Metalurgia żelaza - Ferrous metallurgy

Metalurgii Żelaza The metalurgia z żelaza i jego stopów , rozpoczęła się w prehistorii . Najwcześniejsze zachowane artefakty żelazne, pochodzące z 4 tysiąclecia pne w Egipcie , zostały wykonane z meteorytowego żelaza i niklu . Nie wiadomo, kiedy i gdzie rozpoczęło się wytapianie żelaza z rud , ale pod koniec II tysiąclecia pne żelazo produkowano z rud żelaza przynajmniej od Grecji po Indie i Afrykę Subsaharyjską . Stosowanie kutego żelaza ( żelazo obrobione) było znane już w I tysiącleciu p.n.e., a jego rozpowszechnienie określiło epokę żelaza . W okresie średniowiecza kowale w Europie znaleźli sposób na wytwarzanie kutego żelaza z żeliwa (w tym kontekście zwanego surówką ) za pomocą kuźni szlachetnych . Wszystkie te procesy wymagały węgla drzewnego jako paliwa .

W IV wieku pne południowe Indie zaczęły eksportować stal Wootz (z zawartością węgla pomiędzy surówką a kutym) do starożytnych Chin, Afryki, Bliskiego Wschodu i Europy. Archeologiczne dowody żeliwa pojawiają się w Chinach w V wieku p.n.e. W XVII wieku opracowano nowe metody jej wytwarzania poprzez nawęglanie prętów żelaznych w procesie cementacji . Podczas rewolucji przemysłowej pojawiły się nowe metody produkcji prętów żelaznych poprzez zastąpienie węgla drzewnego koksem , które później zastosowano do produkcji stali , zapoczątkowując nową erę znacznie zwiększonego wykorzystania żelaza i stali, którą niektórzy współcześni określali jako nową „epokę żelaza”. ”. Pod koniec lat 50. XIX wieku Henry Bessemer wynalazł nowy proces produkcji stali, który polegał na przedmuchiwaniu powietrzem stopionej surówki w celu spalenia węgla, a tym samym produkcji stali miękkiej. Ten i inne XIX-wieczne i późniejsze procesy hutnicze wyparły kute żelazo . Obecnie kute żelazo nie jest już produkowane na skalę przemysłową, ponieważ zostało zastąpione funkcjonalnie równoważną stalą miękką lub niskowęglową.

Największy i najnowocześniejszy podziemny rudy żelaza kopalnia na świecie działa w Kiruna , Norrbotten , Laponii . Kopalnia, należąca do dużej szwedzkiej firmy wydobywczej Luossavaara-Kiirunavaara AB , ma roczne zdolności produkcyjne ponad 26 milionów ton rudy żelaza .

Żelazo meteorytowe

Willamette Meteorite , szósty co do wielkości na świecie, jest meteorytem żelazowo-niklowym .
Meteoryty żelazne składają się w przeważającej mierze ze stopów niklu i żelaza. Metal wydobyty z tych meteorytów jest znany jako żelazo meteorytowe i był jednym z najwcześniejszych źródeł nadającego się do użytku żelaza dostępnego dla ludzi.

Żelazo pozyskiwano ze stopów żelaza i niklu , które stanowią około 6% wszystkich meteorytów spadających na Ziemię . Źródło to można często z pewnością zidentyfikować ze względu na unikalne cechy krystaliczne ( wzory Widmanstätten ) tego materiału, które są zachowane, gdy metal jest obrabiany na zimno lub w niskiej temperaturze. Do artefaktów tych należą na przykład koralik z V tysiąclecia p.n.e. znaleziony w Iranie oraz groty włóczni i ozdoby ze starożytnego Egiptu i Sumeru około 4000 lat p.n.e.

Wydaje się, że te wczesne zastosowania miały głównie charakter ceremonialny lub dekoracyjny. Żelazo meteorytowe jest bardzo rzadkie, a metal był prawdopodobnie bardzo drogi, być może droższy niż złoto . Wczesne Hetyci znane są Sprzedana żelaza meteorytowego (lub wytapiano) dla srebra , w tempie 40 razy masy żelazka, ze Starego asyryjskiego imperium w pierwszych wiekach drugiego tysiąclecia pne .

Meteorytowe żelazo zostało również przerobione na narzędzia w Arktyce , około roku 1000, kiedy ludzie Thule z Grenlandii zaczęli wytwarzać harpuny , noże, ulusy i inne narzędzia o ostrych krawędziach z fragmentów meteorytu Cape York . Zazwyczaj kawałki metalu wielkości grochu były wbijane w krążki na zimno i mocowane do kościanego uchwytu. Te artefakty były również używane jako towary handlowe z innymi ludami Arktyki: narzędzia wykonane z meteorytu Cape York zostały znalezione na stanowiskach archeologicznych odległych o ponad 1000 mil (1600 km). Kiedy amerykański polarnik Robert Peary wysłał największy kawałek meteorytu do Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku w 1897 roku, nadal ważył ponad 33  tony . Innym przykładem późnego użycia żelaza meteorytowego jest toporek z około 1000 rne znaleziony w Szwecji .

Żelazo natywne

Żelazo rodzime w stanie metalicznym rzadko występuje w postaci niewielkich wtrąceń w niektórych skałach bazaltowych . Oprócz żelaza meteorytowego, mieszkańcy Grenlandii Thule używali rodzimego żelaza z regionu Disko .

