베세머법

Bessemer process
베세머 컨버터, 개략도

베세머 공정은 노천로 개발 이전에 용융 선철강철대량 생산하기 위한 최초의 저렴한 산업 공정이었습니다.주요 원리는 용융된 철을 통해 공기를 불어 산화시킴으로써 에서 불순물을 제거하는 것입니다.산화 작용은 또한 철 덩어리의 온도를 상승시키고 철 덩어리를 녹인 상태로 유지합니다.

공기 공정과 관련된 탈탄은 수백 년 동안 유럽 밖에서 사용되었지만 [1]산업 규모에서는 사용되지 않았습니다.이러한 공정 중 하나는 동아시아에서 11세기에 알려진 것으로, 그 시대의 학자 심궈가 중국의 철강 [2][3]산업에서 그것을 사용했다고 기술했다.17세기에 유럽 여행자들의 설명에 따르면 [4]일본인에 의한 사용 가능성이 상세하다.

현대의 과정은 발명가인 헨리 베세머의 이름을 따서 지어졌다. 헨리 [5]베세머는 1856년에 이 과정에 대한 특허를 취득했다.이 과정은 1851년 미국인 발명가 윌리엄[4][6] 켈리에 의해 독립적으로 발견되었다고 알려져 있지만,[7][8][9][10] 이 주장은 논란의 여지가 있다.

기본 내화 라이닝을 사용하는 프로세스는 "기본 베세머 프로세스" 또는 Gilchrist로 알려져 있습니다.토마스는 영국발견자인 퍼시 길크리스트와 시드니 길크리스트 토마스를 따라가는 과정을 거친다.

역사

영국 셰필드 켈햄 아일랜드 박물관 베세머 컨버터(2010).

초기 역사

동아시아에는 [2][3]11세기부터 베세머 프로세스와 유사한 시스템이 존재해 왔다.경제사학자 로버트 하트웰은 송나라(960-1279 CE) 시대 중국인들이 냉풍 [11]아래 주철을 반복적으로 단조하는 부분 탈탄화 방식을 혁신했다고 쓰고 있다.중국학자 조셉 니덤과 야금학자 테오도르 A.Wtime은 이 방법을 [2][12][13]Besemer의 강철 제조 공정의 전신이라고 묘사했다.이 과정은 1075년 다작 학자이자 수학자인 심궈(1031–1095)가 시저우(西州)[11]를 방문했을 때 처음 기술되었다.하트웰은 이것이 행해진 최초의 중심지는 아마도 11세기 [11]동안 허난과 허베이 국경을 따라 있는 거대한 철 생산지였을 것이라고 말한다.

15세기에, 공기 분출 원리를 베세머 공정과 공유하는 또 다른 공정인 미세 공정은 유럽에서 개발되었다.1740년, 벤자민 헌츠먼은 셰필드의 핸즈워스 학군에 있는 그의 워크샵에서 강철 제조를 위한 도가니 기술을 개발했습니다.이 공정은 철강 생산의 양과 품질에 막대한 영향을 미쳤지만, 탈탄 공정을 채택한 베세머형 공정과는 무관했습니다.

요한 알브레히트만델슬로는 베세메르 [4]공정의 일본 사용에 대해 설명했다.

일본인들은 [4]17세기 유럽 여행자들이 관찰한 베세머식 공정을 이용했을지도 모른다.모험가 요한 알브레히트만델슬로는 1669년에 영어로 출판된 책에서 그 과정을 묘사한다.그는 "그들은 특히 불을 사용하지 않고 철을 녹이는 특별한 발명품을 가지고 있다.땅의 반 피트 정도 없이 안쪽에서 만든 굴에 철을 던져 넣고, 계속 불어 넣고, 국자로 가득 채우고, 원하는 형태를 만들어 낸다"고 쓰고 있다.역사학자 도날드 바그너에 따르면 만델로는 직접 일본을 방문하지 않았기 때문에 그의 이 과정에 대한 묘사는 일본을 여행한 다른 유럽인들의 이야기에서 나온 것으로 보인다.바그너는 일본의 과정이 베세머 과정과 비슷했을 것이라고 믿지만 대안적인 설명도 [4]그럴듯하다고 경고한다.

