Die Stahlindustrie in der britischen industriellen Revolution

Die Stahlproduktion während der britischen industriellen Revolution wurde dank des Bessemer-Konverters, einer Art Hochofen, der unerwünschte Verunreinigungen aus Roheisen entfernte, billiger und zuverlässiger. Die überlegene Festigkeit und Haltbarkeit von Stahl gegenüber Eisen bedeutete, dass das Metall die bevorzugte Wahl von Bauingenieuren zum Bau von Brücken, Tunneln und Eisenbahnschienen wurde.

Sheffield wurde zu einem der wichtigsten Stahlzentren der Welt und war besonders bekannt für Messer und Besteck. Da Stahl eine Eisenlegierung mit 1-2 % Kohlenstoff ist, experimentierten Metallurgen mit dem Entfernen und Hinzufügen von Verunreinigungen im Hochofen, um verschiedene Stahlsorten mit besonderen Eigenschaften zu entwickeln, wie z. B. den sehr harten Wolframstahl, der noch heute für Metallbearbeitungswerkzeuge so nützlich ist .

Eisen gegen Stahl

Die Produktion von Qualitätseisen hat sich während der industriellen Revolution stark verbessert, vor allem dank der Verwendung von Koks als Brennstoff in den Öfen anstelle von traditioneller Holzkohle. Koks wird durch Verbrennen (oder vielleicht genauer gesagt: Backen) von Kohle in einem Ofen hergestellt, um so viele Verunreinigungen wie möglich zu entfernen, was wichtig ist, damit sich diese Verunreinigungen nicht mit dem geschmolzenen Metall im Ofen verbinden. Der erste funktionierende Hochofen, der Koks verwendete, wurde 1709 in Coalbrookdale in Shropshire, einem Werk von Abraham Darby (1678-1717), verwendet. Mit Koks betriebene Hochöfen hatten einen weiteren wichtigen Vorteil: Sie konnten viel höhere Temperaturen erreichen als mit Holzkohle beheizte. Hochwertiges Eisen wurde nun für alle Arten von Projekten verwendet, und Großbritannien stellte 1850 50 % der weltweiten Versorgung her. Es gab jedoch ein noch besseres Metall: Stahl.

Benjamin Huntsman, motiviert durch seine Suche nach starken, aber flexiblen Uhrfedern, war der Erste, der Tiegelstahl entwickelte.

Stahl ist Eisen weit überlegen in Festigkeit und Formbarkeit. Stahl ist außerdem leichter als Eisen und kann im Gegensatz zu Eisen, das spröder ist, unter Gewichtsdruck mit der Zeit stärker werden. Aufgrund dieser Vorteile war Stahl besonders nützlich für größere Projekte wie den Brückenbau und tragende Elemente wie Schienen. Beim Eisen-gegen-Stahl-Wettbewerb gab es jedoch einen großen Nachteil. Die Stahlherstellung war viel teurer als die Eisenherstellung, da sie nur in relativ kleinen Mengen durchgeführt werden konnte. Diese Situation änderte sich dank der Bemühungen des britischen Ingenieurs Henry Bessemer (1813-1898).

Der Bessemer-Konverter

Wie so oft bei bahnbrechenden Erfindungen in der industriellen Revolution basierte eine neue Idee auf einer Pyramide früherer Erfindungen und Entwicklungen verschiedener Innovatoren an verschiedenen Orten. Benjamin Huntsman (1704-1776), motiviert durch seine Suche nach starken, aber flexiblen Uhrenfedern, war der erste, der Tiegelstahl entwickelte, d. h. Stahl, der in geschlossenen Tonbehältern unter intensiver Hitze gereinigt wurde. Die Herstellung von Tiegelstahl war keineswegs ein neues Verfahren, aber Huntsman leistete zwischen 1740 und 1742 Pionierarbeit bei einer Methode, bei der Koks als Brennstoff verwendet wurde, sodass ein reinerer Stahl als je zuvor hergestellt werden konnte.

Ein weiterer Schritt nach vorne in der Stahlproduktion wurde 1827 von John Neilson gemacht (patentiert 1828), als er eine neue Technik zum Erhitzen der Luft vor dem Einleiten in einen Hochofen entwickelte, die als „Hot Blast“-Technik bekannt ist und die Hitze intensiviert innerhalb des Ofens. Höhere Ofentemperaturen bedeuteten, dass Metallarbeiter reinere Metalle herstellen konnten, aber es reduzierte auch den für den Ofen benötigten Brennstoff erheblich und senkte so die Kosten des von ihnen produzierten Metalls. Dennoch waren die in jedem Ofen hergestellten Stahlmengen nicht groß genug für den Bedarf der Schwerindustrie. Die Suche nach billigerem Stahl war ein typischer Fall von Innovation, die von Effizienz- und Kosteneffektivitätsüberlegungen getrieben wurde.