Hutnictwo żelaza i epoka żelaza

Wytapianie żelaza — wydobywanie nadającego się do użytku metalu z utlenionych rud żelaza — jest trudniejsze niż wytapianie cyny i miedzi . Podczas gdy te metale i ich stopy można obrabiać na zimno lub topić w stosunkowo prostych piecach (takich jak piece garncarskie ) i odlewać do form, wytopione żelazo wymaga obróbki na gorąco i może być topione tylko w specjalnie zaprojektowanych piecach. Żelazo jest powszechnym zanieczyszczeniem w rudach miedzi, a ruda żelaza była czasami wykorzystywana jako topnik , nic więc dziwnego, że człowiek opanował technologię wytapiania żelaza dopiero po kilku tysiącleciach hutnictwa brązu .

Miejsce i czas odkrycia wytapiania żelaza nie są znane, częściowo z powodu trudności w odróżnieniu metalu wydobytego z rud zawierających nikiel od przerobionego na gorąco żelaza meteorytowego. Dowody archeologiczne wydają się wskazywać na obszar Bliskiego Wschodu, w epoce brązu w trzecim tysiącleciu p.n.e. Jednak artefakty z kutego żelaza pozostawały rzadkością aż do XII wieku p.n.e.

Epoki żelaza jest zwykle określona przez powszechne zastąpienie brązu broni i narzędzi z tych z żelaza i stali. To przejście nastąpiło w różnym czasie w różnych miejscach, w miarę rozprzestrzeniania się technologii. Mezopotamia weszła w pełni w epokę żelaza przed 900 rokiem p.n.e. Chociaż Egipt produkował żelazne artefakty, brąz pozostał dominujący aż do jego podboju przez Asyrię w 663 pne. Epoka żelaza rozpoczęła się w Indiach około 1200 pne, w Europie Środkowej około 800 pne, a w Chinach około 300 pne. Około 500 pne Nubijczycy , którzy nauczyli się od Asyryjczyków używania żelaza i zostali wypędzeni z Egiptu, stali się głównymi producentami i eksporterami żelaza.

Starożytny Bliski Wschód

Tereny górnicze starożytnego Bliskiego Wschodu . Kolorystyka pudełek: arszenik w kolorze brązowym, miedź w kolorze czerwonym, cyna w kolorze szarym, żelazo w czerwonawym brązie, złoto w kolorze żółtym, srebro w kolorze białym i ołów w kolorze czarnym. Żółty obszar oznacza brąz arsenowy , a szary obszar oznacza brąz cynowy

Jeden z najwcześniejszych artefaktów wytopionego żelaza, sztylet z żelaznym ostrzem znaleziony w grobowcu Hattic w Anatolii , datowany na 2500 pne. Około 1500 rpne w Mezopotamii , Anatolii i Egipcie pojawiła się coraz więcej niemeteorytycznych, wytopionych przedmiotów żelaznych . Dziewiętnaście meteoryczne żelazne przedmioty znaleziono w grobowcu z egipskiego władcy Tutanchamona , który zmarł w 1323 roku pne, w tym sztyletem żelaza ze złotą rękojeścią, w Eye of Horus , head-stoisku mumii i szesnastu modeli narzędzi rzemieślnika za. W wykopaliskach w Ugarit znaleziono starożytny egipski miecz noszący imię faraona Merneptaha, a także topór bojowy z żelaznym ostrzem i ozdobiony złotem drzewc z brązu .

Chociaż we wschodniej części Morza Śródziemnego znaleziono żelazne przedmioty pochodzące z epoki brązu , wydaje się, że w tym okresie dominowały prace z brązu. Wraz z rozprzestrzenianiem się technologii żelazo zastąpiło brąz jako dominujący metal używany w narzędziach i broni we wschodniej części Morza Śródziemnego ( Lewant , Cypr , Grecja , Kreta , Anatolia i Egipt).

Żelazo było pierwotnie wytapiane w dymarkach , piecach, w których miechy były używane do przetłaczania powietrza przez stos rudy żelaza i spalanie węgla drzewnego . Tlenek węgla wytwarzany przez węgiel zmniejsza tlenek żelaza z rudy żelaza metalicznego. W dymiarni nie było jednak wystarczająco gorąco, aby stopić żelazo, więc metal zbierał się na dnie pieca w postaci gąbczastej masy, czyli nalotu . Robotnicy następnie wielokrotnie bili i składali go, aby wypchnąć stopiony żużel . Ten żmudny, czasochłonny proces wytworzył kute żelazo , plastyczny, ale dość miękki stop.

Równolegle z przejściem od brązu do żelaza odkryto nawęglanie , proces dodawania węgla do kutego żelaza. Podczas gdy nalot żelaza zawierał trochę węgla, późniejsza obróbka na gorąco spowodowała utlenienie jego większości. Kowale na Bliskim Wschodzie odkryli, że kute żelazo można przekształcić w znacznie twardszy produkt, ogrzewając gotowy element w złożu węgla drzewnego, a następnie hartując go w wodzie lub oleju. Ta procedura przekształciła zewnętrzne warstwy elementu w stal , stop żelaza i węglików żelaza , z wewnętrznym rdzeniem z mniej kruchego żelaza.

