Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία

1. Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Μεταλλουργία Σιδήρου II – Χάλυβας - Σιδηροκράματα Θεωρία και Τεχνολογία Μάθημα 1: Ιστορική ανασκόπηση της παραγωγής σιδήρου και χάλυβα Δρ. Α. Ξενίδης

2. Διαγράμματα Fe-C Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

3. Χρονικές Περίοδοι στη Μεταλλουργία Σιδήρου • Εποχή σιδήρου (2000 – 1000 π.Χ.) • Περίοδοι παραγωγής σιδήρου • Μαλακτός σίδηρος (2000 π.Χ – 1300 μ.Χ.) • Ρευστός χυτοσίδηρος (1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.) • Μαζική παραγωγή χάλυβα (1851 - 1951 μ.Χ.) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

4. Μαλακτός σίδηρος (2000 π.Χ – 1300 μ.Χ.) • Εποχή σιδήρου • Παραγωγή μαλακτού σιδήρου (wrought iron) • Χρονολογείται μεταξύ 2000 – 1000 π.Χ. • Ήταν ήδη γνωστά άλλα ελατά μέταλλα (χαλκός – χρυσός) • Το νέο υλικό ήταν σκληρότερο (πιο χρήσιμο) • Χύτευση : άγνωστη • Σφυρηλασία (διαμόρφωση), απότομη ψύξη (βαφή προς σκλήρυνση), αναθέρμανση (ανόπτηση για εύκολη κατεργασία) : Γνωστές διεργασίες Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

5. Ρευστός χυτοσίδηρος(1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.) • 1300 μ.Χ. : Μέθοδος παραγωγής χυτοσιδήρου (από Κίνα στην Ευρώπη) • Παράγονται μεγαλύτερες φρεατώδεις κάμινοι με βελτιωμένα συστήματα εμφύσησης • Μεγαλύτερος χρόνος παραμονής (ο άνθρακας έχει χρόνο να διαχυθεί στον σπογγώδη σίδηρο με αποτέλεσμα να χαμηλώνει το σημείο τήξης) • Υψηλότερες θερμοκρασίες στο κέντρο της καμίνου • Χαρακτηριστικά υλικού • Σκληρό, μη ελατό(δεν μπορούσε με σφυρηλασία να δώσει λεπτά ελάσματα), ούτε όλκιμο (δεν μπορούσε να εκταθεί σε λεπτά σύρματα) υλικό, • Ακατάλληλο για τα περισσότερα όπλα και εργαλεία • Χυτευόταν μόνο σε μαγειρικά σκεύη, κανόνια, βλήματα κανονιών, «πυρίμαχες» εσχάρες • Με επανάτηξη του χυτοσιδήρου παραγόταν ημίρρευστο υλικό, που οξειδωνόταν Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

6. Ρευστός χυτοσίδηρος(1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.) • έως 1700 μ.Χ. : Περιορισμένη παραγωγή ρευστού χυτοσιδήρου και χάλυβα (επίπονες μέθοδοι – μικρή παραγωγικότητα) • 1740 μ.Χ. : Παραγωγή χαλύβδινων προϊόντων • Από τον Benjamin Huntsman • Ετηξε και απανθράκωσε χυτοσίδηρο σε ειδικά χωνευτήρια των 35 kg: Παρήχθη ένα ομοιογενές, ελατό χαλύβδινο προϊόν που χρησιμοποιήθηκε για υψηλής ποιότητας ελατήρια ρολογιών - Χρονομέτρων Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

7. Ρευστός χυτοσίδηρος(1300 μ.Χ. - 1850 μ.Χ.) • 18ος αιώνας : Ανάπτυξη υψικαμίνων • Δυνατή η παραγωγή χυτοσιδήρου σε μεγάλες ποσότητες • Οι μέθοδοι μετατροπής του χυτοσιδήρου σε χάλυβα είχαν περιορισμένη δυναμικότητα • Έως το 1850 μ.Χ. η παγκόσμια παραγωγή ρευστού χυτοσιδήρου δεν ξεπερνούσε τα 3 εκ. τόνους • 1856 μ.Χ. : μέθοδος Bessemer (μεταλλάκτης – 1η μέθοδος μαζικής κλίμακας μετατροπής ρευστού χυτοσιδήρου σε χάλυβα αρχίζει η αύξηση της ζήτησης χυτοσιδήρου) • 1857 μ.Χ. : μέθοδος έμφλογης καμίνου (Siemens- Martin ή Open Hearth Process) για παραγωγή χάλυβα από υγρό χυτοσίδηρο • 1905 μ.Χ. : Παγκόσμια παραγωγή χυτοσιδήρου φθάνει τα 55 εκ. τον. (το 70% έγινε χάλυβας) • 1929 μ.Χ. : Παραγωγή χυτοσιδήρου 96 εκ. τον. Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

