылся в 1875 году и положил начало росту Соединенных Штатов как крупнейшего мирового производителя стали. [25] Используя процесс Бессемера, Carnegie Steel смогла снизить стоимость стальных железнодорожных рельсов со 100 долларов за тонну до 50 долларов за тонну в период с 1873 по 1875 год. Цена на сталь продолжала падать, пока Карнеги не стал продавать рельсы по 18 долларов за тонну к 1890-м годам. До открытия завода Карнеги Томсона производство стали в США составляло около 157 000 тонн в год. К 1910 году американские компании производили 26 миллионов тонн стали ежегодно. [26]
Уильям Уокер Скрантон , управляющий и владелец компании Lackawanna Iron & Coal Company в Скрантоне, штат Пенсильвания , также исследовал этот процесс в Европе. В 1876 году он построил завод, используя бессемеровский процесс для стальных рельсов, и увеличил производство в четыре раза. [27]
Бессемеровская сталь использовалась в Соединенных Штатах в основном для железнодорожных рельсов. Во время строительства Бруклинского моста возник крупный спор о том, следует ли использовать тигельную сталь вместо более дешевой бессемеровской стали. В 1877 году Абрам Хьюитт написал письмо, в котором настоятельно рекомендовал воздержаться от использования бессемеровской стали при строительстве Бруклинского моста . [28] [29] Были поданы заявки как на тигельную сталь , так и на бессемеровскую сталь; компания John A. Roebling's Sons предложила самую низкую цену на бессемеровскую сталь, [30] но по указанию Хьюитта контракт был присужден компании J. Lloyd Haigh Co. [31]
Используя процесс Бессемера, для превращения трех-пяти тонн железа в сталь требовалось от 10 до 20 минут — раньше для этого требовался как минимум целый день нагрева, перемешивания и повторного нагрева. [26]
Продувка воздуха через расплавленный чугун вводит кислород в расплав, что приводит к окислению , удаляя примеси, обнаруженные в чугуне, такие как кремний , марганец и углерод в виде оксидов . Эти оксиды либо улетучиваются в виде газа, либо образуют твердый шлак . Огнеупорная футеровка конвертера также играет роль в конверсии — глиняная футеровка может использоваться, когда в сырье мало фосфора , и сам Бессемер использовал песчаник Ганистер — это известно как кислотный бессемеровский процесс. Когда содержание фосфора высокое, в основном бессемеровском известняковом процессе требуются футеровки из доломита или иногда магнезита , см. ниже. Для производства стали с желаемыми свойствами в расплавленную сталь после удаления примесей можно добавлять добавки, такие как шпигелейзен (ферромарганцевый сплав).
Когда требуемая сталь была сформирована, ее разливали в ковши, а затем переносили в формы, оставляя более легкий шлак. Процесс преобразования, называемый «продувкой», был завершен примерно за 20 минут. В течение этого периода ход окисления примесей оценивался по появлению пламени, выходящего из устья конвертера. Современное использование фотоэлектрических методов регистрации характеристик пламени значительно помогло воздуходуву контролировать качество конечного продукта. После продувки жидкий металл повторно науглероживался до нужной точки, и в зависимости от желаемого продукта добавлялись другие легирующие материалы.
Конвертер Бессемера мог обрабатывать «плавку» (партию горячего металла) от 5 до 30 тонн за раз. [32] Обычно они работали парами: один продувался, а другой заполнялся или выпускался.
К началу 19 века процесс пудлингования был широко распространен. Пока технологические достижения не сделали возможным работать при более высоких температурах, шлаковые примеси не могли быть полностью удалены, но отражательная печь позволяла нагревать железо, не помещая его непосредственно в огонь, предлагая некоторую степень защиты от примесей источника топлива. Таким образом, с появлением этой технологии уголь начал заменять древесноугольное топливо. Бессемеровский процесс позволил производить сталь без топлива, используя примеси железа для создания необходимого тепла. Это резко снизило затраты на производство стали, но сырье с требуемыми характеристиками было трудно найти. [33]
Высококачественная сталь изготавливалась обратным процессом добавления углерода к безуглеродистому кованому железу , обычно импортируемому из Швеции . Производственный процесс, называемый процессом цементации , состоял из нагрева прутков кованого железа вместе с древесным углем в течение периода до недели в длинном каменном ящике. Это давало черновую сталь . Черновая сталь помещалась в тигель с кованым железом и плавилась, производя тигельную сталь . На каждую тонну произведенной стали сжигалось до 3 тонн дорогостоящего кокса . Такая сталь, прокатанная в прутки, продавалась по цене от 50 до 60 фунтов стерлингов (примерно от 3390 до 4070 фунтов стерлингов в 2008 году) [34] за длинную тонну . Однако самой сложной и трудоемкой частью процесса было производство кованого железа, осуществляемое в кузницах в Швеции.
Этот процесс был усовершенствован в XVIII веке с введением методов производства стали в тигле Бенджамина Хантсмена , которые добавляли три дополнительных часа времени обжига и требовали дополнительных больших количеств кокса. При производстве стали в тигле прутки черновой стали разбивались на куски и плавились в небольших тиглях, каждый из которых содержал около 20 кг. Это давало более качественную тигельную сталь, но увеличивало стоимость. Бессемеровский процесс сократил время, необходимое для производства стали более низкого качества, примерно до получаса, при этом требовался только кокс, необходимый изначально для плавки чугуна. Самые ранние бессемеровские конвертеры производили сталь по 7 фунтов за длинную тонну , хотя изначально она продавалась примерно по 40 фунтов за тонну.