Teorie dotyczące pochodzenia wytopu żelaza

Rozwój hutnictwa żelaza tradycyjnie przypisywano Hetytom z Anatolii z późnej epoki brązu . Wierzono, że utrzymywali monopol na obróbkę żelaza i że ich imperium opierało się na tej przewadze. Zgodnie z tą teorią starożytni Ludy Morza , którzy najechali wschodnią część Morza Śródziemnego i zniszczyli imperium Hetytów pod koniec późnej epoki brązu, byli odpowiedzialni za rozpowszechnianie wiedzy w tym regionie. Teoria ta nie jest już utrzymywana w głównym nurcie nauki, ponieważ nie ma archeologicznych dowodów na rzekomy monopol Hetytów. Chociaż istnieje kilka żelaznych przedmiotów z Anatolii z epoki brązu, liczba ta jest porównywalna z żelaznymi przedmiotami znalezionymi w Egipcie i innych miejscach tego samego okresu, a tylko niewielka liczba tych przedmiotów była bronią.

Nowsza teoria głosi, że rozwój technologii żelaza był napędzany przez zakłócenie szlaków handlowych miedzi i cyny , spowodowane upadkiem imperiów pod koniec późnej epoki brązu. Metale te, zwłaszcza cyna, nie były powszechnie dostępne i metalowcy musieli je transportować na duże odległości, podczas gdy rudy żelaza były powszechnie dostępne. Jednak żadne znane dowody archeologiczne nie sugerują niedoboru brązu lub cyny we wczesnej epoce żelaza. Przedmioty z brązu pozostały obfite, a przedmioty te mają taki sam procent cyny jak te z późnej epoki brązu.

Subkontynent indyjski

Historia metalurgii żelaza na subkontynencie indyjskim rozpoczęła się w II tysiącleciu p.n.e. Wykopaliska archeologiczne na równinach Gangesu dostarczyły żelaznych narzędzi datowanych na lata 1800-1200 pne. Na początku XIII wieku pne wytapianie żelaza było praktykowane w Indiach na dużą skalę. W południowych Indiach (dzisiejszy Mysore ) żelazo było używane od XII do XI wieku p.n.e. Technologia metalurgii żelaza rozwinęła się w politycznie stabilnym okresie Maurya oraz w okresie pokojowych osiedli w I tysiącleciu p.n.e.

Żelaza artefaktów, takich jak kolce , noże , sztylety , Strzałka -heads, miski , łyżki , garnki , osie , dłuta , kleszczy , okucia drzwi, etc., datowane od 600 do 200 roku pne, zostały odkryte w kilku stanowisk archeologicznych w Indiach. Grecki historyk Herodot napisał pierwszy zachodni opis użycia żelaza w Indiach. Indyjskie teksty mitologiczne, Upaniszady , również wspominają o tkactwie, garncarstwie i metalurgii. W czasach Imperium Guptów Rzymianie wysoko cenili doskonałość stali z Indii .

Sztylet i pochwa, Indie, XVII–XVIII wiek. Ostrze: stal damasceńska inkrustowana złotem; rękojeść: jadeit; pochwa: stalowa z grawerowaną, rzeźbioną i złoconą dekoracją

Być może już w 500 roku p.n.e., choć na pewno do 200 rne, w południowych Indiach produkowano wysokiej jakości stal techniką tygla . W tym systemie żelazo kute o wysokiej czystości, węgiel drzewny i szkło były mieszane w tyglu i podgrzewane, aż żelazo stopi się i wchłonie węgiel. Żelazny łańcuch był używany w indyjskich mostach wiszących już w IV wieku.

Stal Wootz była produkowana w Indiach i Sri Lance od około 300 pne. Stal Wootz słynie z klasycznej starożytności ze względu na swoją trwałość i zdolność do trzymania krawędzi. Zapytany przez króla Porusa o wybranie prezentu, Aleksander podobno wybrał, zamiast złota lub srebra , trzydzieści funtów stali. Stal Wootz była pierwotnie złożonym stopem, którego głównym składnikiem było żelazo wraz z różnymi pierwiastkami śladowymi . Ostatnie badania sugerują, że jego właściwości mogły wynikać z tworzenia się nanorurek węglowych w metalu. Według Willa Duranta technologia trafiła do Persów, a od nich do Arabów, którzy rozprzestrzenili ją na Bliski Wschód. W XVI wieku Holendrzy przewieźli technologię z południowych Indii do Europy, gdzie była masowo produkowana.

Stal produkowana była na Sri Lance od 300 rpne w piecach nadmuchiwanych przez wiatry monsunowe . Piece wkopano w grzbiety wzgórz, a wiatr był kierowany do otworów wentylacyjnych długimi rowami. Taki układ stworzył strefę wysokiego ciśnienia na wejściu i strefę niskiego ciśnienia na górze pieca. Uważa się, że przepływ umożliwił wyższe temperatury niż piece napędzane mieszkiem, co skutkuje lepszą jakością żelaza. Stal produkowana na Sri Lance była przedmiotem szerokiego handlu w regionie iw świecie islamskim .

Jedną z największych światowych ciekawostek metalurgicznych jest żelazny słup znajdujący się w kompleksie Qutb w Delhi . Słup wykonany jest z kutego żelaza (98% Fe ), ma prawie siedem metrów wysokości i waży ponad sześć ton. Filar został wzniesiony przez Chandragupta II Vikramaditya i wytrzymał 1600 lat ulewnego deszczu przy stosunkowo niewielkiej korozji .

