Kałuża (metalurgia) - Puddling (metallurgy)

Schematyczny rysunek pieca pudlingowego

Kałuża to etap w produkcji wysokiej jakości żelaza w tyglu lub piecu. Został wynaleziony w Wielkiej Brytanii podczas rewolucji przemysłowej . Stopiona surówka była mieszana w piecu rewerberacyjnym , w środowisku utleniającym, w wyniku czego powstało kute żelazo . Był to jeden z najważniejszych procesów wytwarzania pierwszych znacznych ilości cennego i użytecznego pręta (kutego żelaza) bez użycia węgla drzewnego. Ostatecznie piec miał być wykorzystywany do produkcji niewielkich ilości stali specjalnych .

Choć nie był to pierwszy proces produkcji pręt bez węgla , puddling był zdecydowanie najbardziej udany, a zastąpiła wcześniejsze sadzenie i stemplowania procesów, jak również znacznie starszą węgiel ozdoby i Bloomery procesów. Umożliwiło to wielki rozwój produkcji żelaza w Wielkiej Brytanii, a wkrótce potem w Ameryce Północnej. Ta ekspansja stanowi początek rewolucji przemysłowej, jeśli chodzi o przemysł żelazny. Większość XIX-wiecznych zastosowań kutego żelaza, w tym Wieża Eiffla , mosty i oryginalna konstrukcja Statuy Wolności , wykorzystywała żelazo kałużowe.

Później piece były również wykorzystywane do produkcji dobrej jakości stali węglowej . Była to wysoce wykwalifikowana sztuka, a zarówno wysokowęglowe, jak i niskowęglowe stale były z powodzeniem produkowane na małą skalę, szczególnie dla technologii bramowej ze stali narzędziowej, a także wysokiej jakości mieczy , noży i innej broni .

Historia

Proces uszlachetniania wuchaoni opisany w encyklopedii Tiangong Kaiwu opublikowanej w 1637 roku, napisanej przez Song Yingxing , wykazuje pewne podobieństwa do wczesnego procesu kałuży.

Uszlachetnianie stali przez kałużenie metalu było już znane w starożytnych Chinach za czasów dynastii Han w I wieku naszej ery. Postęp w procesach wytwarzania stali poprawił ogólną jakość stali poprzez wielokrotne kucie, składanie i układanie kutego żelaza z surówki w celu wytworzenia mieczy.

Współczesne puddling było jednym z kilku procesów opracowanych w drugiej połowie XVIII wieku w Wielkiej Brytanii do produkcji sztabek z surówki bez użycia węgla drzewnego. Stopniowo zastąpił wcześniejszy proces opalany węglem drzewnym, prowadzony w kuźni ozdobnej .

Potrzeba kałuży

Surówka zawiera dużo wolnego węgla i jest krucha. Zanim będzie mógł być użyty i zanim będzie mógł być obrabiany przez kowala , musi zostać przekształcony w bardziej ciągliwą formę jako sztaby żelaza, wczesny etap kutego żelaza .

Pomyślne wykorzystanie koksu przez Abrahama Darby'ego w jego wielkim piecu w Coalbrookdale w 1709 r. obniżyło cenę żelaza, ale ta surówka zasilana koksem nie została początkowo zaakceptowana, ponieważ nie można jej było przekształcić w pręty żelazne istniejącymi metodami. Zanieczyszczenia siarką z koksu sprawiały, że był on „ gorący krótki ” lub łamliwy po podgrzaniu, więc proces rafinacji był dla niego niewykonalny. Dopiero około 1750 r., kiedy nadmuch napędzany parą podniósł temperaturę pieca na tyle, aby umożliwić dodanie wystarczającej ilości wapna w celu usunięcia siarki, zaczęto stosować surówkę koksowniczą. Opracowano również lepsze procesy, aby go udoskonalić.

Wynalazek

Abraham Darby II , syn innowatora wielkiego pieca, zdołał przerobić surówkę na żelazo w 1749 r., ale nie są znane szczegóły jego procesu. Do braci Cranage , również pracujące obok rzeki Severn , osiągnięto to doświadczalnie za pomocą węglową reverbatory piec , w którym żelazo i siarkę, węgiel mógłby być trzymane oddzielnie. Jako pierwsi postawili hipotezę, że żelazo można przekształcić z surówki w żelazo pod wpływem samego ciepła. Chociaż nie zdawali sobie sprawy z koniecznych efektów tlenu dostarczanego z powietrzem, przynajmniej porzucili wcześniejsze błędne przekonanie, że potrzebna jest mieszanka z materiałami z paliwa. Ich eksperymenty zakończyły się sukcesem i w 1766 roku przyznano im patent nr 851, ale wydaje się, że ich proces nie został przyjęty na rynek.

