Bessemerprotsess (0)

Bessemerprotsess

Referaat ajaloos.
Koostajad: Krista Makke
Helen Baumann
Aveli Noortoots
Sirle Sauman
8D klass
M.R.G
Tartu 2004
Rauaga on inimkonna elu tihedalt seotud. Raud on maailma kõige tähtsam ehitusmaterjal. Rauda on leitud tähtede hõõguvates atmosfäärides. Maakera tuum koosneb rauast ja sellega sarnaste metallide, nikli ja koobalti lisanditest. Maakoores on arvutuste järgi 4,5% rauda. Maakera pinnal on raud levinud kõikjal. Teda leidub peaaegu kõikides savides, liivades ja kivimites . Mõnedes maakohtades moodustab ta suuri maagilademeid, millest näiteks Uraalis koosnevad terved mäed – Bakan, Võssokaja, Magnitnaja jt. Rauda on leitud igal pool pinnases. Vähesel määral leidub rauda maapinnal ka ehedalt. Ehe raud esineb väikeste liistakutena, harvemini suuremate osakestena analoogiliselt väärismetallide kulla ja plaatinaga. Ehedat rauda on leitud Senegalis ja mitmes paigas Siberis.
Raual on tähtis osa ka taimede, loomade ja inimese elus. Täiskasvanud inimese organismis on rauda 3 g, millest 75% on hemoglobiini koostises. Hemoglobiin võtab osa hingamisest. Loomade ja inimese organismis on raud levinud “kõikjal”: Rauda on isegi silmaläätse ja sarvkesta kudedes, kus ei ole üldse veresooni. Rauda on kõige rohkem maksas ja põrnas.
Raud on vajalik ka taimedele. Ta võtab osa protoplasma oksüdeerimisprotsessidest, taimede hingamisest ja klorofülli ehitamisest.
Rauda õppis inimkond tundma umbes 5000-6000 aastat tagasi. Esimesed raua proovid , mida hoidsid käes ürginimesed, ei olnud maismaa päritoluga. See oli meteoriitraud, millest inimene esmakordselt valmistas raudesemeid. Möödus tuhandeid aastaid enne kui inimene õppis maagist rauda tootma . Sellest momendist algas rauasajand, mis kestab ka käesoleval ajal.
Raua kasutamine
Rauda hakkasid esimestena laialdaselt kasutama Väike-Aasias elanud hetiidid , kes umbes 3400 aastat tagasi valmistasid rauast majapidamisesemeid (katlaid) ja sõjariistu (mõõku, odasid, kilpe ja nooleotsi). Raudrelvad olid vastupidavamad ja paremad kui pronksrelvad. Eestis on vanimad raudesemed leitud Kohtla-Järve lähedalt ja need pärinevad 1.aastatuhande keskelt e. m. a.
Muistses Egiptuses oli raual kultuslik ja juveliirne tähtsus. Vanim leid on aastast 3500 e.m.a. pärinev meteoriitrauast helmes. Teisest aastatuhandest e. m. a. pärinevad mitmed amuletid. Kivide töötlemiseks kasutati rauast tööriistu. Kaua aega peeti rauda väärismetalliks. Ajaloos oli ajajärke, mil rauda hinnati kullast kallimaks. Assüüria turuplatsidelt leiti tahvlid, millelt selgus, et rauda peeti hõbedast 40 korda ja kullast 5 korda kallimaks. Aafrika hõimude naistel oli tavaks ennast raudvõrudega ehtida.
Muistne raua sulatamine Raua saamine oli muiste ränkraske ja keerukas töö. Kõigepealt maagi hankimine, siis peenestamine ja puhastamine. Seejärel puusöe tegemine. Savist kolde vormimine . Sulatamine- redutseerimine lõõtsade pideva töö ja tule valvamisega. Kolde lammutamine , raua kogumine. Hilisem raua kuumutamine ja tihendamine .
Esiisade kolletes saadi puusöega temperatuur mõnisada kraadi, mis andis nn. käsnaraua. Hiljem kuumutati ja taoti seda tihedamaks.
Kui võrrelda muistset rauasulatus-redutseerimiskollet tänapäeva kõrgahjuga, siis üldjoontes on nad vägagi sarnased (joonis1). Maagiks oli vanasti soomaak. Puusüsi reageeris õhuhapnikuga ja põledes andis koldes kuumust. Koldesse tehti tuult lõõtsade abil. Süsi võttis osa ka raua redutseerimise keemilisest protsessist. Süsihappegaas, läbides puusöe, andis vingugaasi, mis kulus raua redutseerimiseks. Muistsed rauasulatajad said ferriiti, mis oli pehme ja plastiline. Koos rauaga redutseerusid maagis olevad lisandid - väävli, fosfori ja teiste elementide ühendid. Redutseerunud