베세머 특허

윌리엄 켈리는 베세머의 특허 이전에 비슷한 과정을 실험했을지도 모른다.

1850년대 초중반, 미국인 발명가 윌리엄 켈리는 베세머 공정과 유사한 방법으로 실험을 했다.바그너는 켈리가 1854년 [4]켈리에 의해 고용된 중국인 철공들에 의해 도입된 기술들에 의해 영감을 받았을 수도 있다고 쓰고 있다.켈리와 베세머가 같은 과정을 발명했다는 주장은 여전히 논란의 여지가 있다.이 과정에 대한 베세머의 특허가 사이언티픽 아메리칸에 의해 보고되었을 때, 켈리는 잡지에 편지를 쓰는 것으로 응답했다.편지에서 켈리는 이전에 이 과정을 실험한 적이 있으며 베세머가 켈리의 발견에 대해 알고 있었다고 주장했다.그는 "나의 발견이 3, 4년 전에 영국에서 알려졌다고 믿을 만한 이유가 있다. 왜냐하면 많은 영국 패들러들이 나의 새로운 과정을 보기 위해 이곳을 방문했기 때문이다.그들 중 몇 명은 그 후 영국으로 돌아왔고,[4] 그곳에서 내가 발명한 것에 대해 이야기했을지도 모릅니다."켈리의 공정이 베세머의 [14]공정에 비해 덜 발전되고 덜 성공적이었다는 것이 시사된다.

헨리 베세머 경은 1890년에 쓴 자서전에서 그의 발명품의 기원을 묘사했다.크림 전쟁이 발발하는 동안, 많은 영국의 산업가와 발명가들이 군사 기술에 관심을 갖게 되었다.베세머에 따르면, 그의 발명은 1854년 나폴레옹 3세와의 대화에서 영감을 얻었다고 한다.베세머는 "그날 밤 택시를 타고 빈센에서 파리로 가는 동안,[5] 나는 총기의 제조에서 철의 품질을 향상시키기 위해 할 수 있는 것을 시도하기로 마음먹었기 때문에, 그것은 현 세기에 기록되어야 했던 가장 위대한 혁명 중 하나였다고 주장했다.그 당시 강철은 식기류나 도구와 같은 작은 물건만 만드는 데 사용되었지만, 대포로는 너무 비쌌다.1855년 1월부터, 그는 대포에 필요한 엄청난 양의 철강을 생산하는 방법을 연구하기 시작했고, 10월까지 베세메르 공정과 관련된 첫 번째 특허를 출원했다.그는 1년 후인 [5]1856년에 그 방법에 대한 특허를 취득했다.

헨리 베세머

베세머는 그의 공정에 대한 특허를 총 27,000파운드에 4명의 철공장에게 [when?]허가했지만, 그의 친구인 윌리엄[15] 클레이에 따르면, 그 면허인들은 그가 약속한 강철의 품질을 생산하지 못했고, 그는 나중에 그것들을 32,[16]500파운드에 되사들였다고 한다.그의 계획은 생산량을 장려하기 위해 t당 낮은 비율의 로열티 가격으로 여러 지리적 지역의 한 회사에 라이센스를 제공하는 것이었지만, 판매 가격을 낮추기로 결정할 만큼 큰 비율은 아니었다.이 방법을 통해 그는 새로운 프로세스가 입지와 시장 [15]점유율을 높일 수 있기를 희망했다.

그는 기술적 문제가 철의 불순물 때문이라는 것을 깨닫고, 해결책으로 자신의 공정에서 공기 흐름을 차단해야 할 시기를 알고 불순물이 연소되지만 적절한 의 탄소가 남아 있다는 결론을 내렸습니다.하지만, 실험에 수만 파운드를 썼음에도 불구하고,[17] 그는 답을 찾을 수 없었다.특정 등급의 강철은 강철을 통과하는 공기 폭발의 일부였던 78%의 질소에 민감합니다.