Chiny

Oczyszczanie rudy żelaza w celu wytworzenia kutego żelaza z surówki; ilustracja po prawej stronie przedstawia mężczyzn pracujących przy wielkim piecu ( encyklopedia Tiangong Kaiwu , 1637)

Historycy debatują, czy obróbka żelaza oparta na gamatach kiedykolwiek dotarła do Chin z Bliskiego Wschodu. Jedna z teorii sugeruje, że metalurgia została wprowadzona przez Azję Środkową. W 2008 roku na stanowisku Mogou w Gansu wydobyto dwa fragmenty żelaza . Datowane są na XIV wiek p.n.e., należące do okresu kultury Siwa , co sugeruje niezależne chińskie pochodzenie. Jeden z fragmentów został wykonany z żelaza dymowego, a nie meteorytowego.

Najwcześniejsze żelazne artefakty wykonane z dymarek w Chinach pochodzą z końca IX wieku p.n.e. Żeliwo było używane w starożytnych Chinach do działań wojennych, rolnictwa i architektury. Około 500 rpne metalowcy w południowym stanie Wu osiągnęli temperaturę 1130 °C. W tej temperaturze żelazo łączy się z 4,3% węgla i topi się. Płynne żelazo można odlewać do form , co jest metodą o wiele mniej pracochłonną niż wykuwanie każdego kawałka żelaza z wykwitu.

Żeliwo jest raczej kruche i nie nadaje się do uderzania narzędzi. Można go jednak odwęgloć do stali lub kutego żelaza, ogrzewając go na powietrzu przez kilka dni. W Chinach te metody obróbki żelaza rozprzestrzeniły się na północ, a do 300 pne żelazo było materiałem wybieranym w całych Chinach na większość narzędzi i broni. Masowy grób w prowincji Hebei , datowany na początek III wieku p.n.e., zawiera pochowanych kilku żołnierzy z bronią i innym sprzętem. Artefakty odzyskane z tego grobu są różnie wykonane z kutego żelaza, żeliwa, żeliwa ciągliwego i stali hartowanej, z zaledwie kilkoma, prawdopodobnie ozdobnymi broniami z brązu.

Ilustracja przedstawiająca miechy pieca obsługiwane przez koła wodne, z Nong Shu , Wang Zhen , 1313 AD, podczas dynastii Yuan w Chinach

Podczas panowania dynastii Han (202 pne-220 ne) rząd ustanowił hutnictwo jako monopol państwowy (zlikwidowany w drugiej połowie dynastii i przywrócony do prywatnej przedsiębiorczości) i zbudował szereg dużych wielkich pieców w prowincji Henan , z których każdy był w stanie produkując kilka ton żelaza dziennie. W tym czasie chińscy metalurdzy odkryli, jak rozdrobnić stopioną surówkę, mieszając ją na świeżym powietrzu, aż straciła węgiel i mogła być kuta (kuta). (We współczesnym mandaryńsko- chińskim proces ten nazywa się teraz chao , dosłownie smażenie w mieszance ; surówka jest znana jako „surowe żelazo”, podczas gdy kute żelazo jest znane jako „gotowane żelazo”.) Już w I wieku pne chińscy metalurdzy odkryli że kute żelazo i żeliwo można stopić razem w celu uzyskania stopu o pośredniej zawartości węgla, czyli stali. Według legendy w ten sposób wykonano miecz Liu Banga , pierwszego cesarza Han. Niektóre teksty z epoki wspominają o „harmonizowaniu twardych i miękkich” w kontekście obróbki żelaza; wyrażenie może odnosić się do tego procesu. Starożytne miasto Wan ( Nanyang ) od czasów dynastii Han było głównym ośrodkiem przemysłu żelaznego i stalowego. Wraz ze swoimi oryginalnymi metodami kucia stali, Chińczycy przyjęli również metody produkcji stali Wootz, pomysł zaimportowany z Indii do Chin w V wieku naszej ery. W czasach dynastii Han Chińczycy jako pierwsi zastosowali również siłę hydrauliczną (tj. koło wodne ) do pracy miechów wielkiego pieca. Zostało to odnotowane w 31 roku ne jako innowacja chińskiego inżyniera mechanika i polityka Du Shi , prefekta Nanyang. Chociaż Du Shi był pierwszym, który zastosował energię wodną do mieszków w metalurgii, pierwsza narysowana i wydrukowana ilustracja jego działania z energią wodną pojawiła się w 1313 r., w tekście z ery dynastii Yuan zwanym Nong Shu .

Istnieją dowody na to, że w XI wieku produkcja stali w Song China przy użyciu dwóch technik: metody „berganowej”, która wytwarzała gorszą, niejednorodną stal i prekursora nowoczesnego procesu Bessemera, w którym wykorzystano częściową dekarbonizację poprzez wielokrotne kucie w zimnym dmuchu . Do XI wieku w Chinach doszło do znacznego wylesiania z powodu zapotrzebowania przemysłu żelaznego na węgiel drzewny. Jednak do tego czasu Chińczycy nauczyli się używać koksu bitumicznego do zastępowania węgla drzewnego, a dzięki tej zmianie zasobów oszczędzono wiele akrów pierwszorzędnych lasów w Chinach.

Europa z epoki żelaza

Porównanie starożytnych chińskich i europejskich procesów wytwarzania żelaza i stali.
Topór wykonany z żelaza, datowany na szwedzką epokę żelaza , znaleziony na Gotlandii w Szwecji

Obróbka żelaza została wprowadzona do Grecji pod koniec X wieku p.n.e. Najwcześniejsze ślady epoki żelaza w Europie Środkowej to artefakty z kultury Hallstatt C (VIII wiek p.n.e.). Od VII do VI wieku pne żelazne artefakty pozostały luksusowymi przedmiotami zarezerwowanymi dla elity. Zmieniło się to dramatycznie wkrótce po 500 roku pne wraz z powstaniem kultury La Tène , od której metalurgia żelaza stała się powszechna także w Europie Północnej i Wielkiej Brytanii . Rozprzestrzenianie się hutnictwa w Europie Środkowej i Zachodniej wiąże się z ekspansją celtycką . Już w I wieku pne stal norycka słynęła ze swojej jakości i była poszukiwana przez rzymskie wojsko .