1856 wurde Henry Bessemer durch die Beteiligung Großbritanniens am Krimkrieg (1853-56) gegen Russland motiviert, mehr und besseren Stahl für Waffenhersteller, insbesondere Kanonen, zu entwickeln. Bessemer verbrachte mehrere Jahre und Zehntausende von Pfund für Forschung und Entwicklung, bis er einen neuen Hochofentyp perfektionierte, der später als Bessemer-Konverter bekannt wurde.

Der Bessemer-Konverter erhitzte Roheisen auf bis zu 1550-1600 Grad Celsius.

Der Konverter war im Wesentlichen ein riesiger Kolben aus Schamottesteinen mit einem Außengehäuse aus Stahl. Der Kolben drehte sich innerhalb eines Rahmens, so dass er horizontal gekippt werden konnte, um Eisenerz darin zu platzieren, vertikal für den Heizteil gestellt und dann wieder horizontal gekippt werden konnte, um das geschmolzene Metall zu entleeren. Der Bessemer-Konverter erhitzte Roheisen (das ist Eisen, das zu kohlenstoffreich ist, um von großem Wert zu sein) auf bis zu 1550 bis 1600 Grad Celsius (fast 3.000 Fahrenheit), wobei Kohlenstoff und andere Verunreinigungen wie Mangan, Phosphor und Silizium entfernt wurden, indem Luft untergepresst wurde Hochdruck in den Boden des Konverters und so durch das geschmolzene Metall im Inneren. Die Verunreinigungen bilden beim Einblasen von Luft Oxide, die als Schlacke abgeschieden werden und einen reinen und starken geschmolzenen Stahl zurücklassen. Einige Verunreinigungen erwiesen sich tatsächlich als vorteilhaft, je nachdem, wofür der Stahl bestimmt war; So wurde beispielsweise entdeckt, dass Mangan in geringen Mengen das Metall weniger spröde macht.

Der Konverterprozess erzeugt eine beeindruckende pyrotechnische Darstellung, wenn der Konverter aufrecht gekippt wird und Funken und Rauch aus der Öffnung oben fliegen (in späteren Versionen wurde die entweichende Wärme zurückgewonnen, um den darunter liegenden Ofen zu heizen, was weitere Energiekosten spart). Für das fachkundige Auge zeigt die Farbe der Funken, die der Konverter abgibt, an, dass der Raffinationsprozess abgeschlossen ist. Der Konverter wird dann wieder in eine horizontale Position geschwenkt, und der Stahl wird in Formen gegossen. Dieser abschließende Prozess wird als Gießen bezeichnet und muss sorgfältig durchgeführt werden, damit sich keine Luftblasen in den Stahlblöcken bilden, die das Metall schwächen würden.

Die größeren Bessemer-Konverter könnten in 20 bis 30 Minuten bis zu 30 Tonnen Stahl herstellen. Zuvor dauerte die Produktion von rund 5 Tonnen Stahl einen ganzen Arbeitstag. Stahl war damals ein Massenprodukt. Nach Bessemers Erfindung fielen die Stahlkosten von 50 £ pro Tonne auf nur noch 4 £ bis 1875. Bis 1880 produzierten britische Stahlwerke über 1,3 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr. Der Rohstoff Eisenerz stieg in der Produktion, um dem enormen Appetit der Verarbeiter gerecht zu werden. 1855 produzierte Großbritannien 9 Millionen Tonnen Eisenerz, aber bis 1875 war diese Zahl auf 15 Millionen Tonnen gestiegen. Eisenerz kam aus Großbritannien (insbesondere der Region Cumbria), Spanien, Schweden und Deutschland, um die Hochöfen Großbritanniens und vor allem das Herzstück der britischen Stahlindustrie in Sheffield zu speisen.

