Stahl

Stahl ist ein Legierung besteht aus Eisen mit typischerweise ein paar Zehntel pro Prozent von Kohlenstoff Um seine zu verbessern Stärke und Frakturwiderstand im Vergleich zu anderen Formen von Eisen. Viele andere Elemente können vorhanden oder hinzugefügt werden. Edelstähle, die sind Korrosion- und Oxidation-Resistent benötigen normalerweise zusätzliche 11% Chrom. Wegen seiner hohen Zugfestigkeit und niedrige Kosten, Stahl wird in verwendet Gebäude, Infrastruktur, Werkzeug, Schiffe, Züge, Autos, Maschinen, Elektrogeräte, Waffen, und Raketen. Eisen ist das unedles Metall aus Stahl. Abhängig von der Temperatur kann es zwei kristalline Formen (allotropische Formen) annehmen: körperzentriert kubisch und mit Gesicht zentrierter Kubikum. Die Wechselwirkung der Allotrope von Eisen Mit den Legierungselementen, hauptsächlich Kohlenstoff, gibt Stahl und Gusseisen ihre Auswahl an einzigartigen Eigenschaften.

In reinem Eisen die Kristallstruktur Hat relativ wenig Widerstand gegen die Eisenatome, die aneinander vorbei rutschen, und so ist reines Eisen ganz genau dehnbar, oder weich und leicht gebildet. In Stahl wirken kleine Mengen Kohlenstoff, andere Elemente und Einschlüsse im Eisen als Härtungsmittel, die die Bewegung von verhindern Versetzungen. Der Kohlenstoff in typischen Stahllegierungen kann bis zu 2,14% seines Gewichts beitragen. Variieren Sie die Menge an Kohlenstoff und viele andere Legierungselemente sowie die Kontrolle ihres chemischen und physikalischen Make -ups im endgültigen Stahl (entweder als gelöste Elemente oder als ausgefällte Phasen) die Bewegung der Versetzungen, die reine Eisen duktile und so kontrolliert und verbessert seine Eigenschaften. Zu diesen Eigenschaften gehört die Härte, Verhalten löschen, benötigen für Glühen, Temperierungsverhalten, Ertragsfestigkeit, und Zugfestigkeit des resultierenden Stahls. Die Zunahme der Stahlfestigkeit im Vergleich zu reinem Eisen ist nur durch die Verringerung der Duktilität von Eisen möglich.

Stahl wurde in BLOOMERY Öfen für Tausende von Jahren, aber der großflächige industrielle Gebrauch begann erst, nachdem im 17. Jahrhundert effizientere Produktionsmethoden entwickelt wurden, mit der Einführung der Hochofen und Produktion von Tiegelstahl. Es folgte die Open-Hearth-Ofen und dann die Bessemer -Prozess in England Mitte des 19. Jahrhunderts. Mit der Erfindung des Bessemer -Prozesses eine neue Ära von Massenproduktion Stahl begann. Baustahl ersetzt Schmiedeeisen. Die deutschen Staaten sah im 19. Jahrhundert große Stahlkunst über Europa.[1]

Weitere Verfeinerungen des Prozesses, wie z. Basis -Sauerstoffstahlherstellung (BOS) ersetzt frühere Methoden größtenteils durch die weitere Senkung der Produktionskosten und die Erhöhung der Qualität des Endprodukts. Heute ist Stahl eines der am häufigsten hergestellten Materialien der Welt, mit mehr als 1,6 Milliarden Tonnen pro Jahr. Moderner Stahl wird im Allgemeinen durch verschiedene Klassen identifiziert Standardsorganisationen. Die moderne Stahlindustrie ist eine der größten Fertigungsindustrien der Welt, aber eine der meistgesetzten und am meisten Energie und Treibhausgasemission Intensive Industrien, die 8% zur weltweiten Emissionen beitragen.[2] Stahl ist jedoch auch sehr wiederverwendbar: Er ist eines der am meisten recycelten Materialien der Welt mit a Recyclingquote von über 60% weltweit.[3]

Definitionen und verwandte Materialien

Glühbirnen Stahlwerkstück in dieser Darstellung der SchmiedKunst

Das Nomen Stahl stammt aus dem Proto-Germanic Adjektiv Stahliją oder Stakhlijan "Made aus Stahl", was mit dem Zusammenhang mit Stahlaz oder Stahliją 'stehend fest'.[4]

Der Kohlenstoffgehalt von Stahl liegt zwischen 0,002% und 2,14% nach Gewicht für einfache Kohlenstoffstahl (Eisen-Kohlenstoff Legierungen). Zu wenig Kohlenstoffgehalt blätter (reines) Eisen ziemlich weich, duktil und schwach. Kohlenstoffgehalte höher als die von Stahl eine spröde Legierung, die allgemein genannt wird Roheisen. Legierter Stahl ist Stahl, zu dem andere Legierungselemente absichtlich hinzugefügt wurden, um die Eigenschaften von Stahl zu ändern. Gemeinsame Legierungselemente umfassen: Mangan, Nickel, Chrom, Molybdän, Bor, Titan, Vanadium, Wolfram, Kobalt, und Niob.[5] Zusätzliche Elemente, die am häufigsten als unerwünscht angesehen werden, sind auch für Stahl wichtig: Phosphor, Schwefel, Siliziumund Spuren von Sauerstoff, Stickstoff-, und Kupfer.