이 해결책은 영국 야금학자 로버트 포레스터 뮈셰에 의해 처음 발견되었는데, 그는 딘의 에서 수천 개의 실험을 수행했다.그의 방법은 우선 가능한 한 모든 불순물과 탄소를 태워 없애버리고, 그리고 나서 철과 망간의 합금인 스피글라이센과 미량의 탄소와 실리콘을 첨가함으로써 탄소와 망간을 다시 도입하는 것이었다.이는 완제품의 품질을 향상시키고 유연성을 높이는 효과가 있었습니다. 즉, 고온에서 롤링과 단조에도 견딜 수 있으며 다양한 [18][19]용도에 더 적합하도록 만들었습니다.무셰의 특허는 결국 무셰가 특허료를 내지 못해 소멸했고 베세머에 의해 인수됐다.베세머는 [20]특허로 5백만 달러 이상의 로열티를 벌었다.

이 과정을 허가한 첫 번째 회사는 W&J 갤러웨이의 맨체스터 회사였고, 그들은 베세머가 1856년 첼튼햄에서 그것을 발표하기 전에 그렇게 했다.그들은 그가 라이센스료를 환불한 4명의 리스트에 포함되지 않았다.그러나 이후 1858년 Besemer 등과의 파트너십에 투자할 수 있는 기회의 대가로 라이선스를 취소했다.이 파트너십은 1858년부터 셰필드에서 철강을 생산하기 시작했는데, 처음에는 스웨덴에서 수입된 목탄 선철을 사용했습니다.이것은 최초의 상업적인 [15][21]제작이었다.

베세머 특허에 대한 20%의 점유율은 1857년 런던 방문 중 스웨덴 무역상이자 영사인 Göran Fredrik Göransson에 의해 스웨덴과 노르웨이에서 사용하기 위해 구입되었습니다.1858년 전반기 동안, 괴란손은 소규모 엔지니어 그룹과 함께 스웨덴 호포스 근처의 에드켄에서 베세메르 공정을 실험한 후 마침내 성공했다.나중에 1858년 그는 런던에서 헨리 베세머를 다시 만났고, 그 과정을 통해 그의 성공을 설득했고, 영국에서 그의 철강을 팔 권리를 협상했다.Edsken에서 생산이 계속되었지만, 산업 규모의 생산이 필요하기에는 너무 작았다.1862년 괴란손은 Sandviken 마을이 세워진 Storsjön 호숫가에 Högbo 철강 회사를 위한 새로운 공장을 건설했습니다.이 회사는 샌드비켄 철공소로 이름이 바뀌었고, 계속 성장하여 [22]1970년대에 샌드비크가 되었다.

미국의 산업 혁명

알렉산더 라이만 할리는 미국에서 베세머 철강의 성공에 크게 기여했다.그의 무기 및 갑옷에 관한 논문은 현대 무기 제조와 제강 관행에 관한 중요한 책이다.1862년, 그는 베세머의 셰필드 작품을 방문했고, 미국에서의 사용을 위한 프로세스 라이선스에 관심을 갖게 되었다.미국으로 돌아오자마자 할리는 뉴욕 트로이에서 온 두 명의 철 생산자 F를 만났습니다. 윈슬로와 존 아우구스투스 그리즈월드는 그에게 영국으로 돌아가 그들을 대신해 영국은행과 협상할 것을 요청했다.할리는 그리즈월드와 윈슬로에게 베세머의 특허 과정을 사용할 수 있는 허가를 얻어 1863년 [23]말 미국으로 돌아왔다.

이 3인방은 1865년 뉴욕 트로이에 공장을 세우기 시작했다.이 공장에는 셰필드에 있는 베세머의 공장보다 생산성을 크게 향상시킨 할리의 혁신이 다수 포함되어 있었고, 소유주들은 1867년에 성공적인 공개 전시회를 열었습니다.트로이 공장은 펜실베니아 철도의 관심을 끌었는데, 펜실베니아 철도는 강철 레일을 제조하기 위해 새로운 공정을 사용하길 원했다.이 회사는 펜실베니아 철강 자회사의 일부로서 할리의 제2공장에 자금을 지원했다.1866년과 1877년 사이에, 파트너들은 총 11개의 베세머 제철소를 허가할 수 있었다.

