Puddling (metallurgi)
Puddling är processen att omvandla tackjärn till stångjärn i en koleldad efterklangsugn. Det utvecklades i England under 1780-talet. Det smälta tackjärnet rördes om i en reverberatory ugn , i en oxiderande smidesjärn miljö , vilket resulterade i . Det var en av de viktigaste processerna för att tillverka de första märkbara volymerna av värdefullt och användbart stångjärn (smidbart smide) utan användning av träkol. Så småningom skulle ugnen användas för att tillverka små mängder specialstål .
Även om det inte var den första processen att producera stångjärn utan träkol , var puddling den överlägset mest framgångsrika, och ersatte de tidigare ingjutnings- och stämplingsprocesserna, såväl som de mycket äldre träkolsfinerna och blomningsprocesserna . Detta möjliggjorde en stor expansion av järnproduktionen att äga rum i Storbritannien, och kort därefter, i Nordamerika. Den expansionen utgör början på den industriella revolutionen vad gäller järnindustrin. De flesta 1800-talsapplikationer av smidesjärn, inklusive Eiffeltornet , broar och den ursprungliga ramen för Frihetsgudinnan , använde pöl.
Historia
Modern puddling var en av flera processer som utvecklades under andra hälften av 1700-talet i Storbritannien för att producera stångjärn från tackjärn utan användning av träkol. Det ersatte gradvis den tidigare koldrivna processen, utförd i en finsmedja .
Behovet av pöl
Tackjärn innehåller mycket fritt kol och är skört. Innan den kan användas, och innan den kan bearbetas av en smed , måste den omvandlas till en mer formbar form som stångjärn, det tidiga skedet av smidesjärn .
Abraham Darbys framgångsrika användning av koks för sin masugn i Coalbrookdale 1709 sänkte priset på järn, men detta koksdrivna tackjärn accepterades inte från början eftersom det inte kunde omvandlas till stångjärn med de befintliga metoderna. Svavelföroreningar från koksen gjorde den " röd kort " eller skör när den värmdes upp, och därför var finprocessen oanvändbar för den. Det var inte förrän runt 1750, när ångdriven blåsning ökade ugnstemperaturerna tillräckligt för att tillåta tillräckligt med kalk att tillsättas för att avlägsna svavlet, som koksråjärn började användas. Dessutom utvecklades bättre processer för att förfina den.
Uppfinning
Abraham Darby II , son till masugnsförnyaren, lyckades konvertera tackjärn till stångjärn 1749, men inga detaljer är kända om hans process. Bröderna Cranage , som också arbetade vid floden Severn , påstås ha uppnått detta experimentellt genom att använda en koleldad efterklangsugn , där järnet och det svavelhaltiga kolet kunde hållas åtskilda men det användes aldrig kommersiellt. De var de första som antog att järn kunde omvandlas från tackjärn till stångjärn genom inverkan av värme enbart. Även om de var omedvetna om de nödvändiga effekterna av det syre som luften tillför, hade de åtminstone övergett den tidigare missuppfattningen att blandning med material från bränslet behövdes. Deras experiment var framgångsrika och de beviljades patent nr 851 1766, men ingen kommersiell adoption verkar ha gjorts av deras process.
1783 byggde Peter Onions i Dowlais en större efterklangsugn. Han började framgångsrik kommersiell pölning med detta och beviljades patent nr 1370. Pölugnen förbättrades av Henry Cort i Fontley i Hampshire 1783–84 och patenterades 1784. Cort lade till spjäll till skorstenen, vilket undviker en del av risken för överhettning och " bränna järnet. Corts process bestod i att smält tackjärn rördes om i en efterklangsugn i en oxiderande atmosfär och på så sätt avkolade det. När järnet "kom till naturen", det vill säga till en degig konsistens, samlades det till en pöl, spånlades och rullades (som beskrivs nedan). Denna tillämpning av räfflade valsar på valsverket , för att valsa smala stänger, var också Corts antagande av befintliga valsverk på kontinenten. Corts försök att licensiera denna process misslyckades eftersom den bara fungerade med träkolssmält tackjärn. Modifieringar gjordes av Richard Crawshay vid hans järnbruk i Cyfarthfa i Merthyr Tydfil, som inkluderade en första raffineringsprocess utvecklad hos deras grannar i Dowlais.
Nittio år efter Corts uppfinning påminde en amerikansk arbetstidning om fördelarna med hans system:
"När järn helt enkelt smälts och körs in i vilken form som helst, är dess struktur granulär, och det är så skört att det är ganska opålitligt för all användning som kräver mycket draghållfasthet. Processen att pöla bestod i att röra om det smälta järnet som rinner ut i en pöl , och hade effekten av att så ändra dess anotomiska arrangemang för att göra processen att rulla mer effektiv."
