Utvecklingen av stål kan spåras tillbaka 4000 år till början av järnåldern. Att visa sig vara hårdare och starkare än brons, som tidigare hade varit den mest använda metallen, järn började förskjuta brons i vapen och verktyg.
Under de närmaste några tusen åren skulle dock kvaliteten på det producerade järnet bero lika mycket på den tillgängliga malmen som på produktionsmetoderna.
På 1600-talet förstods järnets egenskaper, men den ökande urbaniseringen i Europa krävde en mer mångsidig strukturell metall. Och på 1800-talet förbrukades mängden järn genom expanderande järnvägar metallurger med det ekonomiska incitamentet att hitta en lösning på järns sprödhet och ineffektiva produktionsprocesser.
Utan tvekan kom dock det mest genombrottet i stålhistoria 1856 när Henry Bessemer utvecklades ett effektivt sätt att använda syre för att minska kolhalten i järn: Den moderna stålindustrin var född.
Järntiden
Vid mycket höga temperaturer börjar järn att absorbera kol, vilket sänker metallens smältpunkt, vilket resulterar i gjutjärn (2,5 till 4,5% kol). Utvecklingen av masugnar, som först användes av kineserna på 600-talet f.Kr. men som i större utsträckning användes i Europa under medeltiden, ökade produktionen av gjutjärn.
Grisjärn är smält järn som rinner ut ur masugnarna och kyls i huvudkanalen och angränsande formar. De stora, centrala och angränsande mindre götarna liknade en sugga och suggrisar.
Gjutjärn är starkt men lider av sprödhet på grund av sitt kolinnehåll, vilket gör det mindre än idealiskt för arbete och formning. När metallurgerna blev medvetna om att den höga kolhalten i järn var central för problemet med sprödhet experimenterade de med nya metoder för att minska kolhalten för att göra järn mer genomförbar.
I slutet av 1700-talet lärde sig järntillverkare hur man omvandlar gjutjärn till smidesjärn med låg kolhalt med hjälp av pölugnar (utvecklad av Henry Cort 1784). Ugnarna värmde smält järn, som måste omröras av pölar med långa årformade verktyg, så att syre kan kombineras med och långsamt avlägsna kol.
När kolhalten minskar ökar järns smältpunkt, så massor av järn skulle agglomerera i ugnen. Dessa massor skulle avlägsnas och arbetas med en smideshammare av pytten innan de rullades in i lakan eller skenor. 1860 fanns det över 3000 puddelugnar i Storbritannien, men processen förblev hindrad av dess arbetskraft och bränsleintensitet.
En av de tidigaste formerna av stål, blisterstål, började tillverkas i Tyskland och England på 17: e århundradet och framställdes genom att öka kolhalten i smält grisjärn med en process som kallas cementering. I denna process skiktades stänger av smidesjärn med pulveriserat kol i stenlådor och värmdes upp.
Efter ungefär en vecka skulle järnet absorbera kolet i kolet. Upprepad uppvärmning skulle fördela kol jämnare och resultatet, efter kylning, var blisterstål. Den högre kolhalten gjorde blisterstål mycket mer användbar än svinjärn, vilket gör att den kan pressas eller rullas.
Produktion av blåsstål avancerade på 1740-talet när den engelska klocktillverkaren Benjamin Huntsman försökte utveckla högkvalitativt stål för sin klocka fjädrar, fann att metallen kunde smälta i lera deglar och raffineras med ett speciellt flöde för att avlägsna slagg som cementeringsprocessen lämnade Bakom. Resultatet var en degel eller gjuten stål. Men på grund av produktionskostnaderna användes både blister och gjutstål bara i specialtillämpningar.
Som ett resultat förblev gjutjärn tillverkat i pölugnar den primära strukturmetallen för att industrialisera Storbritannien under större delen av 1800-talet.
Bessemer-processen och modern ståltillverkning
Tillväxten av järnvägar under 1800-talet i både Europa och Amerika satte enormt press på järnindustrin, som fortfarande kämpade med ineffektiva produktionsprocesser. Stål var fortfarande obevisat som en strukturell metall och produktionen av produkten var långsam och kostsam. Det var fram till 1856 när Henry Bessemer kom på ett mer effektivt sätt att införa syre i smält järn för att minska kolhalten.
Nu känd som Bessemer-processen, designade Bessemer ett päronformat kärl, kallat en "omvandlare" där järn kunde värmas medan syre kunde blåses genom den smälta metallen. När syre passerade genom den smälta metallen skulle den reagera med kolet, frigöra koldioxid och producera ett mer rent järn.
Processen var snabb och billig, avlägsnade kol och kisel från järn på några minuter men led av att vara för framgångsrik. För mycket kol avlägsnades och för mycket syre kvar i slutprodukten. Bessemer var slutligen tvungen att betala tillbaka sina investerare tills han kunde hitta en metod för att öka kolhalten och ta bort det oönskade syret.
