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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
주강. 발명과 생산의 역사
철 야금의 역사에서 인류 역사 전체에 지대한 영향을 미친 세 가지 혁명적 격변이 있었습니다. 두 번째는 변경 과정의 발견 이후 중세에 발생했습니다. 세 번째는 XNUMX세기 후반에 발생했으며 주강 생산의 시작과 관련이 있습니다. 강철은 도구, 무기 및 기계 부품 제조에 필요한 경도와 강도를 가지고 있기 때문에 항상 철 야금의 가장 필요하고 원하는 제품으로 남아있었습니다. 그러나 철강 제품이 되기 전에 금속은 많은 노동 집약적인 작업을 거쳐야 했습니다. 첫째, 철은 광석에서 제련되었습니다. 그런 다음 주철이 연철로 환원되었습니다. 마지막으로, 철제 링을 장기간 단조하여 필요한 강철 부품을 얻습니다(또는 이를 위한 블랭크만 얻은 후 금속 절단기에서 최종 마감 처리됨). 연철 생산, 특히 단조는 오랫동안 철 가공 공정의 병목 현상이었습니다. 그들은 가장 많은 노력과 시간을 들였고 결과는 항상 만족스러운 것과는 거리가 멀었습니다. 이 문제는 값싼 철강에 대한 수요가 급격히 증가한 XNUMX세기에 특히 심각해졌습니다. 당연히 많은 과학자와 발명가는 Bessemer가 나중에 표현한 아이디어를 가지고있었습니다. 철과 강철의 특성을 가진 금속을 액체 형태로 가져와 주조에 사용할 수 있습니까? 이 문제의 해결책은 많은 야금학자들의 수십 년의 노력이 필요했습니다. 그 과정에서 몇 가지 중요한 발견과 발명이 이루어졌으며, 각각은 철 가공의 역사에서 한 시대를 구성했습니다. XNUMX세기 말까지 주철을 연성 철로 바꾸는 작업은 화로에서만 이루어졌습니다. 그러나 이 방법은 여러 면에서 불편했다. 그 동안 얻은 금속은 이질적이었습니다. 장소에서 가단성 철, 장소에서 강철에 대한 품질에 접근했습니다. 또한 작업에는 많은 시간과 육체적 노력이 필요했습니다. 연료(석탄)는 철과 직접 접촉하기 때문에 불순물이 최종 제품의 품질에 영향을 미치기 때문에 이에 대한 요구가 매우 높았습니다. 석탄 소비량은 매우 높았습니다(철 1kg을 복원하는 데 평균 4kg의 석탄이 필요했습니다). 가장 큰 대장간에서는 24시간 동안 400kg 이하의 철을 얻을 수 있었습니다. 한편 시장은 점점 더 많은 철강을 요구했습니다. 이러한 요구에 부응하기 위해 주철을 보다 완벽하게 리메이크할 수 있는 방법을 찾아야 했습니다. 이 경로에서 중요한 진전은 1784년 영국인 Cort가 특별히 설계된 오븐에서 제안한 푸들링 과정이었습니다.
퍼들링은 주철을 연질 저탄소 철(연철)로 변환하는 야금 공정입니다. 이 공정의 핵심은 연료와 접촉하지 않고 특수 용광로에서 주철을 녹이고 용융 금속을 특수 막대로 휘젓는 것입니다. 이 막대에 용융 철 입자가 달라 붙어 점차 최대 40-60kg의 반죽과 같은 크러스트를 형성합니다. 웅덩이 오븐 출구에서 얻은 kritsa가 단조되어 평평하게 보내집니다. 푸딩 철은 잘 용접되고 연성이 높으며 불순물 (인, 황, 비금속 개재물)이 거의 없습니다. 푸들링 오븐의 주요 장치는 다음과 같았다. 용광로에서 연료가 연소되었습니다. 석재 문지방을 통한 연소 생성물은 철 슬래그가 장착된 주철이 난로에 있는 용광로의 작업 공간으로 떨어졌습니다. 화염의 작용하에 슬래그는 페이스트 상태로 전달되어 부분적으로 녹았다. 온도가 상승함에 따라 주철이 녹기 시작하고 슬래그에 함유 된 산소로 인해 불순물이 타 버립니다. 따라서 주철은 탈탄, 즉 스폰지 철 외침으로 변했습니다. 웅덩이 용광로와 블루머리의 중요한 차이점은 값싼 원탄을 포함하여 모든 연료를 연료로 사용할 수 있고 부피가 훨씬 크다는 것입니다.