W 1783 roku Peter Onions w Dowlais skonstruował większy piec rewerbacyjny. Od tego zaczął z powodzeniem komercyjny puddle i otrzymał patent nr 1370.

Piec do puddlingu został ulepszony przez Henry'ego Corta w Fontley w Hampshire w latach 1783-84 i opatentowany w 1784 roku. Cort dodał tłumiki do komina, aby uniknąć ryzyka przegrzania i „spalenia” żelaza. Proces Corta polegał na mieszaniu stopionej surówki w piecu rewerberacyjnym w atmosferze utleniającej, a tym samym jej odwęgleniu. Kiedy żelazo „doszło do natury”, to znaczy do konsystencji pasty, zostało zebrane w kulę z kałuży, pobite gontem i zwinięte (jak opisano poniżej). To zastosowanie walców rowkowanych do walcarki , do walcowania wąskich prętów, było również wynalazkiem Corta. Cortowi udało się licencjonować ten proces i uzyskiwać z niego dochody, nawet z hut żelaza, takich jak Cyfarthfa , gdzie wcześniejszy proces został wymyślony wcześniej przez ich sąsiadów z Dowlais. Cort jest obecnie powszechnie uważany za „wynalazcę” puddle.

Dziewięćdziesiąt lat po wynalazku Corta, amerykańska gazeta pracownicza przypomniała zalety jego systemu:

„Kiedy żelazo jest po prostu stopione i wtopione w jakąkolwiek formę, jego tekstura jest ziarnista i jest tak kruche, że jest zupełnie zawodne w przypadku jakichkolwiek zastosowań wymagających dużej wytrzymałości na rozciąganie. Proces tworzenia kałuży polegał na mieszaniu roztopionego żelaza w kałuży , i spowodował taką zmianę jego anatomicznego układu, aby uczynić proces toczenia bardziej efektywnym”.

Proces Corta (jako opatentowany) działał tylko dla żeliwa białego , a nie żeliwa szarego , które było zwykłym surowcem w kuźniach tego okresu. Ten problem został prawdopodobnie rozwiązany w Merthyr Tydfil przez połączenie puddingu z jednym elementem nieco wcześniejszego procesu. Wiązało się to z innym rodzajem paleniska znanego jako „rafineria” lub „wygasający ogień”. Surówka została w nim stopiona i wypłynęła do koryta. Żużel oddzielił się, unosił się na stopionym żelazie i został usunięty przez obniżenie tamy na końcu koryta. Efektem tego procesu było odsilikonowanie metalu, pozostawiając biały kruchy metal, znany jako „drobniejszy metal”. Był to idealny materiał do załadunku do pieca do puddlingu. Ta wersja procesu była znana jako „sucha kałuża” i była stosowana w niektórych miejscach aż do 1890 roku.

Alternatywą dla rafinacji żeliwa szarego była „mokra kałuża”, znana również jako „gotowanie” lub „gotowanie świń”. Zostało to wymyślone przez puddlera Josepha Halla z Tipton . Zaczął dodawać do wsadu złom żelaza . Później próbował dodać zgorzelinę (w efekcie rdza ). Rezultat był spektakularny, ponieważ piec gwałtownie zagotował. Była to reakcja chemiczna między utlenionym żelazem w zgorzelinie a węglem rozpuszczonym w surówce. Ku jego zaskoczeniu powstała kula z kałuży wytwarzała dobre żelazo.

Dużym problemem z kałużami było to, że prawie 50% żelaza zostało odciągnięte z żużlem, ponieważ piasek był używany do złoża. Hall zastąpił złoża palonym żużlem z kranu, co zmniejszyło ilość tych odpadów do 8%, a pod koniec stulecia do 5%.

Hall stał się później partnerem w założeniu Bloomfield Iron Works w Tipton w 1830 roku, a od 1834 roku firma zmieniła nazwę na Bradley, Barrows and Hall. Jest to wersja procesu najczęściej stosowana od połowy do końca XIX wieku. Mokre puddle miało tę zaletę, że było znacznie wydajniejsze niż suche puddle (lub jakikolwiek wcześniejszy proces). Najlepszym plonem żelaza z suchego puddlingu jest tona żelaza z 1,3 tony surówki (uzysk 77%), ale plon z mokrego puddlingu wyniósł prawie 100%.