Roczna produkcja żelaza Cesarstwa Rzymskiego szacowana jest na 84 750 ton .

Afryki Subsaharyjskiej

Znaleziska z epoki żelaza w Afryce Wschodniej i Południowej, odpowiadające ekspansji Bantu na początku pierwszego tysiąclecia naszej ery

Chociaż istnieje pewna niepewność, niektórzy archeolodzy uważają, że metalurgia żelaza została rozwinięta niezależnie w Afryce Subsaharyjskiej (prawdopodobnie w Afryce Zachodniej).

Mieszkańcy Termit we wschodnim Nigrze wytapiali żelazo około 1500 rpne.

W rejonie gór Aïr w Nigrze widoczne są również ślady niezależnego wytopu miedzi między 2500 a 1500 rokiem p.n.e. Proces nie był w stanie rozwiniętym, co wskazuje, że wytapianie nie było obce. Dojrzała około 1500 roku p.n.e.

Stanowiska archeologiczne zawierające piece do wytapiania żelaza i żużel zostały również wykopane na stanowiskach w regionie Nsukka w południowo - wschodniej Nigerii na terenie dzisiejszego Igboland : datowane na 2000 rpne na stanowisku Lejja (Eze-Uzomaka 2009) i 750 BC oraz na miejscu od Opi (Holl 2009). Stanowisko Gbabiri (w Republice Środkowoafrykańskiej) dostarczyło dowodów metalurgii żelaza z pieca redukcyjnego i warsztatu kowalskiego; z najwcześniejszymi datami odpowiednio 896-773 pne i 907-796 pne. Podobnie wytapianie w piecach dymowych pojawiło się w kulturze Nok w środkowej Nigerii około 550 rpne i prawdopodobnie kilka wieków wcześniej.

Istnieją również dowody na to, że stal węglowa została wyprodukowana w zachodniej Tanzanii przez przodków ludu Haya już 2300-2000 lat temu (około 300 lat p.n.e. lub wkrótce potem) w złożonym procesie „wstępnego podgrzewania” pozwalającym na uzyskanie temperatury wewnątrz pieca. do osiągnięcia 1300 do 1400 °C.

Prace nad żelazem i miedzią rozprzestrzeniły się na południe przez kontynent, docierając do Przylądka około 200 rne. Powszechne stosowanie żelaza zrewolucjonizowało społeczności rolnicze posługujące się językiem Bantu, które go przyjęły, wypierając i wchłaniając narzędzie skalne za pomocą społeczności łowiecko-zbierackich, które napotkały podczas ich ekspansji uprawiać większe obszary sawanny . Wyżsi technologicznie mówcy Bantu rozprzestrzenili się w południowej Afryce i stali się bogaci i potężni, produkując żelazo na narzędzia i broń w dużych, przemysłowych ilościach.

Najwcześniejsze wzmianki o piecach dymowych w Afryce Wschodniej to odkrycia wytopionego żelaza i węgla w Nubii, które pochodzą z VII-VI wieku p.n.e., szczególnie w Meroe, gdzie znane są starożytne dymarki, w których Nubijczycy wytwarzali metalowe narzędzia i Kuszytów i wytwarzali nadwyżki dla swojej gospodarki.

Średniowieczny świat islamski

Technologia żelaza była dalej rozwijana przez kilka wynalazków średniowiecznego islamu , podczas Złotego Wieku Islamu . Należą do nich różne wody zasilane i wiatrowych przemysłowych zakładach produkcji metali, w tym ukierunkowane gristmills i kuźni . Do XI wieku wszystkie prowincje świata muzułmańskiego miały już działające zakłady przemysłowe, od islamskiej Hiszpanii i Afryki Północnej na zachodzie po Bliski Wschód i Azję Środkową na wschodzie. Istnieją również wzmianki o żeliwie z X wieku , a także archeologiczne dowody używania wielkich pieców w imperiach Ajjubidów i Mameluków od XI wieku, co sugeruje dyfuzję chińskiej technologii metalowej do świata islamskiego.

Młyny zębate zostały wynalezione przez muzułmańskich inżynierów i były używane do kruszenia rud metali przed wydobyciem. Młyny przemiałowe w świecie islamskim często były wytwarzane zarówno z młynów wodnych, jak i wiatraków. W celu przystosowania kół wodnych do śrutowania zastosowano krzywki do podnoszenia i zwalniania młotków pokonujących . Pierwsza kuźnia napędzana elektrownią wodną, ​​a nie pracą fizyczną, została wynaleziona w XII-wiecznej islamskiej Hiszpanii.