8. Μαζική παραγωγή χάλυβα(1851 - 1951 μ.Χ.) • Σ.Τ. καθαρού Fe: 1539 oC • Σίδηρος με χαμηλή περιεκτικότητα C • Για χύτευση : Τ > 1620oC (περίπου 1650 oC, δύσκολο να διατηρηθεί για μεγάλο χρόνοκατά το 1850) • Τα κύρια προβλήματα την πρώτη περίοδο χαλυβοποίησης ήταν: • Να διατηρηθεί η υψηλή θερμοκρασία • Να βρεθεί αποτελεσματικότερος τρόπος απομάκρυνσης του C • Μέθοδος Bessemer (1856): Τυχαία ανακάλυψη (εμφύσηση ψυχρού αέρα – θέρμανση του παραγομένου προϊόντος) • Μέθοδος Bessemer: • Εφαρμογή σε Σουηδικό χάλυβα (S, P και Mn που λειτουργούσε και ως αποξειδωτικό) • Αντίθετα, οι συνήθεις χυτοσίδηροι: • S (από κωκ), P  καιMn  σχηματισμός FeS (προκαλεί ευθραυστότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (hot shortness)), φωσφίδια σιδήρου (προκαλούν ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες (cold shortness), και με φυσαλίδες (λόγω έλλειψης Mn για την αποξείδωση) Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

9. Μαζική παραγωγή χάλυβα(1851 - 1951 μ.Χ.) • 1897 μ.Χ. : Thomas: • Βασικά (δολομιτικά) πυρίμαχα μπορούν να αντέξουν στις βασικές σκωρίες που απαιτούνται για την απομάκρυνση του P κατά τη διάρκεια εμφύσησης αέρα κατά τη μέθοδο Bessemer • Η πρακτική αυτή άνοιξε το δρόμο για την εκμετάλλευση των Ευρωπαϊκών σιδηρομεταλλευμάτων (πρόσθετο πλεονέκτημα: η πλούσια σε P σκουριά μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν λίπασμα) • 1857 μ.Χ. : Siemens • Εμφύσηση προθερμασμένου αέρα  μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας της φλόγας • Η μέθοδος Siemens – Martin (πλέον σήμεαρα απαρχαιωμένη) : Κυριάρχησε σε πολλές χώρες μέχρι τη δεκαετία του 1960 • Η μέθοδος Bessemer-Thomas υποχώρησε έναντι της μεθόδου Siemens-Martin, γιατί: • Η Bessemer-Thomas δεν μπορούσε να καταναλώσει το διαθέσιμο scrap • Ο παραγόμενος με την Siemens-Martin χάλυβας ήταν καλύτερος ποιοτικά. Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)

10. Μαζική παραγωγή χάλυβα(1851 - 1951 μ.Χ.) • Ηλεκτρική κάμινος • 1880μ.Χ. : Siemens • Περιέγραψε μέθοδο τήξης χάλυβα με ηλεκτρικό τόξο συνεχούς ρεύματος (δεν προχώρησε σε εμπορική εφαρμογή) • 1900 μ.Χ. : Heroult • Το πέτυχε στη Γαλλία • 1906 μ.Χ. : Εφαρμόστηκε στις ΗΠΑ • Για πολλά χρόνια περιοριζόταν μόνο στην παραγωγή υψηλής ποιότητας χαλύβων και σιδηροκραμάτων • 1920 μ.Χ. : Εμφανίζεται η χρησιμοποίηση εναλλασσόμενου ρεύματος • 1940 μ.Χ. : Παραγωγή χάλυβα σε μεγάλες ποσότητες σε ηλεκτρική κάμινο τόξου • Εύκολη και φθηνή μέθοδος • Βοήθησε τους συμμάχους την παραγωγή χάλυβα κατά το 2ο Π.Π. Μεταλλουργία Fe IΙ (Χάλυβας - Σιδηροκράματα)