Produkcja stali miękkiej w piecu puddlingowym została osiągnięta około 1850 roku w Westfalii w Niemczech i została opatentowana w Wielkiej Brytanii na zlecenie firm Lohage, Bremme i Lehrkind. Działał tylko z surówką wykonaną z pewnych rodzajów rudy. Żeliwo musiało być szybko topione, a żużel bogaty w mangan . Kiedy metal doszedł do natury, musiał zostać szybko usunięty i pokryty gontem, zanim nastąpiło dalsze nawęglanie . Proces ten został podjęty w Low Moor Ironworks w Bradford w Yorkshire ( Anglia ) w 1851 roku iw dolinie Loary we Francji w 1855 roku. Był szeroko stosowany.

Proces puddlingu zaczął być wypierany wraz z wprowadzeniem procesu Bessemera , który wytwarzał stal. Można go przekształcić w kute żelazo przy użyciu procesu Aston za ułamek kosztów i czasu. Dla porównania, średni wsad do pieca puddlingowego wynosił 800-900 funtów (360-410 kg), podczas gdy wsad konwertora Bessemera wynosił 15 ton amerykańskich (13600 kg). Procesu kałuży nie można było zwiększyć na większą skalę, ponieważ ograniczała go ilość, z jaką kałużnik mógł sobie poradzić. Można go było rozbudować jedynie poprzez zbudowanie większej liczby pieców.

Proces

Widok zewnętrzny pojedynczego pieca puddlingowego. A. Amortyzator; B. Drzwi do pracy

Proces rozpoczyna się od przygotowania pieca pudlingowego. Polega to na doprowadzeniu pieca do niskiej temperatury, a następnie jego oczyszczeniu . Oczyszczanie to proces malowania rusztu i ścian wokół niego tlenkami żelaza, zazwyczaj hematytem ; działa to jak powłoka ochronna zapobiegająca przepalaniu się stopionego metalu w piecu. Czasami zamiast hematytu używano drobno rozdrobnionego żużlu. W takim przypadku piec musi być nagrzewany przez 4-5 godzin w celu stopienia żużla, a następnie schłodzony przed wsadem.

W palenisku pieca umieszcza się następnie żeliwo białe lub żeliwo rafinowane , w procesie znanym jako ładowanie . W przypadku mokrego kałuży ładuje się również złom żelaza i/lub tlenek żelaza. Ta mieszanina jest następnie podgrzewana aż do stopienia wierzchu, co pozwala na rozpoczęcie mieszania tlenków; zwykle zajmuje to 30 minut. Mieszanina ta poddawana jest silnemu strumieniowi powietrza i mieszana przez drzwi pieca za pomocą długich prętów z haczykami na jednym końcu, zwanych kałużami lub motłochami . Pomaga to tlenowi z tlenków reagować z zanieczyszczeniami w surówce, zwłaszcza krzemem , manganem (tworząc żużel) oraz do pewnego stopnia siarką i fosforem , które tworzą gazy, które ulatniają się ze spalinami z pieca.

Następnie dodaje się więcej paliwa i podnosi się temperaturę. Żelazo całkowicie się topi, a węgiel zaczyna się wypalać. Podczas mokrej kałuży, tworzenie się dwutlenku węgla w wyniku reakcji z dodanym tlenkiem żelaza spowoduje tworzenie się bąbelków, które powodują, że masa wydaje się wrzeć. Proces ten powoduje, że żużel pęcznieje na wierzchu, dając motłochowi wizualne wskazanie postępu spalania. Gdy węgiel wypala się, temperatura topnienia mieszaniny wzrasta z 1150 do 1540 °C (2100 do 2800 °F), więc piec musi być stale zasilany podczas tego procesu. Temperatura topnienia wzrasta, ponieważ atomy węgla w mieszaninie działają jako substancja rozpuszczona w roztworze, który obniża temperaturę topnienia mieszaniny żelaza (jak sól drogowa na lodzie).

Pracując jako dwuosobowa załoga, kałużacz i pomocnik mógł wyprodukować około 1500 kg żelaza na 12-godzinnej zmianie. Wytężona praca, upał i opary spowodowały, że kałuże mają bardzo krótką średnią długość życia, a większość umiera po trzydziestce. Kałuży nigdy nie można było zautomatyzować, ponieważ kałużacz musiał wyczuć, kiedy kulki „przyszły do ​​​​natury”.

