Utvecklingen av stål kan spåras tillbaka 4000 år till början av järnåldern. Det visade sig vara hårdare och starkare än brons, som tidigare hade varit det mest utbredda använd metall började järn tränga undan brons i vapen och verktyg.
Under de följande tusen åren skulle dock kvaliteten på det producerade järnet bero lika mycket på den tillgängliga malmen som på tillverkningsmetoderna
På 1600-talet var järnets egenskaper väl förstått, men den ökande urbaniseringen i Europa krävde en mer mångsidig strukturell metall. Och på 1800-talet ökade mängden av järn som förbrukades av expanderande järnvägar gav metallurger det ekonomiska incitamentet att hitta en lösning på järns sprödhet och ineffektiva produktionsprocesser.
Men utan tvekan det mest genombrott i stålhistorien y kom 1856 när Henry Bessemer utvecklade ett effektivt sätt att använda syre för att minska kolhalten i järn: Den moderna stålindustrin föddes.
The Era of Iron
Vid mycket höga temperaturer börjar järn 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 användes mer allmänt i Europa under medeltiden, ökade produktionen av gjutjärn.
Tackjärn är smält järn som rinner ut ur masugnarna och kyls i huvudkanalen och angränsande formar. De stora, centrala och angränsande mindre tackorna liknade en sugga och diande smågrisar.
Gjutjärn är starkt men lider av sprödhet på grund av sin kolhalt, vilket gör det mindre än idealiskt för bearbetning och formning. När metallurger blev medvetna om att det höga kolinnehållet i järn var centralt för problemet med sprödhet, experimenterade de med nya metoder för att minska kolhalten för att göra järn mer bearbetbart.
I slutet av 1700-talet lärde sig järntillverkare hur man omvandlar gjutet tackjärn till ett smide med låg kolhalt med hjälp av pölugnar (utvecklade av Henry Cort 1784). Ugnarna värmde smält järn, som var tvungen att röras om av pölar med hjälp av långa, årformade verktyg, vilket lät syre kombineras med och långsamt avlägsna kol.
När kolhalten minskar, ökar järnets smältpunkt, så att massor av järn skulle agglomerera i ugnen. Dessa massor skulle avlägsnas och bearbetas med en smideshammare av pölen innan de rullades till plåtar eller skenor. År 1860 fanns det över 3000 pölugnar i Storbritannien, men processen förblev hindrad av dess arbets- och bränsleintensiva.
En av de tidigaste formerna av stål, blisterstål, började tillverkas i Tyskland och England på 1600-talet och tillverkades av öka kolhalten i smält tackjärn 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 kolet jämnare och resultatet, efter kylning, blev blisterstål. Den högre kolhalten gjorde blisterstål mycket mer användbar än tackjärn, vilket gjorde att det kunde pressas eller valsas.
Blisterstålproduktionen utvecklades på 1740-talet när den engelske klockmakaren Benjamin Huntsman försökte utveckla högkvalitativt stål för sin klocka fjädrar, fann att metallen kunde smältas i lerdeglar och förädlas med ett speciellt flussmedel för att avlägsna slagg som cementeringsprocessen lämnade efter sig. Resultatet blev en degel, eller gjutet stål. Men på grund av produktionskostnaden användes både blisterstål och gjutstål endast i specialtillämpningar.
Som ett resultat förblev gjutjärn tillverkat i pölugnar den primära strukturella metallen i industrialiseringen av Storbritannien under större delen av 1800-talet.
Bessemerprocessen och modern ståltillverkning
Järnvägarnas tillväxt under 1800-talet i både Europa och Amerika satte enorm press på järnindustrin, som fortfarande kämpade med ineffektiva produktionsprocesser. Stål var fortfarande oprövad 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 en päronformad behållare, kallad en 'omvandlare' där järn kunde värmas upp medan syre kunde blåses genom den smälta metallen. När syre passerade genom den smälta metallen skulle det reagera med kolet, frigöra koldioxid och producera ett renare järn.
Processen var snabb och billig, och avlägsnade kol och kisel från järn på några minuter men led av att vara för framgångsrik. För mycket kol avlägsnades och för mycket syre blev kvar i slutprodukten. Bessemer var i slutändan tvungen att betala tillbaka sina investerare tills han kunde hitta en metod för att öka kolhalten och ta bort det oönskade syret.