Vid ungefär samma tid förvärvade brittisk metallurg Robert Mushet och började testa en förening av järn, kol och mangan, känd som spiegeleisen. Det var känt att mangan avlägsnade syre från smält järn och kolinnehållet i spiegeleisen, om det tillsattes i rätt kvantiteter, skulle ge lösningen på Bessemers problem. Bessemer började lägga till den i sin omvandlingsprocess med stor framgång.
Ett problem kvarstod. Bessemer hade inte lyckats hitta ett sätt att avlägsna fosfor, en skadlig förorening som gör stål sprött från hans slutprodukt. Följaktligen kunde endast fosforfri malm från Sverige och Wales användas.
1876 kom den walesiska Sidney Gilchrist Thomas fram till lösningen genom att lägga till ett kemiskt grundläggande flöde, kalksten, till Bessemer-processen. Kalkstenen drog fosfor från grisjärnet in i slaggen, så att det oönskade elementet kunde tas bort.
Denna innovation innebar att slutligen järnmalm från var som helst i världen kunde användas för att tillverka stål. Inte överraskande började stålproduktionskostnaderna minska avsevärt. Priserna på stålskenor sjönk mer än 80% mellan 1867 och 1884 till följd av de nya stålproducerande teknikerna, vilket initierade tillväxten i världens stålindustri.
Processen med öppen härd
På 1860-talet förbättrade den tyska ingenjören Karl Wilhelm Siemens stålproduktionen ytterligare genom att skapa en öppenhärdsprocess. I den öppna härdprocessen framställdes stål från svinjärn i stora grunda ugnar.
Processen, med höga temperaturer för att bränna bort överflödigt kol och andra föroreningar, förlitade sig på uppvärmda tegelkamrar under härden. Regenerativa ugnar använde senare avgaser från ugnen för att upprätthålla höga temperaturer i tegelkamrarna nedan.
Denna metod möjliggjorde produktion av mycket större kvantiteter (50-100 ton kunde produceras i en ugn), periodiskt testning av det smälta stålet så att det kunde göras för att uppfylla särskilda specifikationer och användningen av skrotstål som rå material. Även om själva processen var mycket långsammare, hade 1900-processen i första hand ersatt Bessemer-processen.
Stålindustrins födelse
Revolutionen inom stålproduktion som gav billigare material av högre kvalitet erkändes av dagens många affärsmän som en investeringsmöjlighet. Kapitalister från slutet av 1800-talet, inklusive Andrew Carnegie och Charles Schwab, investerade och tjänade miljoner (miljarder i fallet Carnegie) i stålindustrin. Carnegies US Steel Corporation, grundat 1901, var det första företag som någonsin lanserades till ett värde av över en miljard dollar.
Elektrisk bågugnsståltillverkning
Strax efter sekelskiftet inträffade en annan utveckling som skulle ha ett starkt inflytande på stålproduktionens utveckling. Paul Heroults ljusbågsugn (EAF) var utformad för att leda en elektrisk ström genom laddat material, vilket resulterade i exoterm oxidation och temperaturer upp till 3272°F (1800°C), mer än tillräckligt för att värma stålproduktionen.
Ursprungligen användes för specialstål, EAF växte i användning och användes vid andra världskriget för tillverkning av stållegeringar. Den låga investeringskostnaden för att etablera EAF-fabriker gjorde det möjligt för dem att konkurrera med de stora amerikanska tillverkarna som US Steel Corp. och Bethlehem Steel, särskilt i kolstål eller långa produkter.
Eftersom EAF kan producera stål från 100% skrot eller kallt järnhaltigt foder behövs mindre energi per produktionsenhet. Till skillnad från grundläggande syrgashärdar kan operationer också avbrytas och startas med en låg tillhörande kostnad. Av dessa skäl har produktionen via EAF ökat stadigt i över 50 år och står nu för cirka 33% av den globala stålproduktionen.
Syreståltillverkning
Majoriteten av den globala stålproduktionen, cirka 66%, produceras nu i grundläggande syreanläggningar - utvecklingen av en metod för att separat syre från kväve i industriell skala på 1960-talet möjliggjorde stora framsteg i utvecklingen av basiskt syre ugnar.
Grundläggande syreugnar blåser syre i stora mängder smält järn och skrotstål och kan slutföra en laddning mycket snabbare än metoder med öppen eld. Stora fartyg som rymmer upp till 350 ton järn kan slutföra omvandlingen till stål på mindre än en timme.
Kostnadseffektiviteten för syreståltillverkning gjorde att fabriker med öppen eld inte var konkurrenskraftiga, och efter tillkomsten av syreståltillverkning på 1960-talet började öppenhärdsverksamhet stängas. Den sista anläggningen med öppen spis i USA stängdes 1992 och Kina 2001.