Piec do pudlingu

Przekroje pionowe i poziome pojedynczego pieca pudlingowego. A. Ruszt kominkowy; B. Cegły ogniotrwałe; C. segregatory krzyżowe; D. Kominek; E. Drzwi do pracy; F. Palenisko; G. Płyty oporowe z żeliwa; H. Ściana mostu

Pieca kałuż to technologia metalmaking wykorzystywane do tworzenia kutego żelaza lub stali z surówki wytwarzanego w piecu . Piec jest skonstruowany tak, aby przeciągać gorące powietrze nad żelazem bez bezpośredniego kontaktu paliwa z żelazem, system ogólnie znany jako piec rewerberacyjny lub piec martenowski . Główną zaletą tego systemu jest oddzielenie zanieczyszczeń paliwa od wsadu.

Układ podwójnego pieca do pudlingu

W palenisku żelazo jest ładowane, topione i kałużone. Kształt paleniska jest zwykle eliptyczny; 1,5–1,8 m (4,9–5,9 stopy) długości i 1-1,2 m (3,3–3,9 stopy) szerokości. Jeśli piec jest zaprojektowany do tworzenia kałuży, głębokość paleniska nigdy nie przekracza 50 cm (20 cali). Jeśli piec jest zaprojektowany do gotowania żeliwa szarego, średnia głębokość paleniska wynosi 50–75 cm (20–30 cali). Ze względu na duże ciepło potrzebne do stopienia wsadu ruszt musiał zostać schłodzony, aby nie stopił się wraz z wsadem. Odbywało się to poprzez puszczanie po nim stałego strumienia chłodnego powietrza lub polewanie wodą dna rusztu.

W kominku, w którym spalane jest opał, zastosowano ruszt żeliwny o różnej wielkości w zależności od stosowanego paliwa. Jeśli używany jest węgiel kamienny, wówczas średni rozmiar rusztu wynosi 60 cm × 90 cm (2,0 stopy × 3,0 stopy) i jest ładowany 25–30 cm (9,8–11,8 cala) węgla. Jeśli używany jest węgiel antracytowy, ruszt ma wymiary 1,5 m × 1,2 m (4,9 stopy × 3,9 stopy) i jest ładowany 50–75 cm (20–30 cali) węgla.

Podwójny piec puddlingowy jest podobny do pojedynczego pieca puddlingowego, z tą różnicą, że są dwa drzwi robocze, które umożliwiają dwóm puddlerom pracę w tym samym czasie. Największą zaletą tego zestawu jest to, że produkuje dwa razy więcej kutego żelaza. Jest również bardziej ekonomiczny i oszczędny w porównaniu z pojedynczym piecem.

Zobacz też

Przypisy

Dalsza lektura

  • Schubert, HR (1958). Wydobycie i produkcja metali: żelaza i stali . Historia technologii. IV: Rewolucja Przemysłowa. Prasa Uniwersytetu Oksfordzkiego.
  • WKV Gale, Iron and Steel (Longmans, Londyn 1969), 55nn.
  • WKV Gale, The British Iron and Steel Industry: historia techniczna (David i Charles, Newton Abbot 1967), 62-66.
  • Landes, Dawidzie. S. (1969). Prometeusz niezwiązany: zmiany technologiczne i rozwój przemysłowy w Europie Zachodniej od 1750 do chwili obecnej . Cambridge, Nowy Jork: Syndykat Prasowy Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 0-521-09418-6.
  • RA Mott, Sucha i mokra kałuża Przeł . Nowicjusz Soc. 49 (1977-78), 153-58.
  • RA Mott (red. P. Singer), Henry Cort: wielki drobniejszy (The Metals Society, Londyn 1983).
  • K. Barraclough, Produkcja stali: 1850-1900 (Instytut Materiałów, Londyn 1990), 27-35.
  • Overman, Fredrick (1854). Manufaktura żelaza we wszystkich jej różnych gałęziach . Filadelfia: HC Baird. s.  259 –302.
  • Artykuł Paula Belforda na temat N. Hingley & Sons Ltd
  • Iron Puddler: Moje życie w walcowni i co z tego wyszło . przez Jamesa J. Davisa . Nowy Jork: Grosset i Dunlap, 1922. (napisany przez ducha CL Edson)