Сидни Гилкрист Томас , лондонец с отцом-валлийцем, был промышленным химиком, который решил заняться проблемой фосфора в железе, что привело к производству низкосортной стали. Полагая, что он нашел решение, он связался со своим кузеном Перси Гилкристом , который был химиком на металлургическом заводе Блэнавон . Управляющий в то время Эдвард Мартин предложил Сидни оборудование для крупномасштабных испытаний и помог ему составить патент, который был получен в мае 1878 года. Изобретение Сидни Гилкриста Томаса состояло в использовании доломитовой или иногда известняковой футеровки для бессемеровского конвертера вместо глины, и он стал известен как «основной» бессемеровский процесс, а не «кислотный» бессемеровский процесс. Дополнительным преимуществом было то, что процессы образовывали больше шлака в конвертере, и его можно было извлечь и использовать очень выгодно в качестве фосфатного удобрения. [35]
В 1898 году Scientific American опубликовал статью под названием «Бессемерская сталь и ее влияние на мир» , в которой объяснялись значительные экономические последствия увеличения поставок дешевой стали. Они отметили, что расширение железных дорог в ранее малонаселенные регионы страны привело к заселению этих регионов и сделало прибыльной торговлю определенными товарами, транспортировка которых ранее была слишком дорогой. [36]
Процесс Бессемера произвел революцию в производстве стали, снизив ее стоимость с 40 фунтов стерлингов за длинную тонну до 6–7 фунтов стерлингов за длинную тонну, а также значительно увеличив масштабы и скорость производства этого жизненно важного сырья. Этот процесс также снизил требования к рабочей силе для производства стали. До его внедрения сталь была слишком дорогой для изготовления мостов или каркасов зданий, поэтому кованое железо использовалось на протяжении всей промышленной революции . После внедрения процесса Бессемера сталь и кованое железо стали иметь одинаковую цену, и некоторые пользователи, в первую очередь железные дороги, обратились к стали. Проблемы с качеством, такие как хрупкость, вызванная азотом в продуваемом воздухе, [37] не позволили использовать бессемеровскую сталь для многих конструкционных целей. [38] Сталь, выплавленная из мартеновской печи, подходила для конструкционных целей.
Сталь значительно повысила производительность железных дорог. Стальные рельсы служили в десять раз дольше, чем железные. Стальные рельсы, которые стали тяжелее из-за падения цен, могли перевозить более тяжелые локомотивы, которые могли тянуть более длинные поезда. [39] Стальные вагоны были длиннее и могли увеличить вес груза к вагону с 1:1 до 2:1.
Еще в 1895 году в Великобритании было отмечено, что расцвет бессемеровского процесса закончился и что преобладает метод открытого горна . В журнале Iron and Coal Trades Review говорилось, что он «находится в полузабытом состоянии. Год за годом он не только перестал развиваться, но и полностью пришел в упадок». Как в то время, так и в более позднее время высказывались предположения, что причиной этого была нехватка обученного персонала и инвестиций в технологию, а не что-то присущее самому процессу. [40] Например, одной из главных причин упадка гигантской компании по производству чугуна Bolckow Vaughan из Мидлсбро была ее неспособность модернизировать свою технологию. [41] Основной процесс, процесс Томаса-Гилкриста, использовался дольше, особенно в континентальной Европе, где железные руды имели высокое содержание фосфора [42], а открытый процесс не мог удалить весь фосфор; В 1950-х и 1960-х годах почти вся недорогая конструкционная сталь в Германии производилась этим методом. [43] В конечном итоге он был вытеснен кислородно-конвертерным производством стали .
В США коммерческое производство стали с использованием этого метода прекратилось в 1968 году. Его заменили такие процессы, как основной кислородный процесс (Линц-Донавиц) , который обеспечивал лучший контроль над конечной химией. Бессемеровский процесс был настолько быстрым (10–20 минут на плавку), что оставлял мало времени для химического анализа или корректировки легирующих элементов в стали. Бессемеровские конвертеры неэффективно удаляли фосфор из расплавленной стали; поскольку руды с низким содержанием фосфора становились дороже, затраты на переработку увеличивались. Процесс позволял загружать только ограниченное количество стального лома, что еще больше увеличивало затраты, особенно когда лом был недорогим. Использование технологии электродуговой печи выгодно конкурировало с бессемеровским процессом, что привело к его устареванию.
Производство стали в основном кислородом является улучшенной версией процесса Бессемера (обезуглероживание путем вдувания кислорода в виде газа в жар, а не сжигание излишков углерода путем добавления в жар веществ, переносящих кислород). Преимущества дутья чистым кислородом перед воздушным дутьем были известны Генри Бессемеру, [ требуется ссылка ], но технологии 19 века не были достаточно развиты, чтобы обеспечить производство больших объемов чистого кислорода, необходимых для того, чтобы сделать его экономичным.
{{cite book}}
: |last=
имеет общее название ( помощь )