Jednym z najbardziej znanych stali produkowanych w średniowiecznego Bliskiego Wschodu była stal Damaszek wykorzystywane do swordmaking , a przede wszystkim produkowane w Damaszku , Syria , w okresie od 900 do 1750. Ten został wyprodukowany przy użyciu tygiel stalowy sposób, w oparciu o wcześniej Indian wootz stal . Proces ten został przyjęty na Bliskim Wschodzie przy użyciu lokalnie produkowanych stali. Dokładny proces pozostaje nieznany, ale umożliwił on wytrącanie się węglików w postaci mikrocząstek ułożonych w arkusze lub pasma w korpusie ostrza. Węgliki są znacznie twardsze niż otaczająca je stal niskowęglowa, więc miecznicy mogliby wytworzyć krawędź, która tnie twarde materiały z wytrąconymi węglikami, podczas gdy paski z bardziej miękkiej stali sprawiają, że miecz jako całość pozostaje twardy i elastyczny. Zespół naukowców z Politechniki w Dreźnie, który wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie i mikroskopię elektronową do badania stali damasceńskiej, odkrył obecność nanodrutów cementytu i nanorurek węglowych . Peter Paufler, członek zespołu drezdeńskiego, mówi, że te nanostruktury nadają stali damasceńskiej jej charakterystyczne właściwości i są wynikiem procesu kucia .

Średniowieczna i wczesna nowożytna Europa

Przez wiele stuleci w Europie nie nastąpiła zasadnicza zmiana w technologii produkcji żelaza. Europejscy metalowcy nadal produkowali żelazo w dymarkach. Jednakże Średniowieczny okres przyniósł dwie zmiany-wykorzystania energii wody w procesie Bloomery w różnych miejscach (opisanych powyżej), a pierwszy europejskiej produkcji żeliwa.

Zasilane bloomery

Kiedyś w średniowieczu do procesu bloomery zastosowano energię wodną. Możliwe, że znajdował się on w opactwie cystersów w Clairvaux już w 1135 roku, ale z pewnością był używany we Francji i Szwecji na początku XIII wieku . W Anglii pierwszym wyraźnym udokumentowanym dowodem na to są relacje o kuźni biskupa Durham w pobliżu Bedburn w 1408 roku, ale z pewnością nie była to pierwsza tego typu huta żelaza. W okręgu Furness w Anglii elektryczne dymarki były używane do początku XVIII wieku, a w pobliżu Garstang do około 1770 roku.

Katalońska Kuźnia była odmianą zasilanego bloomery. Bloomers z gorącym podmuchem były używane w północnej części stanu Nowy Jork w połowie XIX wieku.

Wielki piec

Produkcja żelaza opisana w „ The Popular Encyclopedia ” vol.VII, wydanej w 1894 r.

Preferowana metoda produkcji żelaza w Europie do czasu rozwoju procesu pudlingu w latach 1783–84. Rozwój żeliwa w Europie był opóźniony, ponieważ kute żelazo było pożądanym produktem, a etap pośredni produkcji żeliwa obejmował kosztowny wielki piec i dalszą rafinację surówki na żeliwo, która następnie wymagała pracochłonnej i kapitałochłonnej konwersji na kute żelazo.

Przez znaczną część średniowiecza w Europie Zachodniej żelazo wciąż wytwarzano, przerabiając żelazne zakwity w kute żelazo. Niektóre z najwcześniejszych odlewów żelaza w Europie miały miejsce w Szwecji, w dwóch miejscach, Lapphyttan i Vinarhyttan, w latach 1150-1350. Niektórzy uczeni spekulują, że praktyka ta podążała za Mongołami w całej Rosji do tych miejsc, ale nie ma jednoznacznego dowodu na tę hipotezę , iz pewnością nie wyjaśniałoby to przedmongolskich datowań wielu z tych ośrodków produkcji żelaza. W każdym razie pod koniec XIV wieku zaczął tworzyć się rynek towarów żeliwnych, ponieważ rozwinął się popyt na żeliwne kule armatnie.

Kuźnia eleganckich

Alternatywną metodą odwęglania surówki była kuźnia szlachetna , która wydaje się być wynaleziona w okolicach Namur w XV wieku. Pod koniec tego stulecia ten waloński proces rozprzestrzenił się na Pay de Bray na wschodniej granicy Normandii , a następnie do Anglii, gdzie stał się główną metodą wytwarzania kutego żelaza do 1600 roku. Został wprowadzony do Szwecji przez Louisa de Geera na początku XVII wieku i był używany do produkcji rudy żelaza preferowanego przez angielskich hutników.

Wariacją na ten temat była niemiecka kuźnia . Stało się to główną metodą produkcji prętów żelaznych w Szwecji.

Proces cementowania

Na początku XVII wieku hutnicy w Europie Zachodniej opracowali proces cementacji do nawęglania kutego żelaza . Sztaby z kutego żelaza i węgiel drzewny były pakowane do kamiennych pudełek, a następnie zamykane gliną, która miała być utrzymywana w czerwonym ogniu, stale pielęgnowanym w stanie beztlenowym, zanurzonym w prawie czystym węglu (węgiel drzewny) przez okres do tygodnia. W tym czasie węgiel dyfundował do warstw powierzchniowych żelaza, wytwarzając stal cementową lub stal blisterową - znaną również jako utwardzona dyfuzyjnie , gdzie części owinięte żelazem (ostrze kilofa lub siekiery) stały się twardsze niż powiedzmy młotek siekiery lub gniazdo wału, które może być izolowane gliną, aby chronić je przed źródłem węgla. Najwcześniejsze miejsce zastosowania tego procesu w Anglii było w Coalbrookdale z 1619 roku, gdzie Sir Basil Brooke miał dwa piece do cementacji (ostatnio wykopane w latach 2001-2005). Przez pewien czas w 1610 roku był właścicielem patentu na ten proces, ale musiał się z niego zrezygnować w 1619 roku. Prawdopodobnie używał żelaza z Forest of Dean jako surowca, ale wkrótce okazało się, że bardziej odpowiednie jest żelazo z rudy. Jakość stali można było poprawić poprzez faggotowanie , wytwarzając tzw. stal ścinaną .