Ungefär samtidigt förvärvade den brittiske metallurgen Robert Mushet och började testa en förening av järn, kol och mangan, känd som spiegeleisen. Mangan var känt för att ta bort syre från smält järn och kolhalten i spegeleisen skulle, om den tillsattes i rätt mängd, ge lösningen på Bessemers problem. Bessemer började lägga till det i sin omvandlingsprocess med stor framgång.
Ett problem kvarstod. Bessemer hade misslyckats med att hitta ett sätt att ta bort fosfor, en skadlig förorening som gör stål sprött, från sin slutprodukt. Följaktligen fick endast fosforfri malm från Sverige och Wales användas.
År 1876 kom walesaren Sidney Gilchrist Thomas på lösningen genom att tillsätta en kemisk grundläggande flussmedel, kalksten, till Bessemerprocessen. Kalkstenen drog in fosfor från tackjärnet i slaggen, vilket gjorde att det oönskade elementet kunde avlägsnas.
Denna innovation innebar att äntligen järnmalm från var som helst i världen kan användas för att tillverka stål. Inte överraskande började stålproduktionskostnaderna minska avsevärt. Priserna för ståljärn sjönk med mer än 80 % mellan 1867 och 1884, som ett resultat av de nya ståltillverkningsteknikerna, vilket initierade tillväxten av världens stålindustri.
Det öppna Härdprocess
På 1860-talet förbättrade den tyske ingenjören Karl Wilhelm Siemens stålproduktionen ytterligare genom att han skapade processen med öppen härd. Den öppna härdprocessen producerade stål från tackjärn i stora grunda ugnar.
Processen som använder höga temperaturer för att bränna bort överskott av kol och andra föroreningar, förlitade sig på uppvärmda tegelkammare under härden. Regenerativa ugnar använde senare avgaser från ugnen för att upprätthålla höga temperaturer i tegelkamrarna nedanför.
Denna metod möjliggjorde produktion av mycket större kvantiteter (50-100 ton kunde produceras i en ugn), periodisk testning av det smälta stålet så att det kunde göras för att uppfylla särskilda specifikationer och användningen av stålskrot som råmaterial. Även om själva processen var mycket långsammare, år 1900, hade den öppna härdprocessen i första hand ersatt Bessemerprocessen.
Stålindustrins födelse
Revolutionen inom stålproduktion som gav billigare material av högre kvalitet, erkändes av många affärsmän på den tiden som en investeringsmöjlighet. Kapitalister i slutet av 1800-talet, inklusive Andrew Carnegie och Charles Schwab, investerade och tjänade miljoner (miljarder i fallet Carnegie) i stålindustrin. Carnegies US Steel Corporation, som grundades 1901, var det första företag som någonsin lanserats till ett värde av över en miljard dollar.
Ståltillverkning av elektrisk ljusbågsugn Strax efter sekelskiftet inträffade en annan utveckling som skulle få ett starkt inflytande på stålproduktionens utveckling. Paul Heroults elektriska ljusbågsugn (EAF) designades för att leda en elektrisk ström genom laddat material, vilket resulterar i exoterm oxidation och temperaturer upp till 3272
°
F (1800
°C), mer än tillräckligt för att värma stål produktion.
Används ursprungligen för specialstål, växte EAF i användning och, under andra världskriget, användes för tillverkning av stållegeringar. Den låga investeringskostnaden för att etablera EAF-bruk gjorde att de kunde konkurrera med de stora amerikanska tillverkarna som US Steel Corp. och Bethlehem Steel, särskilt i kolstål eller långa produkter.
Eftersom EAFs kan producera stål från 100 % skrot, eller kalljärn, foder, behövs mindre energi per produktionsenhet. Till skillnad från basala syrgashärdar kan verksamheten också stoppas och startas med en liten associerad kostnad. Av dessa skäl har produktionen via EAFs 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 basala syrgasanläggningar — utvecklingen av en metod för att separera syre från kväve i industriell skala på 1960-talet möjliggjorde stora framsteg i utvecklingen av basala syreugnar.
Grundläggande syrgasugnar blåser syre i stora mängder smält järn och stålskrot och kan fullborda en laddning mycket snabbare än metoder med öppen härd. Stora fartyg som rymmer upp till 350 ton järn kan slutföra omvandlingen till stål på mindre än en timme.
Kostnadseffektiviteten för syrgasståltillverkning gjorde fabriker med öppen härd okonkurrenskraftiga och efter tillkomsten av syrgasståltillverkning på 1960-talet började verksamheten med öppen härd att stängas. Den sista anläggningen med öppen härd i USA stängdes 1992 och Kina 2001.
