Utviklingen av stål kan spores 4000 år tilbake til begynnelsen av jernalderen. Å vise seg å være hardere og sterkere enn bronse, som tidligere hadde vært det mest brukte metallet, jern begynte å fortrenge bronse i våpen og verktøy.
I de neste få tusen årene vil imidlertid kvaliteten på produsert jern være like mye avhengig av tilgjengelig malm som av produksjonsmetodene.
På 1600-tallet ble jernens egenskaper godt forstått, men økende urbanisering i Europa krevde et mer allsidig strukturelt metall. Og på 1800-tallet ble jernmengden brukt av utvidede jernbaner metallurger med økonomisk insentiv til å finne en løsning på jernets sprøhet og ineffektive produksjonsprosesser.
Utvilsomt kom imidlertid det største gjennombruddet i stålhistorien i 1856 da Henry Bessemer utviklet seg en effektiv måte å bruke oksygen for å redusere karboninnholdet i jern: Den moderne stålindustrien var Født.
Jernalderen
Ved veldig høye temperaturer begynner jern å absorbere karbon, noe som senker smeltepunktet til metallet, noe som resulterer i støpejern (2,5 til 4,5% karbon). Utviklingen av masovner, som først ble brukt av kineserne i det 6. århundre f.Kr., men mer brukt i Europa i middelalderen, økte produksjonen av støpejern.
Grisejern er smeltet jern som løper ut av masovnene og avkjøles i hovedkanalen og tilstøtende former. De store, sentrale og tilstøtende mindre ingots lignet en purke og diende smågris.
Støpejern er sterkt, men lider av sprøhet på grunn av karboninnholdet, noe som gjør det mindre enn ideelt for arbeid og forming. Da metallurgene ble klar over at det høye karboninnholdet i jern var sentralt i problemet med sprøhet eksperimenterte de med nye metoder for å redusere karboninnholdet for å gjøre jern mer brukbar.
På slutten av 1700-tallet lærte jernprodusenter hvordan man kan forvandle støpejern til smijerns med lavt karboninnhold ved hjelp av peleovner (utviklet av Henry Cort i 1784). Ovnene oppvarmet smeltet jern, som måtte røres av pytter ved hjelp av lange, åreformede verktøy, slik at oksygen kunne kombineres med og sakte fjerne karbon.
Når karboninnholdet synker, øker smeltepunktet til jern, slik at massene av jern vil samle seg i ovnen. Disse massene ville bli fjernet og jobbet med en smiehammer av pytten før de ble rullet inn i ark eller skinner. I 1860 var det over 3000 puddingovner i Storbritannia, men prosessen forble hindret av arbeidskraft og drivstoffintensitet.
En av de tidligste stålformene, blisterstål, begynte produksjonen i Tyskland og England på 17 århundre og ble produsert ved å øke karboninnholdet i smeltet råjern ved hjelp av en prosess kjent som sementering. I denne prosessen ble stenger av smijern lagdelt med pulverisert kull i steinkasser og oppvarmet.
Etter omtrent en uke ville jernet absorbere karbon i kullet. Gjentatt oppvarming vil fordele karbon jevnere og resultatet, etter avkjøling, var blisterstål. Det høyere karboninnholdet gjorde blisterstål mye mer brukbart enn råjern, slik at det kunne presses eller rulles.
Produksjon av blisterstål avanserte på 1740-tallet da den engelske urmakeren Benjamin Huntsman mens han prøvde å utvikle høykvalitetsstål til klokken. fjærer, fant at metallet kunne smeltes i leiredigler og raffineres med en spesiell flyt for å fjerne slagg som sementeringsprosessen etterlot bak. Resultatet var en digel eller støpt stål. Men på grunn av produksjonskostnadene ble både blister og støpt stål bare brukt i spesialapplikasjoner.
Som et resultat forble støpejern laget i peleovner det viktigste strukturelle metallet i å industrialisere Storbritannia i det meste av 1800-tallet.
Bessemer-prosessen og moderne stålproduksjon
Veksten av jernbaner i løpet av 1800-tallet i både Europa og Amerika la enormt press på jernindustrien, som fortsatt slet med ineffektive produksjonsprosesser. Stål var fremdeles uprøvd som et strukturelt metall, og produksjonen av produktet var treg og kostbar. Det var til 1856 da Henry Bessemer kom på en mer effektiv måte å introdusere oksygen i smeltet jern for å redusere karboninnholdet.
Nå kjent som Bessemer-prosessen, designet Bessemer en pæreformet beholder, referert til som en "omformer" der jern kunne varmes opp mens oksygen kunne blåses gjennom det smeltede metallet. Når oksygen passerte gjennom det smeltede metallet, ville det reagere med karbonet, frigjøre karbondioksid og produsere et mer rent jern.
Prosessen var rask og billig, og fjernet karbon og silisium fra jern i løpet av få minutter, men led av å være for vellykket. For mye karbon ble fjernet, og for mye oksygen var igjen i sluttproduktet. Bessemer måtte til slutt betale tilbake investorene sine til han kunne finne en metode for å øke karboninnholdet og fjerne det uønskede oksygenet.