Carbon-Eisen-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2,1% sind als bekannt als Gusseisen. Mit modern Stahlherstellung Techniken wie Pulvermetallforming, es ist möglich, sehr kohlenstoffarme Stähle (und andere Legierungsmaterialien) zu erstellen, aber solche sind nicht üblich. Gusseisen ist nicht formbar, selbst wenn es heiß ist, aber es kann durch gebildet werden Casting wie es einen niedrigeren hat Schmelzpunkt als Stahl und gut Gussbarkeit Eigenschaften.[5] Bestimmte Zusammensetzungen von Gusseisen, während sie die Volkswirtschaften des Schmelzens und Gießens erhalten, können nach dem Gießen geheizt werden, um zu machen, um zu machen formbares Eisen oder duktiles Eisen Objekte. Stahl ist unterscheidbar von Schmiedeeisen (jetzt weitgehend veraltet), die möglicherweise eine kleine Menge Kohlenstoff, aber große Mengen von enthalten Schlacke.

Materialeigenschaften

Eisen-Kohlenstoff Phasendiagramm, zeigen die Bedingungen, die erforderlich sind, um unterschiedliche Phasen zu bilden. Martensit wird nicht gezeigt, da es sich nicht um eine stabile Phase handelt.

Ursprünge und Produktion

Eisen ist häufig in der Erde vorhanden Kruste in Form eines Erz, normalerweise ein Eisenoxid, wie z. Magnetit oder Hematit. Eisen wird aus extrahiert aus Eisenerz Durch Entfernen des Sauerstoffs durch seine Kombination mit einem bevorzugten chemischen Partner wie Kohlenstoff, der dann als Kohlendioxid in die Atmosphäre verloren geht. Dieser Prozess, bekannt als Schmelzen, wurde zuerst auf Metalle mit niedrigeren angewendet schmelzen Punkte wie z. Zinn, was bei etwa 250 ° C (482 ° F) und Kupfer, der bei etwa 1.100 ° C (2.010 ° F) und der Kombination Bronze, die einen Schmelzpunkt von weniger als 1.083 ° C (1.981 ° F) aufweist, schmilzt. Im Vergleich dazu schmilzt Gusseisen bei etwa 1.375 ° C (2.507 ° F).[6] Kleine Mengen Eisen wurden in der Antike im Festkörper-Zustand geschmolzen, indem das Erz in a erhitzt wurde Holzkohle Feuer und dann Schweißen Die Klumpen zusammen mit einem Hammer und dabei die Verunreinigungen herausquetschen. Mit Sorgfalt könnte der Kohlenstoffgehalt kontrolliert werden, indem sie im Feuer bewegt werden. Im Gegensatz zu Kupfer und Zinn, flüssigem oder festem Eisen löst sich Kohlenstoff ganz leicht auf.

Alle diese Temperaturen könnten mit alten Methoden erreicht werden, die seit dem verwendet werden Bronzezeit. Da die Oxidationsrate von Eisen schnell über 800 ° C (1.470 ° F) steigt, ist es wichtig, dass das Schmelzen in einer Umgebung mit niedriger Sauerstoff stattfindet. Schmelzen, mit Kohlenstoff, um Eisenoxide zu reduzieren, führt zu einer Legierung (Roheisen) Das behält zu viel Kohlenstoff, um Stahl genannt zu werden.[6] Der überschüssige Kohlenstoff und andere Verunreinigungen werden in einem nachfolgenden Schritt entfernt.

Andere Materialien werden häufig zum Eisen/Kohlenstoff -Gemisch hinzugefügt, um Stahl mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Nickel und Mangan in Stahl zu seiner Zugfestigkeit hinzufügen und das machen Austenit Form der Eisen-Kohlenstoff-Lösung stabiler, Chrom erhöht die Härte und Schmelztemperatur und erhöht Vanadium Erhöht auch die Härte und macht es weniger anfällig für Metallmüdung.[7]

Um Korrosion zu hemmen, kann mindestens 11% Chrom zu Stahl zugesetzt werden Oxid Formen auf der Metalloberfläche; Dies ist bekannt als als rostfreier Stahl. Wolfram verlangsamt die Bildung von ZementitKohlenstoff in der Eisenmatrix halten und zulässt Martensit sich bevorzugt mit langsameren Quenchraten bilden, was dazu führt Hochgeschwindigkeitsstahl. Das Hinzufügen von führen und Schwefel Verringern Sie die Korngröße und erleichtern damit den Stahl drehen, aber auch spröde und anfällig für Korrosion. Solche Legierungen werden dennoch häufig für Komponenten wie Muttern, Schrauben und Unterlegscheiben in Anwendungen verwendet, bei denen Zähigkeit und Korrosionswiderstand nicht von größter Bedeutung sind. Zum größten Teil jedoch, P-Block Elemente wie Schwefel, Stickstoff-, Phosphorund Blei werden als Verunreinigungen angesehen, die Stahl spröde machen und daher während der Verarbeitung aus der Stahlschmelze entfernt werden.[7]