그들이 끌어들인 투자자들 중 한 은 앤드류 카네기로, 그는 1872년 베세머를 방문한 후 새로운 철강 기술에서 큰 가능성을 보았고, 그는 그것이 그의 기존 사업인 키스톤 브리지 회사와 유니언 철공소의 유용한 부속물이라고 보았다.할리는 카네기를 위해 새로운 제철소를 건설했고, 계속해서 공정을 개선하고 다듬었다.Edgar Thomson Steel Works로 알려진 새로운 제철소는 1875년에 문을 열었고 세계 주요 철강 [24]생산국으로서 미국의 성장을 시작했다.베세머 공정을 이용하여, 카네기 철강은 1873년과 1875년 사이에 강철 철도의 비용을 톤당 100달러에서 톤당 50달러로 줄일 수 있었습니다.철강 가격은 카네기가 1890년대까지 톤당 18달러에 레일을 팔기 전까지 계속 하락했습니다.카네기의 톰슨 공장이 문을 열기 전에 미국의 철강 생산량은 연간 약 157,000톤이었다.1910년까지 미국 회사들은 연간 [25]2600만 톤의 철강을 생산하고 있었다.

펜실베이니아주 스크랜튼에 있는 Lackawanna Iron & Colle Company의 매니저이자 소유주인 William Walker Scranton도 유럽에서의 공정을 조사했다.그는 1876년 철골 레일을 위한 베세머 공정을 사용하여 제분소를 건설했고 그의 [26]생산량을 4배로 늘렸다.

베세머강은 미국에서 주로 철도 선로에 사용되었습니다.브루클린 다리를 건설하는 동안, 값싼 베세머 강철 대신 도가니 강철을 사용해야 하는지에 대한 큰 논쟁이 일어났다.1877년, Abram Hewitt는 브루클린 [27][28]다리 건설에 베세머 강철을 사용하지 말 것을 촉구하는 편지를 썼다.도가니강과 베세머강 모두 입찰이 접수된 바 있다: John A. 로블링의 아들들은 베세머 [29]철강에 대한 최저 입찰가를 제출했지만 휴이트의 지시로 J.[30] 로이드 헤이와 계약을 맺었다.

기술적 세부사항

Besemer 컨버터 컴포넌트

베세머 공정에서는 3~5톤의 철을 강철로 변환하는 데 10~20분이 걸렸습니다.[25]이전에는 적어도 하루 종일 가열, 교반, 재가열해야 했습니다.

산화

용융 선철을 통해 공기를 불어 넣으면 산소가 용융액에 유입되어 산화되어 실리콘, 망간, 탄소 등의 선철에서 발견되는 불순물이 제거됩니다.이러한 산화물은 기체로 빠져나가거나 고체 슬래그를 형성합니다.변환기의 내화 라이닝도 변환에 한몫합니다.원재료에 이 거의 없을 때 점토 라이닝이 사용될 수 있으며, 베세머 본인은 가니스터 사암을 사용했는데, 이를 베세머 공정이라고 합니다. 함량이 높은 경우, 돌로마이트, 때로는 마그네사이트가 기본 베세머 석회암 공정에서 라이닝이 필요합니다.원하는 특성을 가진 강철을 생산하기 위해 불순물을 제거한 후 스피글라이젠(철망간 합금)과 같은 첨가제를 용강에 첨가할 수 있습니다.

프로세스 관리

필요한 강철을 성형한 후 레이들 형태로 부은 후 몰드로 옮겨진 반면 가벼운 슬래그는 남겨졌습니다.블로우라고 불리는 전환 과정은 약 20분 만에 완료되었다.이 기간 동안 불순물의 산화 진행은 변환기 입구에서 나오는 불꽃의 출현으로 판단되었다.불꽃의 특성을 기록하는 광전 방식을 사용하는 현대적 방법은 송풍기가 최종 제품 품질을 제어하는 데 큰 도움이 되었습니다.타격 후, 액체 금속을 원하는 지점까지 재탄산하고, 원하는 제품에 따라 다른 합금 재료를 첨가했습니다.