Stal tygla

W latach czterdziestych XVIII wieku Benjamin Huntsman znalazł w tyglach sposób topienia stali blister, wytworzonej w procesie cementacji. Powstała stal tyglowa , zwykle odlewana we wlewkach, była bardziej jednorodna niż stal pęcherzowa.

Przejście na koks w Anglii

Początki

Wczesne hutnictwo żelaza wykorzystywało węgiel drzewny jako źródło ciepła i środek redukujący. W XVIII wieku dostępność drewna do produkcji węgla drzewnego ograniczała ekspansję produkcji żelaza, przez co Anglia stała się coraz bardziej zależna w znacznej części potrzebnego jej przemysłu żelaza od Szwecji (od połowy XVII wieku), a następnie od około 1725 r. także na Rosję. Od dawna poszukiwanym celem było przetapianie węglem (lub jego pochodnym koksem ). Produkcja surówki z koksem została prawdopodobnie osiągnięta przez Dud Dudley około 1619 roku, a z mieszanym paliwem z węgla i drewna ponownie w latach siedemdziesiątych XVII wieku. Jednak był to prawdopodobnie tylko sukces technologiczny, a nie komercyjny. Shadrach Fox mógł wytapiać żelazo z koksem w Coalbrookdale w Shropshire w latach 90. XVII wieku, ale tylko po to, by wytwarzać kule armatnie i inne wyroby z żeliwa, takie jak muszle. Jednak w czasie pokoju po wojnie dziewięcioletniej nie było na nie zapotrzebowania.

Abraham Darby i jego następcy

W 1707 roku Abraham Darby I opatentował sposób wytwarzania garnków żeliwnych. Jego garnki były cieńsze, a przez to tańsze niż u jego rywali. Potrzebując większych dostaw surówki, wydzierżawił wielki piec w Coalbrookdale w 1709 roku. Tam wyprodukował żelazo z koksu, tworząc w ten sposób pierwszą w Europie odnoszącą sukcesy firmę. Jego produkty były w całości wykonane z żeliwa, chociaż jego bezpośredni następcy próbowali (z niewielkim sukcesem komercyjnym) uszlachetnić to do prętów żelaznych.

W ten sposób żelazo sztabowe nadal normalnie wytwarzano z surówki węglowej aż do połowy lat pięćdziesiątych XVIII wieku. W 1755 roku Abraham Darby II (wraz z partnerami) otworzył nowy piec na koks w Horsehay w Shropshire, po którym nastąpiły kolejne. Dostarczały one surówkę koksową do kuźni drobnoziarnistych tradycyjnego rodzaju do produkcji prętów żelaznych . Powód opóźnienia pozostaje kontrowersyjny.

Nowe procesy kuźni

Schematyczny rysunek pieca pudlingowego

Dopiero potem zaczęto opracowywać opłacalne ekonomicznie sposoby przekształcania surówki w pręty. Proces znany jako zalewanie i stemplowanie został opracowany w latach sześćdziesiątych XVIII wieku i udoskonalony w latach siedemdziesiątych XVII wieku i wydaje się być powszechnie stosowany w regionie West Midlands od około 1785 roku. Został on jednak w dużej mierze zastąpiony przez proces pudlingu Henry'ego Corta , opatentowany w 1784 roku. , ale prawdopodobnie dopiero w 1790 r. został stworzony do pracy z surówką szarą. Procesy te umożliwiły wielki rozwój produkcji żelaza, co stanowi rewolucję przemysłową dla przemysłu żelaznego.

Na początku XIX wieku Hall odkrył, że dodanie tlenku żelaza do wsadu do pieca do kałuży spowodowało gwałtowną reakcję, w której surówka została odwęglona , co stało się znane jako „mokra kałuża”. Stwierdzono również, że możliwe jest wytwarzanie stali poprzez zatrzymanie procesu puddlingu przed zakończeniem odwęglania.

Gorący podmuch

Wydajność wielkiego pieca została poprawiona przez przejście na gorący dmuch , opatentowane przez Jamesa Beaumonta Neilsona w Szkocji w 1828 roku. To jeszcze bardziej obniżyło koszty produkcji. W ciągu kilkudziesięciu lat praktyką było posiadanie „pieca” wielkości pieca obok, do którego kierowano i spalano gazy odlotowe (zawierające CO) z pieca. Otrzymane ciepło wykorzystano do wstępnego ogrzania powietrza wdmuchiwanego do pieca.

Przemysłowa produkcja stali

Schematyczny rysunek konwertera Bessemera

Oprócz pewnej produkcji stali kałużowej, stal angielska była nadal wytwarzana w procesie cementacji, po której czasami następowało przetapianie w celu wytworzenia stali tyglowej. Były to procesy oparte na partiach, których surowcem była sztaby żelaza, zwłaszcza szwedzkie rudy żelaza.

Problem masowej produkcji taniej stali został rozwiązany w 1855 roku przez Henry'ego Bessemera, wprowadzając konwerter Bessemera w jego hucie w Sheffield w Anglii. (Wczesny konwerter wciąż można zobaczyć w miejskim Muzeum Wyspy Kelham ). W procesie Bessemera roztopioną surówkę z wielkiego pieca ładowano do dużego tygla, a następnie przez roztopione żelazo przedmuchiwano od dołu powietrze, zapalając rozpuszczony węgiel z koksu. Gdy węgiel wypalał się, temperatura topnienia mieszaniny wzrastała, ale ciepło z płonącego węgla dostarczało dodatkowej energii potrzebnej do utrzymania mieszaniny w stanie stopionym. Po tym, jak zawartość węgla w wytopie spadła do pożądanego poziomu, ciąg powietrza został odcięty: typowy konwerter Bessemera mógł przerobić 25-tonową partię surówki na stal w pół godziny.