Eigenschaften

Das Dichte von Stahl variiert basierend auf den Legierungsbestandteilen, liegt jedoch normalerweise zwischen 7.750 und 8.050 kg/m3 (484 und 503 lb/cu ft) oder 7,75 und 8,05 g/cm3 (4,48 und 4,65 oz/cu in).[8]

Selbst in einem engen Bereich von Konzentrationen von Kohlenstoff und Eisenkonzentrationen, die Stahl herstellen, können sich verschiedene metallurgische Strukturen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften bilden. Das Verständnis solcher Eigenschaften ist für die Herstellung von Qualitätsstahl unerlässlich. Bei ZimmertemperaturDie stabilste Form von reinem Eisen ist die körperzentrierter Kubikum (BCC) Struktur, die als Alpha-Eisen oder α-Eisen bezeichnet werden. Es ist ein ziemlich weiches Metall, das nur eine kleine Kohlenstoffkonzentration auflösen kann, nicht mehr als 0,005% bei 0 ° C (32 ° F) und 0,021 Gew .-% bei 723 ° C (1.333 ° F). Die Einbeziehung von Kohlenstoff in Alpha -Eisen wird genannt Ferrit. Bei 910 ° C verwandelt sich reines Eisen in a Gesichts-zentriertes Kubikum (FCC) Struktur, als Gamma-Eisen oder γ-Eisen bezeichnet. Die Einbeziehung von Kohlenstoff in Gamma -Eisen heißt Austenit. Die offenere FCC -Struktur von Austenit kann erheblich mehr Kohlenstoff auflösen, bis zu 2,1%.[9] (38 -mal das von Ferrit) Kohlenstoff bei 1.148 ° C (2.098 ° F), was den oberen Kohlenstoffgehalt von Stahl widerspiegelt, darüber hinaus Gusseisen.[10] Wenn sich Kohlenstoff mit Eisen aus der Lösung bewegt, bildet er ein sehr hartes, aber spröde Material, das als Zementit (Fe) bezeichnet wird3C).

Wenn Stähle mit genau 0,8% Kohlenstoff (als eutektoidischer Stahl bezeichnet) sind, werden die abgekühlt, die Austenitisch Phase (FCC) der Mischung versucht, zur Ferritphase (BCC) zurückzukehren. Der Kohlenstoff passt nicht mehr in die FCC -Austenitstruktur, was zu einem Kohlenstoffüberschuss führt. Eine Möglichkeit für Kohlenstoff, den Austenit zu verlassen Präzipitat aus Lösung als Zementit, hinterlassen eine umgebende Phase des BCC -Eisen, die Ferrit mit einem kleinen Prozentsatz an Kohlenstoff in Lösung namens Ferrit nennt. Die beiden, Ferrit und Zementit, erzeugen gleichzeitig eine geschichtete Struktur genannt Pearlit, benannt nach seiner Ähnlichkeit mit Mutter von Perle. In einer überdurchschnittlichen Zusammensetzung (mehr als 0,8% Kohlenstoff) schlägt der Kohlenstoff zunächst als große Zementiteinschlüsse am Austenit aus Korngrenzen bis der Prozentsatz des Kohlenstoffs in der Körner hat sich zur eutektoiden Zusammensetzung (0,8% Kohlenstoff) verringert, an diesem Punkt bildet sich die Pearlitstruktur. Für Stähle mit weniger als 0,8% Kohlenstoff (Hypoutectoid) bildet sich Ferrit zuerst innerhalb der Körner, bis die verbleibende Zusammensetzung auf 0,8% des Kohlenstoffs steigt. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich die Perlitstruktur. An den Grenzen des HypoeUtoid -Stahls bilden sich keine großen Zementiteinschlüsse.[11] Die oben genannten Annahmen, dass der Kühlprozess sehr langsam ist und genügend Zeit für den Migrieren des Kohlenstoffs ermöglicht.

Wenn die Kühlrate erhöht wird, hat der Kohlenstoff weniger Zeit, um an den Korngrenzen zu migrieren, aber zunehmend große Pearliten einer feineren und feineren Struktur innerhalb der Körner aufweist. Daher ist das Carbid häufiger verteilt und handelt, um einen Mängeln in diesen Körnern zu verhindern, was zu einer Verhärtung des Stahls führt. Bei den sehr hohen Kühlraten, die durch Quenching erzeugt werden Martensit. Martensit ist eine hoch angespannte und gestresste, übersättigte Form von Kohlenstoff und Eisen und ist außerordentlich hart, aber spröde. Abhängig vom Kohlenstoffgehalt nimmt die martensitische Phase unterschiedliche Formen an. Unter 0,2% Kohlenstoff nimmt es eine Ferrit -BCC -Kristallform an, aber bei höherem Kohlenstoffgehalt dauert es a Körperzentriertes tetragonales (BCT) Struktur. Es gibt keine Wärme Aktivierungsenergie für die Transformation von Austenit zu Martensit.[Klarstellung erforderlich] Es gibt keine Kompositionsänderung, so dass die Atome im Allgemeinen die gleichen Nachbarn behalten.[12]