väävel ja fosfor halvendasid aga oluliselt raua kvaliteeti. Vanasti töödeldud raud jäi arvatavasti lisandite tõttu rabedaks. Räbustite ülesandeks oli kõrvaldada maakides leiduvad mehaanilised lisandid (liiv, savi) ning põletamisel tekkiv tuhk . Vanasti kasutati selleks lubjakivi . Lagunemisel moodustas see kaltsiumoksiidi, mis andis aherainega kergesti sulava ühendi - räbu e. šlaki. Maagist redutseeritud raud vajus põletuskolde põhja. Et rauda kätte saada, tuli kolle lammutada. Ka kolde seinteks olev savi võttis osa raua redutseerimisest. Lubjarikka savi kuumutamisel 700 - 9000C temperatuuril eraldusid sellest karbonaadid ning keraamikamassi jäid kaustiline magnesiit ja kustutamata lubi . Nõnda võis ahju materjal täita üksiti ka räbusti osa.
Tööstusliku revolutsiooni kaks etappi
I etapp
Juba 1760 .-1780. aastatel algas Inglismaal üleminek manufaktuuridelt vabrikutööstusele, mis tähendas tööstuslikku revolutsiooni. Selle aluseks olid leiutised , mis võimaldasid asendada esemete käsitsi valmistamise nende tootmisega masinate abil. Vabrikutööstuse juhtivaks haruks esimesel arenguetapil oli puuvillase riide tootmine.
Raua ja rauasulamite tootmine
Metallurgia arengus oli murrangulise tähtsusega puusöe asendamine kivisöega. Masinatööstuse jõuallikaks sai aurumasin , mille leiutas Thomas Newcomen 1711.a., kuid täiustas James Watt.
Rauda toodeti rauamaagist erilistes suurtes ahjudes, mida nimetati kõrgahjudeks. Kõrgahjus toimus raudoksiidi redutseerimine süsinikoksiidi abil. Kõrgahjus tekkinud raud reageeris osaliselt süsinikoksiidi, süsiniku ja teiste ainetega (räni, väävel). Seetõttu kõrgahjus ei saadud puhast rauda, vaid sulamit, mida nimetati malmiks . Malm sisaldas 1,7-5% süsinikku ja veel teisi lisandeid. Teras sisaldab süsinikku alla 1,7%. Valumalm oli küllalt hea raudteerööbaste, tugipostide, rataste ja silla kandetalade tegemiseks. Ometi ei kõlvanud see täppistööriistade või masinate töösõlmede tarvis. Selleks vajati kõva elastset terast. Kõva elastne teras oli tuntud juba neljandal aastatuhandel e.m.a., kuid alles 1722 . aastal lahendas prantslane Rene` de Reamure´ selle mõistatuse, muutes kõva terase elastseks süsiniku lisamise teel.
Abraham Darby kasutas oma tõmbega rauasulatusahjudes (kõrgahjudes) puusöe asemel hoopis koksi . Õhu juurdevoolu ahjule tagas James Watt aurumasin ja tänu sellele oli temperatuur Darby sulatusahjus palju kõrgem. Henry Cort patenteeris 1783.a. profiilterase valtsimise ja 1784 a. pudeldamiseks nimetatava terasetootmismenetluse. See meetod muutis esialgse toorraua hästitöödeldavaks separauaks. Viimane oli palju paremini painutatav ega murdunud surve all nii kergesti. Masinatootmise esimene arenguetapp soikus mitmeks aastaks Suure Prantsuse revolutsiooni ja Napoleoni sõdade tõttu.
II etapp
Aastad 1820-1830 tähistavad industrialismi teise etapi algust ja selle levimist mitmetesse Euroopa riikidesse ning teistesse maailmajagudesse ( kolooniatesse). Neis paigus leidus rasketööstusele olulist rauamaaki.
19. sajandi uuenduseks oli nafta ja sellest toodetud bensiin ja petrooleum , mille kasutuselevõttu võimaldasid järjekordsed leiutised. 1814.a. katsetati inglase George Stephensoni ehitatud auruvedurit ja maailma esimene raudteeliin alustas tööd 1825.a. Inglismaal. Ellingutelt lasti vette esimene raudlaev, mis hakkas liikuma aurumasina jõul. 1884.a. ehitas Saksa leiutaja Gottlieb Daimler kerge bensiinimootori , mis sobis autole ja esimene auto valmiski järgmisel aastal.
Suureks uuenduseks 19. sajandil oli terase suurtööstuslik tootmine. 1856 . aastal patenteeris Henry Bessemer sulamalmist terase tootmise konvertermenetluse ehk bessemerprotsessi, mis on eriliste muudatusteta kasutusel olnud viimase ajani.