푸딩 오븐은 철을 더 싸게 만들었습니다. 동시에, 비명을 지르는 뿔과 달리 Kort의 오븐은 강제 불을 필요로하지 않았습니다. 높은 파이프 덕분에 공기 접근과 좋은 드래프트가 달성되었습니다. 이것이 푸딩 오븐이 전 세계적으로 널리 보급된 이유 중 하나입니다. 그러나 이러한 용광로의 중대한 결점은 공기가 주철의 상부만 분출한다는 점이었습니다. 철의 환원이 부피 전체에 걸쳐 고르게 진행되기 위해서는 주기적으로 용광로를 열고 주철을 저어주어야 했습니다. 힘든 육체 노동이었습니다. 또한 작업자의 힘과 능력이 제한되어 있었기 때문에 용광로는 너무 클 수 없었습니다. (교반을 허용하기 위해 Cort는 두 개의 파이프를 제공했는데 그 중 하나는 용광로 아래에 있고 두 번째 파이프는 용광로 끝에 있습니다. 온도를 낮추어야 하는 순간에 열렸습니다.) XNUMX세기 중반까지 푸들링 오븐은 더 이상 산업의 새로운 요구를 충족시키지 못했습니다. 수요를 따라잡기 위해 각 대형 고로마다 여러 개의 용광로를 건설해야 했습니다(평균적으로 XNUMX개의 퍼들 용광로는 하나의 용광로에 사용됨). 이것은 비용을 증가시키고 생산을 더 어렵게 만들었습니다. 많은 발명가들은 푸들링을 철을 회수하는 더 나은 방법으로 대체하는 방법에 대해 생각해 왔습니다. 다른 사람들보다 먼저이 문제는 영국 엔지니어 Bessemer에 의해 해결되었습니다. Bessemer는 포병 조각과 포탄의 개선에 대한 수년간의 작업 끝에 야금에 왔습니다. 그는 대포를 주조할 수 있는 고품질 주강을 생산하는 방법을 찾는 것을 목표로 삼았습니다. 주철이 녹는 것을 여러 번 관찰하면서 그는 먼저 송풍기 파이프 근처에서 고체 환원철이 형성되는 것을 알아차렸습니다. 이것은 그가 녹은 주철을 통해 집중적으로 공기를 불어서 강철을 얻는 아이디어로 이끌었습니다. Bessemer는 폐쇄된 도가니에서 첫 번째 실험을 수행했으며, 이 도가니는 콜라와 함께 단조로 가열되었습니다. 결과는 가장 거친 기대를 초과했습니다. 한 시간도 채 되지 않아 그는 철을 일급 강철로 만들었습니다. 또한 추가 실험에 따르면 외부에서 야금 공정에 열을 도입할 필요가 없습니다. 사실 주철에는 실리콘, 망간, 탄소와 같은 불순물로 자체 가연성 물질이 포함되어 있습니다. 주철 톤당 총 약 45kg의 가연성 물질입니다. 그들의 연소로 인해 용융 온도를 크게 높이고 액체 상태의 강철을 얻는 것이 가능했습니다. 1856년에 Bessemer는 자신이 발명한 고정 변환기를 공개적으로 시연했습니다. 변환기는 낮은 수직 스토브의 형태를 띠고 있으며 상단에는 가스 배출 구멍이있는 금고가 있습니다. 용광로 측면에는 주철을 붓는 두 번째 구멍이 있습니다. 완성 된 강철은 용광로 하부의 구멍을 통해 방출되었습니다 (컨버터 작동 중에 점토로 막혔습니다). 송풍기 튜브(송풍기)는 노의 난로 근처에 위치했습니다. 변환기가 고정되어 있기 때문에 철이 부어지기 전에 퍼지가 시작되었습니다. 그렇지 않으면 금속이 풍구를 범람할 것입니다. 같은 이유로 모든 금속이 풀릴 때까지 불어 넣어야했습니다. 전체 과정은 20분도 채 걸리지 않았습니다. 석방이 약간 지연되어 결혼 생활이 이루어졌습니다. 이러한 불편함과 고정식 변환기의 여러 다른 단점으로 인해 Bessemer는 회전식 가마로 전환해야 했습니다. 1860년에 그는 새로운 변환기 설계에 대한 특허를 받았으며, 이는 오늘날까지 일반적으로 남아 있습니다.