Martensit hat eine geringere Dichte (sie erweitert sich während der Kühlung) als Austenit, so dass die Transformation zwischen ihnen zu einer Volumenänderung führt. In diesem Fall tritt eine Expansion auf. Interne Belastungen aus dieser Ausdehnung erfolgen im Allgemeinen die Form von Kompression auf den Kristallen von Martensit und Spannung auf dem verbleibenden Ferrit mit einer angemessenen Menge an scheren auf beiden Bestandteilen. Wenn das Löschen nicht ordnungsgemäß erfolgt, können die inneren Belastungen dazu führen, dass ein Teil zerfällt, wenn sie abkühlen. Zumindest verursachen sie intern Härtung arbeiten und andere mikroskopische Unvollkommenheiten. Es ist üblich, dass Quench -Risse bilden, wenn Stahlwasser gelöscht wird, obwohl sie möglicherweise nicht immer sichtbar sind.[13]

Wärmebehandlung

FE-C-Phasendiagramm für Kohlenstoffstähle; das a0, EIN1, EIN2 und ein3 Kritische Temperaturen für Wärmebehandlungen.

Es gibt viele Arten von Wärmebehandlung Prozesse, die Stahl zur Verfügung stehen. Am häufigsten sind Glühen, Quenching, und Temperieren.

Tempern ist das Erhitzen des Stahls auf eine ausreichend hohe Temperatur, um lokale innere Spannungen zu lindern. Es erzeugt keine allgemeine Erweichung des Produkts, lindert jedoch nur lokale Stämme und Spannungen, die im Material eingesperrt sind. Tempern durchläuft drei Phasen: Wiederherstellung, Rekristallisation, und Kornwachstum. Die Temperatur, die zum Tempern eines bestimmten Stahls erforderlich ist, hängt von der Art des Tempels und den zu erzielenden Legierungsbestandteilen ab.[14]

Durch Quenching wird das Stahl erhitzt, um die Austenitphase zu erzeugen und sie dann in Wasser zu löschen oder Öl. Diese schnelle Kühlung führt zu einer harten, aber spröden martensitischen Struktur.[12] Der Stahl wird dann, was nur eine spezielle Art des Tempers ist, verärgert, um die Sprödigkeit zu verringern. In dieser Anwendung verwandelt sich der Annealing (Tempering) -Prozess einen Teil des Martensits in Zementit, oder Sphäroidit und daher reduziert es die inneren Belastungen und Defekte. Das Ergebnis ist ein duktiler und frakturresistenterer Stahl.[15]

Produktion

Eisenerz Pellets für die Herstellung von Stahl

Wenn Eisen ist geschmolzen Von seinem Erz enthält es mehr Kohlenstoff als wünschenswert. Um Stahl zu werden, muss es wieder aufgestellt werden, um den Kohlenstoff auf die richtige Menge zu reduzieren. Zu diesem Zeitpunkt können andere Elemente hinzugefügt werden. In der Vergangenheit würden Stahleinrichtungen würden gießen das rohe Stahlprodukt in Barge Dies würde bis zur Verwendung in weiteren Verfeinerungsprozessen gespeichert, die zum fertigen Produkt führten. In modernen Einrichtungen befindet sich das ursprüngliche Produkt nahe der endgültigen Komposition und ist es kontinuierlich gegossen in lange Platten, geschnitten und in Balken und Extrusionen geschnitten und zur Herstellung eines Endprodukts behandelt. Heute werden ungefähr 96% des Stahls kontinuierlich gegossen, während nur 4% als Barren hergestellt werden.[16]

Die Pergots werden dann in einer eingewichtigen Grube erhitzt und heiß gerollt in Platten, Knüppel, oder Blüten. Platten sind heiß oder kalt gerollt hinein Blech oder Teller. Die Billets sind heiß oder kalt in Stangen, Stangen und Draht gerollt. Blüten sind heiß oder kalt in gerollt in Baustahl, wie zum Beispiel I-Träger und Schienen. In modernen Stahlmühlen treten diese Prozesse häufig in einem auf Fließband, mit Erz herein und fertigen Stahlprodukten herauskommen.[17] Manchmal wird es nach dem endgültigen Rollen eines Stahls hitzebehandelt für Festigkeit behandelt. Dies ist jedoch relativ selten.[18]

Geschichte

BLOOMERY Schmelzen während der Mittelalter

Alt

Stahl war in der Antike bekannt und wurde in produziert Bloomeries und Tiegel.[19][20]

Die früheste bekannte Produktion von Stahl wird in Eisenstücken gesehen, die aus einem ausgegraben wurden archäologische Fundstätte in Anatolien (Kaman-Kalehöyük) und sind fast 4.000 Jahre alt, aus dem Jahr 1800 v. Chr.[21][22] Horace identifiziert Stahlwaffen wie die Falcata in dem Iberische Halbinsel, während Noric Stahl wurde von der benutzt Römisches Militär.[23]

Der Ruf von Serisches Eisen von Südindien (Wootz Steel) wuchs im Rest der Welt erheblich.[20] Metallproduktionsstellen in Sri Lanka Mit den Monsunwinden angetriebenen Windöfen angewendet, die mit hohem Kohlenstoffstahl produzieren können. Groß angelegt Wootz Stahl Produktion in Indien Unter Verwendung von Tiegel trat im sechsten Jahrhundert vor Christus auf, der Pioniervorläufer der modernen Stahlproduktion und der Metallurgie.[19][20]