Corts process (som patenterad) fungerade bara för vitt gjutjärn , inte grått gjutjärn , som var den vanliga råvaran för smedjor från perioden. Detta problem löstes troligen hos Merthyr Tydfil genom att kombinera pöl med en del av en något tidigare process. Detta involverade en annan typ av härd som kallas ett "raffinaderi" eller "tunn eld". Tackjärnet smältes i detta och rann ut i ett tråg. Slaggen separerade och flöt på det smälta järnet och avlägsnades genom att sänka en damm i slutet av tråget. Effekten av denna process var att avsilikonisera metallen och lämna kvar en vit spröd metall, känd som "finers metal". Detta var det idealiska materialet att ladda till pölugnen. Denna version av processen var känd som "torr pöl" och fortsatte att användas på vissa ställen så sent som 1890.
En ytterligare utveckling inom raffinering av gråjärn var känd som "våt puddling", även känd som "kokande" eller "griskokning". Detta uppfanns av en pöl vid namn Joseph Hall på Tipton . Han började lägga till järnskrot till laddningen. Senare försökte han lägga till järnskal (i själva verket rost ). Resultatet var spektakulärt genom att ugnen kokade häftigt. Detta var en kemisk reaktion mellan det oxiderade järnet i fjället och kolet löst i tackjärnet. Till hans förvåning producerade den resulterande pölbollen bra järn.
Ett stort problem med pöl var att upp till 15 % av järnet drogs av med slaggen eftersom sand användes till bädden. Hall ersatte sängen med den rostade kranen, vilket minskade detta avfall till 8 %, och minskade till 5 % i slutet av århundradet.
Hall blev därefter en partner i att etablera Bloomfield Iron Works i Tipton 1830, och företaget blev Bradley, Barrows och Hall från 1834. Detta är den version av processen som oftast användes i mitten till slutet av 1800-talet. Våt pöl hade fördelen att det var mycket effektivare än torr pöl (eller någon tidigare process). Det bästa utbytet av järn som kan uppnås från torr pöl är ett ton järn från 1,3 ton tackjärn (ett utbyte på 77 %), men utbytet från våt pöl var nästan 100 %.
Produktionen av mjukt stål i pölugnen uppnåddes cirka 1850 [ behövd stämning ] i Westfalen , Tyskland och patenterades i Storbritannien på uppdrag av Lohage, Bremme och Lehrkind. Det fungerade bara med tackjärn tillverkat av vissa sorters malm. Gjutjärnet måste smältas snabbt och slaggen vara rik på mangan . När metallen kom till naturen måste den snabbt avlägsnas och spånläggas innan ytterligare uppkolning inträffade. Processen togs upp vid Low Moor Ironworks i Bradford i Yorkshire ( England ) 1851 och i Loiredalen i Frankrike 1855. Den användes flitigt.
Pölsprocessen började förskjutas med introduktionen av Bessemer-processen , som producerade stål. Detta skulle kunna omvandlas till smide med Aston-processen för en bråkdel av kostnaden och tiden. Som jämförelse var en genomsnittlig storleksladdning för en pölugn 800–900 lb (360–410 kg) medan en Bessemer-omvandlarladdning var 15 korta ton (13 600 kg). Puddlingsprocessen kunde inte skalas upp, eftersom den begränsades av mängden som puddlern kunde hantera. Den kunde bara byggas ut genom att bygga fler ugnar.
Bearbeta
Processen börjar med att förbereda pölugnen. Detta innebär att föra ugnen till en låg temperatur och sedan fetta den. Fettling är processen att måla gallret och väggarna runt det med järnoxider, vanligtvis hematit ; detta fungerar som en skyddande beläggning som hindrar den smälta metallen från att brinna genom ugnen. Ibland användes finstött aske istället för hematit. I detta fall måste ugnen värmas upp i 4–5 timmar för att smälta asken och sedan kylas innan laddning.
Antingen vitt gjutjärn eller raffinerat järn placeras sedan i eldstaden i ugnen, en process som kallas laddning . För blöt pöl debiteras även järnskrot och/eller järnoxid. Denna blandning upphettas sedan tills toppen smälter, vilket gör det möjligt för oxiderna att börja blandas; detta tar vanligtvis 30 minuter. Denna blandning utsätts för en stark ström av luft och rörs om av långa stänger med krokar i ena änden, kallade pölstänger eller rabbles , genom dörrar i ugnen. Detta hjälper syret från oxiderna att reagera med föroreningar i tackjärnet, särskilt kisel , mangan (för att bilda slagg) och i viss mån svavel och fosfor , som bildar gaser som strömmar ut med ugnens avgaser.
Mer bränsle tillsätts sedan och temperaturen höjs. Järnet smälter helt och kolet börjar brinna av. Vid våt pöl kommer bildningen av koldioxid på grund av reaktioner med den tillsatta järnoxiden att orsaka bubblor som gör att massan ser ut att koka. Denna process får slaggen att blåsa upp ovanpå, vilket ger rabblaren en visuell indikation på hur förbränningen fortskrider. När kolet brinner av stiger blandningens smälttemperatur från 1 150 till 1 540 °C (2 100 till 2 800 °F), så ugnen måste matas kontinuerligt under denna process. Smältpunkten ökar eftersom kolatomerna i blandningen fungerar som ett löst ämne i lösning vilket sänker smältpunkten för järnblandningen (som vägsalt på is).