Sheffield Steel & Verwendungen

Sheffield in South Yorkshire wurde zu einem der größten Stahlproduzenten der Welt und verdiente sich den Spitznamen „Steel City“. 1770 gab es in Sheffield nur fünf Stahlwerke, aber 1856 war diese Zahl auf 135 gestiegen. Passenderweise zeigt das Stadtwappen (verliehen 1875) die Figur von Vulcan, dem römischen Gott der Metallurgie. Es war kein Zufall, dass sowohl Huntsman als auch Bessemer Sheffield für ihre Gießereien und Stahlwerke wählten. Sheffield war gut mit schnell fließenden Flüssen versorgt, die über Wasserräder Strom lieferten, wichtig als Energiequelle für die Bälge, die die notwendigen hohen Temperaturen in den Öfen erhöhten. Ein weiterer Vorteil des Sheffield-Gebiets war das Vorhandensein von Mühlsteinkörnern, aus denen kreisförmige Schleifsteine ​​​​hergestellt werden konnten, um den Stahl zu formen, zu schleifen und, falls erforderlich, zu schärfen.

Sheffield wurde weltberühmt für seinen Stahl und insbesondere für sein Besteck und seine Nadeln. Messer und jedes Werkzeug mit Schneide, wie Sensen, waren weitere Spezialitäten. Besserer Stahl war besonders nützlich in der Medizin, wo er zur Herstellung von chirurgischen Instrumenten verwendet wurde. Die Flexibilität von Stahl machte ihn ideal für die Herstellung von Federn aller Größen. Weitere erfolgreiche Stahlprodukte waren schwere landwirtschaftliche Maschinen und Eisenbahnschienen für Großbritannien, die Vereinigten Staaten und viele andere Länder auf der ganzen Welt. Die Zahlen sind erstaunlich. Allein zwischen 1865 und 1874 exportierte Sheffield über 280.000 km Schienen in die USA. Viele dieser größeren Projekte wurden durch die Erfindung des Dampfhammers im Jahr 1839 durch den Schotten James Nasmyth ermöglicht. Der Dampfhammer nutzte die Dampfkraft, um riesige Metallstücke, einschließlich Stahl, präzise zu schmieden und zu biegen.

Die Stahlindustrie brachte Arbeitsplätze und Geld, aber die Auswirkungen auf die Umwelt waren dramatisch. Der bekannte Journalist und Politiker William Cobbett reiste 1830 von London nach Sheffield, als die Stahlindustrie noch in den Kinderschuhen steckte, und er gab die folgende Beschreibung seiner Erfahrung:

Auf dem ganzen Weg von Leeds bis Sheffield ist es Kohle und Eisen und Eisen und Kohle. Es war dunkel, bevor wir Sheffield erreichten; so dass wir die eisernen Hochöfen in all der schrecklichen Pracht ihres ewigen Glanzes sahen. Nichts kann großartiger oder schrecklicher gedacht werden als die gelben Feuerwellen, die unaufhörlich von der Spitze dieser Öfen ausgehen … Sie nennen es schwarzes Sheffield, und schwarz genug ist es; aber aus dieser einen Stadt und ihrer Umgebung stammen neun Zehntel der Messer, die auf der ganzen Welt gebraucht werden. (Dugan, 66-7)

Mushet & Wolframstahl

Stahl entwickelte sich weiter. Der britische Metallurg Robert Forester Mushet (1811-1891) stellte 1868 Wolframstahl her. Wie Bessemer experimentierte Mushet mit dem Grad und der Art der Verunreinigungen in Ofeneisen. Anstatt wie andere Metallurgen mit der Entfernung bestimmter Mengen an Verunreinigungen zu kämpfen, hatte Mushet die einfache Idee, alle Verunreinigungen aus dem Eisenerz zu entfernen und dann bestimmte Mengen der gewünschten Verunreinigungen wieder einzuführen. Auf diese Weise entdeckte Mushet, dass ein bestimmter Prozentsatz an Wolfram die Festigkeit und Haltbarkeit des Stahls stark erhöhte. Der Nachteil war, dass Wolfram nicht so formbar war wie andere Stahlsorten, aber dies war weniger bedeutsam angesichts der Hauptverwendung von Wolframstahl – was auch heute noch der Fall ist – wo kleinere Mengen an strapazierfähigem Metall für Bohrer und Schneiden verwendet werden Klingen und andere Metallbearbeitungswerkzeuge. Eine weitere Qualität von Wolfram ist, dass es extrem hitzebeständig ist, was es zum Material der Wahl für den Einsatz in Glühlampen macht. Stahl in all seinen Formen blieb bis tief ins 20. Jahrhundert der König der Baumetalle, bis er durch neue, leichtere, aber noch stärkere Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe und Kohlenstofffasern herausgefordert wurde.