Das Chinesisch des Warring -Staatenzeit (403–221 v. Chr.) Hatte Quenchgehärtet Stahl,[24] während Chinesen der Han-Dynastie (202 v. Chr.-AD 220) erstellte Stahl durch Zusammenschmutzung von Schmiedeeisen mit Gusseisen, wodurch im 1. Jahrhundert n. Chr. Ein Kohlenstoffstahl produzierte.[25][26]

Es gibt Hinweise darauf, dass Kohlenstoffstahl wurde in Western gemacht Tansania von den Vorfahren der Haya Leute Bereits 2.000 Jahre vor einem komplexen Prozess des "Vorheizens", das die Temperaturen in einem Ofen um 1300 bis 1400 ° C erreicht.[27][28][29][30][31][32]

Wootz und Damaskus

Nachweis der frühesten Produktion von hohem Kohlenstoffstahl in Indien sind in Kodumanal in Tamil Nadu, das Golconda Bereich in Andhra Pradesh und Karnataka, und in der Samanalawewa, Deigaha Alakanda, Gebiete von Sri Lanka.[33] Dies wurde als bekannt als als Wootz Stahl, produziert in Südindien, etwa im sechsten Jahrhundert v. Chr. Und weltweit exportiert.[34][35] Die Stahltechnologie existierte vor 326 v. Chr. In der Region, wie sie in der Literatur von erwähnt werden Sangam Tamil, Arabisch und lateinisch wie der beste Stahl der Welt, der zu dieser Zeit in die Römer, ägyptischen, chinesischen und arabischen Welten exportiert wurde - was sie nannten Serisches Eisen.[36] A 200 v. Chr. Tamilische Handelsgilde in Tissamaharama, im Südosten von Sri Lanka, brachte einige der ältesten Eisen- und Stahlartefakte und -produktionsprozesse mit der Insel von der Insel mit Klassik.[37][38][39] Die Chinesen und Einheimischen in AnuradhapuraSri Lanka hatte auch die Produktionsmethoden zur Erstellung von Wootz Steel aus dem übernommen Chera -Dynastie Tamilen Südindiens im 5. Jahrhundert n. Chr.[40][41] In Sri Lanka verwendete diese frühe Stahlmethode einen einzigartigen Windofen, der von den Monsunwinden angetrieben wurde, die mit hohem Kohlenstoffstahl produzieren können.[42][43] Da die Technologie von der erworben wurde Tamilen Aus Südindien kann der Ursprung der Stahltechnologie in Indien konservativ auf 400 bis 500 v. Chr. Geschätzt werden.[34][43]

Die Herstellung des sogenannten Wootz, oder Damaskus Stahl, berühmt für seine Haltbarkeit und Fähigkeit, einen Vorteil zu haben, könnte von den Arabern aus Persien genommen worden sein, die ihn aus Indien genommen haben. Es wurde ursprünglich aus verschiedenen Materialien erstellt, einschließlich verschiedener Materialien Spurenelemente, anscheinend letztendlich aus den Schriften von Zosimos von Panopolis. 327 v. Chr., Alexander der Große wurde vom besiegten König belohnt Porus, nicht mit Gold oder Silber, sondern 30 Pfund Stahl.[44] Eine kürzlich durchgeführte Studie hat das spekuliert Kohlenstoff-Nanoröhren wurden in seine Struktur einbezogen, was einige seiner legendären Qualitäten angesichts der Technologie dieser Zeit jedoch eher zufällig als aus dem Design hergestellt wurde.[45] Natürlicher Wind wurde verwendet, wenn der Boden, der Eisen enthielt, durch die Verwendung von Holz erhitzt wurde. Das Altes singhalesisch Es gelang es, eine Tonne Stahl pro 2 Tonnen Boden zu extrahieren,[42] Eine bemerkenswerte Leistung zu dieser Zeit. Ein solcher Ofen wurde in Samanalawewa gefunden und Archäologen konnten wie die Alten Stahl produzieren.[42][46]

Tiegelstahl, gebildet durch langsames Erhitzen und Kühlen von reinem Eisen und Kohlenstoff (typischerweise in Form von Holzkohle) in einem Schmelztiegel, wurde in einem Tiegel erzeugt Merv bis zum 9. bis 10. Jahrhundert n. Chr.[35] Im 11. Jahrhundert gibt es Hinweise auf die Produktion von Stahl in Lied China Unter Verwendung von zwei Techniken: eine "Berganeesque" -Methode, die minderwertige, inhomogene Stahl und einen Vorläufer der Moderne erzeugte Bessemer -Prozess das benutzte teilweise Dekarbonisierung über wiederholte Schmieden unter einem kalte Explosion.[47]

Modern

Seit dem 17. Jahrhundert ist der erste Schritt in der europäischen Stahlproduktion das Schmelzen von Eisenerz in das Schmelzen in Roheisen in einem Hochofen.[48] Ursprünglich mit Holzkohle eingesetzt, moderne Methoden verwenden Koks, was sich als wirtschaftlicher erwiesen hat.[49][50][51]