Ostatecznie podstawowy proces tlenowy został wprowadzony w zakładach Voest-Alpine w 1952 roku; jest modyfikacją podstawowego procesu Bessemera, który tnie tlen znad stali (zamiast bąbelkowania powietrza od dołu), zmniejszając ilość poboru azotu do stali. Podstawowy proces tlenowy stosowany jest we wszystkich nowoczesnych stalowniach; ostatni konwerter Bessemera w USA przeszedł na emeryturę w 1968 roku. Co więcej, ostatnie trzy dekady przyniosły ogromny wzrost w biznesie mini-tartaków, gdzie tylko złom stalowy topi się w elektrycznym piecu łukowym . Początkowo huty te produkowały tylko wyroby prętowe, ale od tego czasu rozszerzyły się na wyroby płaskie i ciężkie, niegdyś wyłączną domenę zintegrowanej huty.

Aż do tych XIX-wiecznych zmian stal była drogim towarem i była używana tylko w ograniczonej liczbie celów, w których potrzebny był szczególnie twardy lub elastyczny metal, na przykład w przypadku krawędzi tnących narzędzi i sprężyn. Powszechna dostępność niedrogiej stali napędzała drugą rewolucję przemysłową i współczesne społeczeństwo, jakie znamy. Stal miękka ostatecznie zastąpiła kute żelazo do prawie wszystkich celów, a kute żelazo nie jest już produkowane komercyjnie. Z drobnymi wyjątkami stale stopowe zaczęto wytwarzać dopiero pod koniec XIX wieku. Stal nierdzewna została opracowana w przededniu I wojny światowej i nie była powszechnie stosowana aż do lat dwudziestych XX wieku.

Nowoczesny przemysł stalowy

Produkcja stali (w mln ton) według krajów w 2007 r.

Przemysł stalowy jest często uważany za wskaźnik postępu gospodarczego ze względu na kluczową rolę, jaką odgrywa stal w infrastrukturalnym i ogólnym rozwoju gospodarczym . W 1980 r. było ponad 500 000 hutników w USA. Do 2000 r. liczba hutników spadła do 224 000.

Boom gospodarczy w Chinach i Indiach spowodował ogromny wzrost popytu na stal. W latach 2000-2005 światowy popyt na stal wzrósł o 6%. Od 2000 r. na znaczeniu zyskało kilka indyjskich i chińskich firm stalowych, takich jak Tata Steel (która kupiła Corus Group w 2007 r.), Baosteel Group i Shagang Group . Jednak od 2017 r. ArcelorMittal jest największym na świecie producentem stali . W 2005 roku British Geological Survey stwierdziło, że Chiny są największym producentem stali z około jedną trzecią światowego udziału; W ślad za nimi poszły Japonia, Rosja i Stany Zjednoczone. Duża zdolność produkcyjna stali powoduje również znaczną ilość emisji dwutlenku węgla związanych z głównym szlakiem produkcyjnym. W 2019 r. oszacowano, że od 7 do 9% światowych emisji dwutlenku węgla pochodziło z przemysłu stalowego. Oczekuje się, że redukcja tych emisji będzie wynikać ze zmiany głównej ścieżki produkcji z wykorzystaniem koksu, większego recyklingu stali oraz zastosowania technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla lub technologii wychwytywania i utylizacji dwutlenku węgla.

W 2008 r. stal zaczęła być notowana jako towar na Londyńskiej Giełdzie Metali . Pod koniec 2008 r. przemysł stalowy stanął w obliczu gwałtownego spowolnienia, które doprowadziło do wielu cięć.

Bezemisyjne procesy produkcji stali

Zobacz też

Uwagi

Dalsza lektura

  • Ebrey, Walthall, Palais, (2006). Azja Wschodnia: historia kulturalna, społeczna i polityczna . Boston: Firma Houghton Mifflin.
  • Knowles, Annę Kelly. (2013) Opanowanie żelaza: walka o modernizację amerykańskiego przemysłu, 1800-1868 (University of Chicago Press) 334 strony
  • Needham, Józef (1986). Nauka i cywilizacja w Chinach: tom 4, część 2 ; Needham, Józef (1986). Nauka i cywilizacja w Chinach: tom 4, część 3 .
  • Pleiner, R. (2000) Żelazo w archeologii. The European Bloomery Smelters , Praha, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Pounds, Norman JG „Geografia historyczna hutnictwa żelaza i stali we Francji”. Roczniki Stowarzyszenia Geografów Amerykańskich 47 # 1 (1957), s. 3-14. online
  • Wagner, Donald (1996). Żelazo i stal w starożytnych Chinach . Lejda: EJ Brill.
  • Woods, Michael i Mary B. Woods (2000). Starożytna konstrukcja (starożytna technologia) autorstwa Michaela Woodsa Runestone Press
  • Lam, Wengcheong (2014) Wszystko stare jest znowu nowe? Ponowne przemyślenie przejścia do produkcji żeliwa na równinach środkowych Chin, Chiński Uniwersytet w Hongkongu

Zewnętrzne linki