Omtrent samtidig kjøpte og begynte den britiske metallurg Robert Mushet å teste en forbindelse av jern, karbon og mangan, kjent som spiegeleisen. Mangan var kjent for å fjerne oksygen fra smeltet jern, og karboninnholdet i spiegeleisen, hvis det ble tilsatt i riktige mengder, ville gi løsningen på Bessemers problemer. Bessemer begynte å legge den til sin konverteringsprosess med stor suksess.
Ett problem var igjen. Bessemer hadde ikke klart å finne en måte å fjerne fosfor, en skadelig urenhet som gjør stål sprøtt, fra sluttproduktet. Følgelig kunne bare fosforfri malm fra Sverige og Wales brukes.
I 1876 kom walisiske Sidney Gilchrist Thomas opp på løsningen ved å legge til en kjemisk grunnleggende fluss, kalkstein, til Bessemer-prosessen. Kalksteinen trakk fosfor fra grisejernet inn i slaggen, slik at det uønskede elementet kan fjernes.
Denne innovasjonen betydde at til slutt jernmalm fra hvor som helst i verden kunne brukes til å lage stål. Ikke overraskende begynte produksjonskostnadene for stål å synke betydelig. Prisene på stålskinner falt med mer enn 80% mellom 1867 og 1884, som et resultat av de nye stålproduserende teknikkene, som startet veksten i verdens stålindustri.
Åpen ildsprosess
På 1860-tallet forbedret den tyske ingeniøren Karl Wilhelm Siemens stålproduksjonen ytterligere gjennom sin opprettelse av åpen ildstedsprosessen. Åpenhärdsprosessen produserte stål fra råjern i store grunne ovner.
Prosessen, ved bruk av høye temperaturer for å forbrenne overflødig karbon og andre urenheter, stod på oppvarmede mursteinskamre under ildstedet. Regenerative ovner brukte senere eksosgasser fra ovnen for å opprettholde høye temperaturer i mursteinene nedenfor.
Denne metoden tillot produksjon av mye større mengder (50-100 tonn kunne produseres i en ovn), periodisk testing av smeltet stål slik at det kan fås til å oppfylle bestemte spesifikasjoner og bruk av skrapstål som råstoff materiale. Selv om prosessen i seg selv var mye tregere, hadde 1900-prosessen først og fremst erstattet Bessemer-prosessen.
Stålindustriens fødsel
Revolusjonen i stålproduksjon som ga billigere materiale av høyere kvalitet, ble anerkjent av mange forretningsmenn i dag som en investeringsmulighet. Kapitalister på slutten av 1800-tallet, inkludert Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerte og tjente millioner (milliarder i tilfellet Carnegie) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, grunnlagt i 1901, var det første selskapet som noensinne ble lansert til en verdi av over en milliard dollar.
Elektrisk lysbueovn
Like etter århundreskiftet skjedde en annen utvikling som ville ha en sterk innflytelse på utviklingen av stålproduksjon. Paul Heroults lysbueovn (EAF) ble designet for å føre en elektrisk strøm gjennom ladet materiale, noe som resulterte i eksoterm oksidasjon og temperaturer opp til 3272°F (1800°C), mer enn tilstrekkelig til oppvarming av stålproduksjon.
Opprinnelig brukt til spesialstål, vokste EAF-er i bruk og ble brukt under andre verdenskrig for produksjon av stållegeringer. De lave investeringskostnadene som ble involvert i å etablere EAF-fabrikker, gjorde at de kunne konkurrere med de store amerikanske produsentene som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, spesielt i karbonstål, eller lange produkter.
Fordi EAF-er kan produsere stål fra 100% skrap, eller kaldt jernholdig, fôr, er det nødvendig med mindre energi per produksjonsenhet. I motsetning til grunnleggende oksygenhjerter, kan operasjoner også stoppes og startes med en litt forbundet kostnad. Av disse grunner har produksjonen via EAF økt jevnt og trutt i over 50 år og utgjør nå om lag 33% av den globale stålproduksjonen.
Oksygen stålproduksjon
Flertallet av den globale stålproduksjonen, ca 66%, produseres nå i grunnleggende oksygenanlegg - utvikling av en metode for å separat oksygen fra nitrogen i industriell skala på 1960-tallet tillot store fremskritt i utviklingen av grunnleggende oksygen ovner.
Grunnleggende oksygenovner blåser oksygen i store mengder smeltet jern og skrapstål og kan fullføre en ladning mye raskere enn metoder med åpen ild. Store fartøy med opptil 350 tonn jern kan fullføre konvertering til stål på mindre enn en time.
Kostnadseffektiviteten ved oksygenstålproduksjon gjorde at fabrikker med åpen ildsted ikke var konkurransedyktige, og etter ankomsten av oksygenstålproduksjon på 1960-tallet begynte driften av åpen ildsted å stenge. Det siste anlegget med åpen ildsted i USA ble stengt i 1992 og Kina i 2001.