Prozesse, die aus dem Balkeneisen beginnen

In diesen Prozessen wurde Schweineisen in a verfeinert (bestraft) feiner Schmiede produzieren Balkeneisen, der dann in Stahlherstellung verwendet wurde.[48]

Die Produktion von Stahl durch die Zementierungsprozess wurde in einer Abhandlung beschrieben, die 1574 in Prag veröffentlicht wurde und in verwendet wurde in Nürnberg ab 1601. ein ähnlicher Prozess für Einsatzhärten Rüstung und Dateien wurden in einem Buch beschrieben, das in veröffentlicht wurde Neapel im Jahr 1589. wurde in England um 1614 nach England eingeführt und verwendet, um einen solchen Stahl von Sir herzustellen Basil Brooke bei Coalbrookdale Während der 1610er Jahre.[52]

Der Rohstoff für diesen Prozess waren Eisenstangen. Im 17. Jahrhundert wurde erkannt, dass der beste Stahl von kam Oregrounds Eisen einer Region nördlich von Stockholm, Schweden. Dies war immer noch die übliche Rohstoffquelle im 19. Jahrhundert, fast so lange wie der Prozess verwendet wurde.[53][54]

Tiegelstahl ist Stahl, der in a geschmolzen wurde Tiegel eher als gewesen zu sein geschmiedetmit dem Ergebnis, dass es homogener ist. Die meisten früheren Öfen konnten nicht genug Temperaturen erreichen, um den Stahl zu schmelzen. Die Industrie des frühen Neuzeitstahlstahls resultierte aus der Erfindung von Benjamin Huntsman In den 1740er Jahren. Blisterstahl (oben wie oben) wurde in einem Tiegel oder in einem Ofen geschmolzen und (normalerweise) in Pergots gegossen.[54][55]

Prozesse aus Schweinein Eisen

Ein Siemens-Martin Offener Herdofen in dem Brandenburg Branchenmuseum.

Die moderne Ära in Stahlherstellung begann mit der Einführung von Henry Bessemer's Prozess Im Jahr 1855 war das Rohstoff, für das Schweineisen war.[56] Seine Methode ließ ihn so billig in großen Mengen produzieren, also Baustahl wurde für die meisten Zwecke verwendet, für die früher Schmelzeisen verwendet wurde.[57] Der Gilchrist-Thomas-Prozess (oder grundlegender Bessemer -Prozess) war eine Verbesserung des Bessemer -Prozesses, der durch Auskleide des Konverters mit a Basic Material zum Entfernen von Phosphor.

Ein weiterer Stahlherstellungsprozess aus dem 19. Jahrhundert war der Siemens-Martin-Prozess, der den Bessemer -Prozess ergänzt.[54] Es bestand aus Co-Melting-Stangeneisen (oder Stahlschrott) mit Schweineisen.

Weiß heißer Stahl, der aus einem elektrischen Bogenofen ausgieß.

Diese Methoden der Stahlproduktion wurden durch den Linz-Donawitz-Prozess von veraltet gemacht Basis -Sauerstoffstahlherstellung (Bos), entwickelt 1952,[58] und andere Sauerstoffstahlherstellung. Grundlegende Sauerstoffstahlherstellung ist den früheren Stahlherstellungsmethoden überlegen, da der in den Ofen gepumpte Sauerstoff begrenzte Verunreinigungen, vor allem Stickstoff, die zuvor aus der verwendeten Luft eingetreten waren,.[59] Und weil in Bezug auf den offenen Herdprozess die gleiche Menge Stahl aus einem BOS-Verfahren in der Zeit in einem zweiten Fall hergestellt wird.[58] Heute, elektrische Lichtbogenöfen (EAF) sind eine gemeinsame Methode zur Wiederaufbereitung Schrott neuen Stahl schaffen. Sie können auch zur Umwandlung von Schweineisen in Stahl verwendet werden, aber sie verbrauchen viel elektrische Energie (ca. 440 kWh pro Tonne Tonne) und sind daher im Allgemeinen nur wirtschaftlich, wenn eine reichliche Versorgung mit billigem Strom vorhanden ist.[60]

Industrie

Stahlproduktion (in Millionen Tonnen) nach Land im Jahr 2007

Die Stahlindustrie wird häufig als Indikator für den wirtschaftlichen Fortschritt angesehen, da Stahl in der Infrastruktur und insgesamt entscheidende Rolle spielt wirtschaftliche Entwicklung.[61] 1980 gab es mehr als 500.000 US -Stahlarbeiter. Bis 2000 war die Zahl der Stahlarbeiter auf 224.000 gefallen.[62]