A베세머 전로 한번에 5에서 30톤의"열"( 뜨거운 금속의 배치)가능하다.[31일]그들은 보통는 동안 다른 사람 또는 도청되고 채워진 것 하나 뚫리는 쌍에 의해 운영되었다.

이전 프로세스

Högbo Bruk, 산드비켄에서 Bessemer 변환기입니다.

19세기 puddling 과정 널리 퍼져 있었다.까지 기술 발전 가능성이 높은 온도에서 출근했어, 슬래그 불순물 완전히지만, 반사로 가능하기 위한 열 쇠 직접 불에 배치하고 없이, 보호의 연료의 원천의 불순물에서 어느 정도 제공하고 만든 제거할 수 없다.따라서, 이 기술의 등장으로 석탄 숯 연료를 대체하기 시작했다.그 베세머 법 강철 연료 없이 필요한 열을 만들 철의 불순물을 사용하여 생산될 수 있도록 허용했다.이 크지만 필요한 특성과 원자재를 찾기 어려울 것 철강 제조 비용을 줄였다.[32]

높은 퀄리티의 강철 무탄소인 가공 철, 보통 스웨덴에서 수입되기 위해 탄소를 추가하는 역 처리에 의해 만들어졌다.제작 과정, 교결 공정이라는, 가공 철의 기간 동안 술집 함께 숯으로 구성되어 긴 돌에서 일주일까지.이 물집 철강 생산되고 있습니다.그 물집이 생긴 철제는 도가니에 가단철과 도가니 강철을 생산하고 녹게 되었다.철강의 각 t생산되는 치량에 대해 비싼 콜라까지 3톤.그러한 강철 때 술집으로 모여드£50에 영돈(대략 2008년 £4,070에 £3,390)[33]£60에 팔렸다.가공 철의 화려한 옷. forges에 스웨덴에서 행해지는 과정의 가장 결정적이며work-intensive 어려운 부분은, 그러나 생산.

이러한 과정을 18세기 속 콜라의 추가 대량으로 필요한 3시간 시간 덧붙였다 헌츠먼의 도가니 steel-making 기법의 도입으로 변모해 갔다.도가니강을 만들 때, 물집형 철근을 산산조각 내고 각각 20kg 정도의 작은 도가니로 녹였다.이것은 더 높은 품질의 도가니강을 생산했지만 비용이 증가했습니다.베세머 공정은 초기에 선철을 녹이는 데 필요한 코크스만 필요하면서 이러한 품질의 강철을 만드는 데 필요한 시간을 약 30분으로 줄였습니다.최초의 베세머 변환기는 강철을 긴 톤당 7파운드에 생산했지만 처음에는 톤당 40파운드에 팔렸습니다.

"염기성" 대 산성 베세머 공정

웨일즈인 아버지를 둔 런던인 시드니 길크리스트 토마스는 철의 인 문제를 해결하기로 결심한 산업 화학자였고, 그 결과 낮은 등급의 강철을 생산하게 되었다.그가 해결책을 발견했다고 믿고, 그는 Blaenavon Ironworks의 화학자였던 의 사촌 Percy Gilchrist에게 연락했다.당시 매니저였던 에드워드 마틴은 시드니에게 대규모 테스트를 위한 장비를 제공하고 1878년 5월 특허 출원 준비를 도왔다.시드니 길크리스트 토마스의 발명품은 점토 대신 돌로마이트 또는 때로는 석회암 라이닝을 베세머 변환기에 사용하는 것으로 이루어졌고, 그것은 '산' 베세머 과정보다는 '기본' 베세머로 알려지게 되었다.또 다른 장점은 이 공정들이 컨버터에서 더 많은 슬래그를 형성하고 이를 회수하여 인산염 [34]비료로 매우 유용하게 사용할 수 있다는 것입니다.

중요성

1941년 오하이오주 영스타운에서 가동된 베세머로.

1898년, Scientific American은 값싼 강철의 공급 증가에 따른 경제적 효과를 설명하는 Besemer Steel과 그것의 Effects on the World라는 기사를 발표했다.그들은 철도가 이전에는 사람이 드물었던 지역으로 확장되면서 그 지역에 정착하게 되었고,[35] 이전에는 운송 비용이 너무 많이 들었던 특정 상품의 무역이 이익을 얻게 되었다고 언급했다.

