Historia stali – od starożytności do współczesności
Stal bez wątpienia można nazwać jednym z najbardziej znanych, ale też najważniejszych w dziejach ludzkości stopów. Aby lepiej zrozumieć jej właściwości oraz wkład dla ludzkości, warto jednak poznać jej historię. Czas więc na krótką podróż w czasie.
Historia stali sięga odległej starożytności. Odkryto wtedy, że już 1,5% domieszki węgla dodanego do żelaza sprawia, że powstały stop jest dużo twardszy i bardziej wytrzymały. Pierwsze dowody na jej produkcję, głównie pod kątem broni siecznej, sięgają XII w. p.n.e. Stal była wytwarzana w starożytnej Sparcie mniej więcej w VII wieku p.n.e., a następnie w Imperium Rzymskim. Równolegle do Europy jej produkcję rozwijano także w Indiach, Chinach i na Bliskim Wschodzie.
Jedną z najbardziej znanych i cenionych była tyglowa stal damasceńska używana około XI wieku n.e. do produkcji ostrzy mieczy. Wytwarzano ją w Damaszku z wlewków stali wootz (opracowanej około III wieku p.n.e.), sprowadzanych z Indii i Sri Lanki. Stal w różnych jej odmianach i stopniach czystości, była przez wieki cenionym materiałem głównie w produkcji uzbrojenia, czy specjalistycznych narzędzi. Jej wytwarzanie łączyło się jednak z rozległą wycinką drzew, gdyż oprócz rudy żelaza, do jej wytwarzania potrzebny był – i to w dużych ilościach – węgiel drzewny.
Ewolucja
Pierwszym krokiem do optymalizacji procesu produkcji stali było jej wytapianie z żelaza lanego tzw. surówki. Metodę tą opracowano w Styrii leżącej na terenie dzisiejszej Austrii. Jednak wytwarzana w ten sposób surówka posiadała – jak na stal – zbyt dużą zawartość węgla (znacznie powyżej wymaganej ilości 2%). Dlatego surówkę trzeba było stapiać z kawałkiem miękkiego żelaza. Do tego zawierała ona wiele niepożądanych zanieczyszczeń, takich jak: siarka, fosfor, azot czy tlen, które ujemnie wpływały na jej jakość końcową. Rozwiązaniem tego problemu okazał się proces świeżenia, czyli dostarczenia do stopu dużej ilości powietrza w celu dopalenia wszelkich zanieczyszczeń.
W wieku XIV pojawiają się pierwsze piece fryszerskie. Proces fryszerski polegał na świeżeniu surówki w oparciu o specjalne miechy dostarczające do pieca dużą ilość powietrza. Powodowało to w miarę skuteczne dopalanie w surówce niechcianych domieszek.
Kolejny ważny przełom to rok 1702, kiedy to w procesie wytopu surówki zostaje użyty koks zamiast węgla drzewnego. Przyczynia się to do znaczącej redukcji wycinki drzew i obniżenia kosztów produkcji.
Jednocześnie po kilku wiekach stosowania pieców fryszerskich, w roku 1784 angielski inżynier Henry Cort opracowuje bardziej efektywny sposób świeżenia stali, tzw. proces pudlarski. Nazwa pochodzi od słowa puddle (przewracać). Polegał on na umieszczeniu zastygłej surówki w piecu, następnie jej stopieniu i na równomiernym odwęgleniu (dekarbonizacji) z jednoczesnym wypaleniem niepożądanych domieszek. Proces ten był wspomagany ciągłym mieszaniem wsadu przy użyciu żelaznych prętów. Gotowy „bochen” posiadał jednak liczne żużlowe skazy, które wymagały usunięcia poprzez wielokrotne przekuwanie. Otrzymywano w ten sposób tzw. stal zgrzewną lub żelazo zgrzewne. Stop ten zawierał mniej niż 0,1% węgla, do 0,25% domieszek siarki, fosforu, krzemu i manganu oraz 1 do 2% żużlu. Wadą metody pudlarskiej było spore zróżnicowanie struktury oraz składu chemicznego poszczególnych „bochnów”. Spowodowane to było nie tylko jakością wsadu, lecz także stopniem doświadczenia samych pracowników (pudlarzy).
Przełom
Przełomowym był rok 1855, kiedy to Brytyjczyk Henry Bessemer dokonał prawdziwej rewolucji w wytapianiu stali. Wynalazł on bowiem konwertor, czyli „piec bez paliwa”, w którym ciekłą surówkę przedmuchuje się powietrzem lub czystym tlenem. Piec ten pozwala na uzyskanie kilkudziesięciu ton ciekłej stali w ciągu kilkudziesięciu minut, podczas gdy tradycyjny piec pudlarski dawał do 500 kilogramów stali w ciągu jednego wytopu trwającego aż kilka godzin.
Dodatkowo w roku 1858 Szwed G.F. Göransson dowiódł, że – odpowiednio modyfikując dawkę powietrza odmuchującą surówkę – można otrzymywać różne gatunki stopu. Bazując na tym w roku 1868 angielski przemysłowiec i metalurg Robert Forester Mushet opracował pierwszą stal narzędziową zwaną stalą szybkotnącą RMS. Jest ona hartowana powietrzem, co zapewnia jej większy stopień twardości. Oczywiście przy wprowadzaniu konwertorowej metody wytopu nie mogło zabraknąć trudności. Związane były one ze składem surówki, a konkretnie obecności w niej domieszki fosforu, który wpływał na osłabienie i kruchość produktu finalnego. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie w roku 1878 innego rodzaju wymurówki samego pieca hutniczego. Dolomit zastąpiono krzemionką.
Konwerter Bessemera, Domena Publiczna, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=91836
Czasy obecne
Metoda wytopu stali w oparciu o wynalazek Bessemera dała początek nowoczesnej metalurgii, która wraz z rozwojem technologii, pozwoliła na wytwarzanie wielu gatunków stali o różnym zastosowaniu. Obecnie proces produkcji stali można podzielić na trzy etapy:
- wytapianie,
- obróbka pozapiecowa
- odlewanie stali.
Wytapianie stali odbywa się w elektrycznym piecu łukowym, który zapewnia mniejszą energochłonność oraz odgrywa ważną rolę w recyklingu odpadów stalowych. Głównym kierunkiem rozwoju i doskonalenia technologii odlewania stali jest przejście od tradycyjnej metody odlewania ciekłego metalu do wlewnic do najbardziej popularnej metody - odlewania stali w sposób ciągły (COS).
► Przeczytaj także: "Jak powstaje stal"
Wróć na główną stronę bloga
Wróć na bloga