Das Wirtschaftsboom In China und Indien verursachte die Nachfrage nach Stahl eine massive Zunahme. Zwischen 2000 und 2005 stieg die World Steel -Nachfrage um 6%. Seit 2000 sind mehrere Inder[63] und chinesische Stahlfirmen sind an Bedeutung gewonnen,[Nach wem?] wie zum Beispiel Tata Stahl (was gekauft hat Corus -Gruppe in 2007), Baostel -Gruppe und Shagang -Gruppe. Ab 2017, obwohl, ArcelorMittal ist die Welt der Welt größter Stahlproduzent.[64] Im Jahr 2005 die British Geological Survey Angaben China war der Top-Stahlproduzent mit etwa einem Drittel der Weltanteil; Japan, Russland und die USA folgten jeweils.[65] Die große Produktionskapazität von Stahlgebnissen in einer erheblichen Menge an Kohlendioxidemissionen, die mit der Hauptproduktionsroute verbunden sind. Im Jahr 2019 wurde geschätzt, dass 7 bis 9% der globalen Kohlendioxidemissionen aus der Stahlindustrie resultierten.[66] Die Reduzierung dieser Emissionen wird voraussichtlich aus einer Verschiebung der Hauptproduktionsroute mit Cokes, mehr Recycling von Stahl und der Anwendung von Kohlenstoffabfassungs- und Speicher- oder Kohlenstoff -Erfassungs- und Nutzungstechnologie erfolgen.

Im Jahr 2008 begann Stahl Handel als Ware auf der London Metal Exchange. Ende 2008 sah sich die Stahlindustrie einem scharfen Abschwung aus, der zu vielen Rückschnitten führte.[67]

Recycling

Stahl ist eines der weltweit am meisten recycelten Materialien mit einer Recyclingrate von über 60% weltweit.[3] Allein in den Vereinigten Staaten wurden im Jahr 2008 über 82.000.000 Tonnen (81.000.000 Tonnen; 90.000 Tonnen) für eine Gesamtrecyclingquote von 83%recycelt.[68]

Da mehr Stahl hergestellt wird als abgeschroppt, beträgt die Menge an recycelten Rohstoffen etwa 40% der Gesamtstahl - im Jahr 2016, 1.628.000.000 Tonnen (1,602)×109 lange Tonnen; 1.795×109 Kurze Tonnen) von Rohstahl wurden weltweit hergestellt, mit 630.000.000 Tonnen (620.000.000 Tonnen; 690.000.000 Tonnen) recycelt.[69]

Zeitgenössisch

Bethlehem Stahl (Bethlehem, Pennsylvania Einrichtung abgebildet) war einer der weltweit größten Stahlhersteller vor seiner Schließung im Jahr 2003

Kohlenstoff

Moderne Stähle werden mit unterschiedlichen Kombinationen von Legierungsmetallen hergestellt, um viele Zwecke zu erfüllen.[7] Kohlenstoffstahl, einfach aus Eisen und Kohlenstoff, macht 90% der Stahlproduktion aus.[5] Niedriger Legierungsstahl wird normalerweise mit anderen Elementen legiert, normalerweise Molybdän, Mangan, Chrom oder Nickel in Mengen von bis zu 10% nach Gewicht, um die Härten von dicken Abschnitten zu verbessern.[5] Hochfestige Stahl mit niedriger Legierung hat kleine Ergänzungen (normalerweise <2% nach Gewicht) anderer Elemente, typischerweise 1,5% Mangan, um zusätzliche Festigkeit für eine bescheidene Preissteigerung zu gewährleisten.[70]

Jüngste Unternehmen durchschnittlich Kraftstoffverbrauch (CAFE) Vorschriften haben zu einer neuen Vielfalt von Stahl geführt, die als Advanced High Festigkeit Stahl (AHSS) bekannt ist. Dieses Material ist sowohl stark als auch duktil, so dass Fahrzeugstrukturen ihre derzeitigen Sicherheitsniveaus aufrechterhalten und gleichzeitig weniger Material verwenden können. Es gibt mehrere im Handel erhältliche AHSS -Noten, wie z. Zweiphasenstahl, die Wärme behandelt wird, um sowohl eine ferritische als auch martensitische Mikrostruktur zu enthält, um einen formbaren, hohen Stahl zu erzeugen.[71] Stahl mit Transformationsinduzierte Plastizität (Trip) beinhaltet spezielle Legierung und Wärmebehandlungen, um Mengen von zu stabilisieren Austenit Bei Raumtemperatur in normalerweise austenitfreien ferritischen stähle mit niedrigem Alloy. Durch die Anwendung der Belastung erfährt der Austenit a Phasenübergang martensit ohne Hinzufügung von Wärme.[72] TWIP -Stahl (Twinning Inced Plasticity) verwendet eine bestimmte Art von Belastung, um die Wirksamkeit der Arbeitserhärtung der Legierung zu erhöhen.[73]

Kohlenstoffstähle sind oft verzinktdurch Heißtipp oder Elektroplatten in Zink zum Schutz vor Rost.[74]

Legierung

Ein strukturelles Mitglied aus Stahl fälschen

Rostfreier Stahl enthalten mindestens 11% Chrom, oft kombiniert mit Nickel, um zu widerstehen Korrosion. Einige rostfreie stähle wie die ferritisch Edelstähle sind magnetisch, während andere, wie die Austenitisch, sind nichtmagnetisch.[75] Korrosionsresistente Stähle werden als CRES abgekürzt.