Henry Bessemer

Sir Henry Bessemer ( 1813 – 1898)
sündis ja elas Charltonis, Hertfordshire maakonnas Inglismaal. Iseõppinud inglise insener ja leidur Henry Bessemer sai jõukaks, kui leiutas nn kuldvärvis kasutatava pronksipuudri valmistamise tehnoloogia . Tema enam kui sajast leiutisest, nt nõelstants, söepliiats ja tsentrifugaalpump , on kuulsaim sulamalmist terase tootmise konvertermenetlus ehk bessemerprotsess, mis suurendas tootlikkust määratult.
Bessemerprotsessi olemus Bessemerprotsess oli esimene tööstuslik protsess sulamalmist terase tootmiseks. 1856.aastal põhjendas Henry Bessemer süsiniku osatähtsust terases. Oma pöördsulatusanumates, nn. Bessemeri konverterites eraldas ta separauast süsiniku kuuma õhu tõmbe varal . Õhk juhiti konverterisse selle põhjas olevate puhumisavade (furmide) kaudu. Õhuhapnik oksüdeeris malmi lisandid (mangaan ja räni), eralduva soojuse toimel tõusis sulametalli temperatuur 16000 C. Seejärel oksüdeerus ka süsinik. Bessemerprotsess kulges väga intensiivselt ja kestis ainult 10-12 minutit.
Joonis 1.Raua sulatamine muiste ja tänapäeval Joonis 2. Raua tootmine kõrgahjudes
Kõrgahi (joonis2) on terassilinder, mis on vooderdatud kuumakindlate tellistega. Ahjusid jahutatakse ülekuumenemise vältimiseks ka veega. Sularaud lastakse ahjust välja iga paari tunni järel. Mõned kõrgahjud suudavad toota kuni 3000 tonni rauda päevas.
Joonis3 . Bessemeri konverter
Bessemeri konverter on ülalt avatud sulatusahi, mis meenutab veidi muna. See võib olla vooderdatud kuumakindlate tellistega (šamott-tellistega). Et sulametallile saaks lupja lisada, kallutatakse konverter ühele küljele. Pärast lubja lisamist pööratakse ahi jälle otseks ja puhutakse sinna altpoolt suruõhku. Nii põletatakse rauast välja mittevajalikud lisandid.
1859 aastal rajas Bessemer terasetööstuse Shefieldis ja alustas relvade ja raudteerööbaste tootmise. 1878. aastal ehitas William Siemens terase tootmiseks esimese elektrilise kaarleekahju. Nii Bessemeri kui ka Simensi meetodi juures sai kasutada ainult puhast rauamaaki. Sidney Gilchrist Thomas näitas, et puhastamata rauamaagi kasutamiseks tuleb sulatusahi vooderdada seest lubjaga. See kõrvaldas rauast fosforilisandid. Pärast selle meetodi leiutamist sai terasetootmine sisse õige hoo.
Kasutatud kirjandus

ENE 1, Tallinn 1985, 703 lk.

ENE 2, Tallinn 1987, 703 lk.

Interneti leheküljed

Michael Holt, Leiutised, Koolibri, Tallinn, 1996, 57 lk.

Tehnikaleksikon, Tallinn 1981, 655 lk.

Bessemer process, En.Wikipedia, last modified 21:25, 18 Jan 2004

The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition.2001.

7.Virtual Steal Works, Created by G. David Yaros [email protected] — Wednesday , 12 February 1997 -
6