Bessemer 방법은 야금 분야에서 진정한 혁명이었습니다. 8-10분 만에 그의 변환기는 10-15톤의 주철을 연성 철 또는 강철로 바꿨습니다. 이전에는 푸들링로를 작동하는 데 며칠이 걸리거나 이전 블루머리를 작동하는 데 몇 개월이 걸렸을 것입니다. 그러나 Bessemer 공법이 산업현장에 적용되기 시작한 후 그 결과는 실험실보다 더 나빴고 강철은 매우 열악한 품질을 보였습니다. 15년 동안 Bessemer는 이 문제를 해결하려고 노력했고 마침내 그의 실험에서 주철에는 인이 거의 포함되어 있지 않은 반면 영국에서는 인 함량이 높은 철광석에서 제련된 주철이 널리 사용된다는 것을 발견했습니다. 한편, 인과 유황은 다른 불순물과 함께 타지 않았습니다. 주철에서 강철로 떨어지고 품질이 크게 저하되었습니다. 이것은 컨버터의 높은 비용 외에도 Bessemer 방법이 생산에 매우 천천히 도입되었다는 사실로 이어졌습니다. 그리고 XNUMX년 후 영국에서는 대부분의 주철이 웅덩이 용광로에서 녹았습니다. 변환기는 독일과 미국에서 훨씬 더 널리 사용됩니다.
철강 생산의 베세머(Bessemer) 방식과 함께 노로 방식(open-hearth method)이 곧 큰 역할을 하게 되었습니다. 그 본질은 주철이 특수 재생로에서 고철과 융합되었다는 것입니다. 이 용광로는 1861년 독일 엔지니어인 Friedrich와 William Siemens가 유리 산업의 필요에 따라 발명하고 제작했지만 야금 분야에서 가장 널리 사용되었습니다. 용광로의 구성에는 가스 발생기(또는 가스 발생기), 가스 및 공기를 가열하기 위한 열 재생기(또는 재생기)가 있는 용광로 자체 및 주조실(야드)이 포함됩니다.
발전기와 재생기는 가스, 공기 및 연소 생성물을 위한 특수 채널 시스템으로 상호 연결되었습니다. 후자는 최대 40m 높이의 굴뚝으로 배출되어 필요한 초안을 제공했습니다. 발전기는 난로 아래 또는 용광로 측면에 위치했습니다. 재생기는 가스와 공기를 가열하기 위한 특수 챔버였습니다. 특수 가변 밸브는 가스와 공기를 한 챔버 또는 다른 챔버로 보내고 연소 생성물은 파이프로 배출됩니다. 연소는 다음과 같은 방식으로 이루어졌다. 가스와 공기는 각각 자체 챔버에서 가열된 다음 연소가 일어나는 용융 공간으로 들어갑니다. 노의 바닥을 통과한 연소 생성물은 축열기로 돌진하여 여기에서 축열기의 부설에 대부분의 열을 포기한 다음 굴뚝으로 들어갔습니다. 공정이 연속적으로 진행되기 위해서는 밸브의 도움으로 공기와 가스가 먼저 한 쌍의 재생기로 전달된 다음 다른 재생기로 전달되었습니다. 이러한 사려 깊은 열 교환의 결과, 용광로의 온도는 1600도, 즉 순수한 무탄소 철의 용융 온도를 초과했습니다. 고온 용광로의 생성은 야금의 새로운 지평을 열었습니다. 1864세기 중반까지 모든 산업 국가는 엄청난 양의 고철을 보유하고 있었습니다. 높은 내화성으로 인해 생산에 사용할 수 없었습니다. 프랑스 엔지니어 Émile과 Pierre Martin(아버지와 아들)은 이 고철을 재생로에서 주철과 융합하여 강철을 얻을 것을 제안했습니다. XNUMX년에 Sireil 공장에서 Siemens의 지도하에 그들은 최초의 성공적인 제련을 수행했습니다. 그런 다음이 방법이 모든 곳에서 적용되기 시작했습니다. 노상 용광로는 전로보다 저렴하여 더 널리 사용되었습니다. 그러나 Bessemer도 노상법도 황과 인을 함유한 광석에서 고품질의 강철을 얻을 수 없었습니다. 이 문제는 1878년 영국의 야금학자 시드니 토마스가 전로에 석회를 최대 10-15% 추가한다는 아이디어를 내놓을 때까지 XNUMX년 반 동안 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 이 경우 강한 화합물에 인을 보유할 수 있는 슬래그가 형성되었습니다. 결과적으로 인은 다른 불필요한 불순물과 함께 타 버렸고 주철은 고급 강으로 변했습니다. 토마스의 발명의 중요성은 엄청났습니다. 유럽에서 대량으로 채굴된 인 함유 광석에서 대규모 철강 생산을 가능하게 했습니다. 일반적으로 베세머와 노로 공정의 도입으로 강철을 무제한으로 생산할 수 있게 되었습니다. 주강은 산업 분야에서 빠르게 자리를 잡았고 XIX 세기의 70 년대부터 단철은 거의 완전히 사용되지 않게되었습니다. 노상과 베세머 생산이 도입된 후 첫 60년 동안 이미 세계 철강 생산량이 XNUMX% 증가했습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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