Besemer 공정은 이 중요한 원료의 생산 규모와 속도를 크게 향상시키면서 비용을 롱톤당 40파운드에서 롱톤당 6-7파운드로 절감함으로써 철강 제조에 혁명을 일으켰습니다.이 공정은 또한 제철에 필요한 노동력을 줄였다.그것이 도입되기 전에, 강철은 교량이나 건물의 골조를 만들기에는 너무 비쌌고, 따라서 단철은 산업 혁명 내내 사용되었다.베세머 공정의 도입 이후, 철강과 단철의 가격이 비슷해졌고, 철도를 중심으로 한 일부 사용자들도 철강으로 바뀌었습니다.송풍 [36]공기의 질소로 인한 메짐성과 같은 품질 문제로 인해 베세머강은 많은 구조적 [37]용도로 사용되지 못했습니다.오픈 하스강은 구조적인 용도에 적합했다.

강철은 철도의 생산성을 크게 향상시켰다.강철 레일은 철제 레일보다 10배나 더 오래 지속되었습니다.가격이 떨어지면서 무거워진 철제 레일은 [38]더 긴 열차를 끌 수 있는 무거운 기관차를 운반할 수 있었다.강철 레일 차량은 더 길었고 화물 대 차량 무게를 1:1에서 2:1로 늘릴 수 있었다.

1895년 영국에서 베세머 과정의 전성기는 끝났고 개방 화로 방식이 우세하다는 것이 주목되었다.철광석유무역리뷰는 "준모리번드 상태"라고 말했다.해가 갈수록 진전이 없을 뿐만 아니라 완전히 감소했습니다.그 당시나 최근이나 그 원인은 프로세스 자체의 본질적인 [39]것이 아니라 기술에 대한 훈련받은 인력의 부족과 투자 부족에 있다는 주장이 제기되어 왔다.예를 들어, 거대 제철 회사 미들즈브러의 볼코우 본이 쇠락한 주요 원인 중 하나는 [40]기술 업그레이드 실패였다.기본적인 공정인 토마스-길크리스트 공정은 특히 철광석이 인 함량이[41] 높고 오픈 하스 공정으로 모든 인을 제거할 수 없었던 유럽 대륙에서 더 오래 사용되었습니다; 독일의 거의 모든 저렴한 건설용 강철은 1950년대와 1960년대에 [42]이 방법으로 생산되었습니다.그것은 결국 기본적인 산소 제강으로 대체되었다.

진부화

미국에서는 이 방법을 사용한 상업용 철강 생산이 1968년에 중단되었다.는 기본 산소(린츠-도나위츠) 과정과 같은 과정으로 대체되어 최종 화학을 더 잘 제어할 수 있게 되었습니다.베세머 공정은 너무 빨랐기 때문에(열량당 10-20분) 화학 분석이나 강철 내 합금 원소의 조정에 거의 시간이 걸리지 않았습니다.베세머 변환기는 용강에서 인을 효율적으로 제거하지 못했습니다. 저인광의 가격이 높아짐에 따라 변환 비용이 증가했습니다.이 공정은 제한된 의 고철만 충전할 수 있도록 허용했으며, 특히 고철이 저렴할 때 비용이 더욱 증가했습니다.전기 아크로 기술의 사용은 베세머 공정과 유리하게 경쟁하여 노후화를 초래했습니다.

기본 산소 제강은 본질적으로 베세머 공정의 개선된 버전입니다(산소 운반 물질을 열에 추가하여 여분의 탄소를 연소시키는 대신 산소를 가스로서 열로 불어 탈탄).헨리 베세머는 [citation needed]공기 폭발에 대한 순수한 산소 폭발의 이점을 알고 있었지만, 19세기 기술은 그것을 경제적으로 만들기 위해 필요한 많은 양의 순수한 산소를 생산할 수 있을 만큼 충분히 발전되지 않았다.

「 」를 참조해 주세요.

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참고 문헌

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외부 링크