Legierungsstähle sind einfache Kohlenstoffstähle, in denen kleine Mengen von Legierungselementen wie Chrom und Vanadium hinzugefügt wurden. Einige modernere Stähle sind enthalten tool steels, die mit großen Mengen an Wolfram und Legierungen legiert werden und Kobalt oder andere Elemente, um zu maximieren Lösungshärtung. Dies ermöglicht auch die Verwendung von Niederschlagshärtung und verbessert den Temperaturwiderstand der Legierung.[5] Werkzeugstahl wird im Allgemeinen in Achsen, Bohrern und anderen Geräten verwendet, die eine scharfe, lang anhaltende Schneide benötigen. Andere Speziallegierungen umfassen Verwitterungsstähle wie cor-ten, die durch Erhalten einer stabilen, verrosteten Oberfläche und daher nicht gelackt werden.[76] Stahl heiraten ist mit Nickel und anderen Elementen legiert, aber im Gegensatz zu den meisten Stahl enthält wenig Kohlenstoff (0,01%). Dies schafft sehr stark, aber immer noch formbar Stahl.[77]

Eglin Stahl Verwendet eine Kombination von über ein Dutzend verschiedenen Elementen in unterschiedlichen Mengen, um einen relativ kostengünstigen Stahl für die Verwendung in der Verwendung zu erzeugen Bunker Buster Waffen. Hadfield Steel (nach Sir Robert Hadfield) oder Manganstahl enthält 12–14% Mangan, die bei der Ablagerung von Dehnungshärten eine sehr harte Haut bilden, die sich dem Tragen widersetzt. Beispiele beinhalten Panzerspuren, Bulldozer -Klinge Kanten und Klingen an der Kiefer des Lebens.

Standards

Die meisten der häufiger verwendeten Stahllegierungen werden von Standardsorganisationen in verschiedene Noten eingeteilt. Zum Beispiel die Society of Automotive Engineers hat eine Reihe von Noten Definieren vieler Arten von Stahl.[78] Das American Society for Testing and Materials hat einen separaten Satz von Standards, die Legierungen definieren wie z. A36 Stahl, der am häufigsten verwendete Baustahl in den USA.[79] Das Jis Definiert auch eine Reihe von Stahlquoten, die sowohl in Japan als auch in Entwicklungsländern ausgiebig eingesetzt werden.

Verwendet

Eine Wolle aus Stahlwolle

Eisen und Stahl werden im Bau von Straßen, Eisenbahnen, anderen Infrastrukturen, Geräten und Gebäuden weit verbreitet. Die meisten großen modernen Strukturen, wie z. Stadien und Wolkenkratzer, Brücken und Flughäfen werden von einem Stahlskelett unterstützt. Sogar diejenigen mit einer Betonstruktur verwenden Stahl zur Verstärkung. Es sieht weit verbreitet in Großgeräte und Autos. Trotz des Verbrauchswachstums von AluminiumEs ist immer noch das Hauptmaterial für Autokörper. Stahl wird in einer Vielzahl anderer Baumaterialien verwendet, wie z. B. Bolzen, Nägel und Schrauben und andere Haushaltsprodukte und Kochutensilien.[80]

Andere gemeinsame Anwendungen umfassen Schiffbau, Pipelines, Bergbau, Offshore -Konstruktion, Luft- und Raumfahrt, Weiße Ware (z.B. Waschmaschinen), schwere Ausrüstung wie Bulldozer, Büromöbel, Stahlwolle, Werkzeug, und Rüstung in Form von persönlichen Westen oder Fahrzeugpanzerung (besser bekannt als Rollte homogene Rüstung in dieser Rolle).

Historisch

Ein Kohlenstoffstahlmesser

Vor der Einführung der Bessemer -Prozess und andere moderne Produktionstechniken, Stahl, war teuer und wurde nur dort eingesetzt Messer, Rasierer, Schwerterund andere Gegenstände, bei denen eine harte, scharfe Kante benötigt wurde. Es wurde auch für verwendet Federn, einschließlich derjenigen in Uhren und Uhren.[54]

Mit dem Aufkommen von schnelleren und sparsameren Produktionsmethoden ist es einfacher zu erhalten und viel billiger. Es hat Schmiedeeisen für eine Vielzahl von Zwecken ersetzt. Die Verfügbarkeit von Kunststoffen im zweiten Teil des 20. Jahrhunderts ermöglichte es diesen Materialien jedoch, Stahl in einigen Anwendungen aufgrund ihrer niedrigeren Herstellungskosten und ihres Gewichts zu ersetzen.[81] Kohlefaser Ersetzt Stahl in einigen Kosten unempfindliche Anwendungen wie Sportgeräte und High-End-Automobile.

Lang

Eine Stahlbrücke
Ein Stahlpylon, der aufgehängt ist Überkopf -Stromleitungen

Flacher Kohlenstoff

Verwitterung (Cor-Ten)

Rostfrei

Ein Edelstahl Sauciere

Niedrig zurück

Stahl, der nach dem Zweiten Weltkrieg hergestellt wurde kontaminiert mit Radionuklide durch Nuklearwaffentests. Stahl mit niedrigem Rückenplatz, vor 1945 hergestellter Stahl, wird für bestimmte strahlungsempfindliche Anwendungen wie z. B. verwendet Geiger Theken und Strahlungsschutz.

Siehe auch

Verweise

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Weitere Lektüre

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