Genom att arbeta som tvåmannabesättning, kunde en pöl och hjälpare producera cirka 1500 kg järn på ett 12-timmarsskift. Det ansträngande arbetet, värmen och ångorna gjorde att pölarna fick en mycket kort livslängd, där de flesta dog i 30-årsåldern. Puddling kunde aldrig automatiseras eftersom puddlaren var tvungen att känna av när bollarna hade "kommit till naturen".
Pölad stål
I slutet av 1840-talet utvecklade den tyske kemisten Franz Anton Lohage [ modifiering av pölprocessen för att producera inte järn utan stål vid Haspe Iron Works i Hagen ; det kommersialiserades sedan i Tyskland, Frankrike och Storbritannien på 1850-talet, och pölstål var den huvudsakliga råvaran för Krupp- gjutstål även på 1870-talet. Innan utvecklingen av det grundläggande eldfasta fodret och den breda tillämpningen av Gilchrist–Thomas-processen ca. 1880 kompletterade den sura Bessemer-omvandlare och öppna härdar, eftersom till skillnad från dem kunde pölugnen utnyttja fosformalmer som fanns i rikligt med på Kontinentaleuropa.
Pölugn
Puddelugnen är en metalltillverkningsteknik som används för att skapa smidesjärn eller stål från tackjärnet som produceras i en masugn . Ugnen är konstruerad för att dra den varma luften över järnet utan att bränslet kommer i direkt kontakt med järnet, ett system allmänt känt som en efterklangsugn eller öppen härdsugn . Den stora fördelen med detta system är att hålla föroreningarna i bränslet separerade från laddningen.
Härden är där järnet laddas, smälts och pölas. Härdens form är vanligtvis elliptisk; 1,5–1,8 m (4,9–5,9 fot) lång och 1–1,2 m (3,3–3,9 fot) bred. Om ugnen är konstruerad för att pöla vitt järn är härddjupet aldrig mer än 50 cm (20 tum). Om ugnen är utformad för att koka gråjärn är det genomsnittliga härddjupet 50–75 cm (20–30 tum). På grund av den stora värme som krävdes för att smälta laddningen måste rosten kylas, för att inte smälta med laddningen. Detta gjordes genom att köra ett konstant flöde av kall luft på den, eller genom att kasta vatten på botten av gallret.
Eldstaden, där bränslet förbränns, använde ett gjutjärnsgaller som varierade i storlek beroende på vilket bränsle som användes. Om bituminöst kol används är en genomsnittlig roststorlek 60 cm × 90 cm (2,0 fot × 3,0 fot) och laddas med 25–30 cm (9,8–11,8 tum) kol. Om antracitkol används är gallret 1,5 m × 1,2 m (4,9 fot × 3,9 fot) och är laddat med 50–75 cm (20–30 tum) kol.
En dubbel pölugn liknar en enkel pölugn, med den största skillnaden är att det finns två arbetsdörrar som tillåter två pölar att arbeta i ugnen samtidigt. Den största fördelen med denna uppsättning är att den producerar dubbelt så mycket smide. Den är också mer ekonomisk och bränslesnål jämfört med en enda ugn.
Se även
Fotnoter
- Källor
- Landes, David. S. (1969). Den obundna Prometheus: Teknologisk förändring och industriell utveckling i Västeuropa från 1750 till nutid . Cambridge, New York: Press Syndicate vid University of Cambridge. ISBN 0-521-09418-6 .
- Schubert, HR (1958). Utvinning och produktion av metaller: Järn och stål . A History of Technology IV: Den industriella revolutionen. Oxford University press.
Vidare läsning
- WKV Gale, Iron and Steel (Longmans, London 1969), 55ff.
- WKV Gale, The British Iron and Steel Industry: a technical history (David & Charles, Newton Abbot 1967), 62–66.
- RA Mott, "Dry and Wet Puddling" Trans. Newcomen Soc. 49 (1977–78), 153–58.
- RA Mott (red. P. Singer), Henry Cort: the great finer (The Metals Society, London 1983).
- K. Barraclough, Steelmaking: 1850–1900 (Institute of Materials, London 1990), 27–35.
- Overman, Fredrick (1854). Tillverkningen av järn, i alla dess olika grenar . Philadelphia: HC Baird. s. 259 -302.
- Paul Belfords artikel om N. Hingley & Sons Ltd
- The Iron Puddler: My Life in the Rolling Mills and What Come of It . av James J. Davis . New York: Grosset and Dunlap, 1922. (spökskriven av CL Edson)
|
Järn- och stålproduktion _
| |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Järntillverkning ( Järnbruk ) |
|
 |
|||||||
|
Ståltillverkning ( stålverk ) |
|
||||||||
| Värmebehandlingsmetoder _ |
|
||||||||
| Produktion per land | |||||||||
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
