Udviklingen af stål kan spores 4000 år tilbage til begyndelsen af jernalderen. Beviser at være hårdere og stærkere end bronze, som tidligere havde været det mest anvendte metal, jern begyndte at fortrænge bronze i våben og redskaber.
I de følgende par tusinde år vil kvaliteten af det producerede jern imidlertid afhænge lige så meget af den tilgængelige malm som af produktionsmetoderne.
I det 17. århundrede blev jernens egenskaber forstået godt, men stigende urbanisering i Europa krævede et mere alsidigt strukturelt metal. Og i det 19. århundrede blev mængden af jern forbrugt af udvidede jernbaner metallurger med det økonomiske incitament til at finde en løsning på jernets skørhed og ineffektive produktionsprocesser.
Uden tvivl kom dog det mest gennembrud i stålhistorien i 1856, da Henry Bessemer udviklede sig en effektiv måde at bruge ilt til at reducere kulstofindholdet i jern: Den moderne stålindustri var Født.
Jernalderen
Ved meget høje temperaturer begynder jern at absorbere kulstof, hvilket sænker metalets smeltepunkt, hvilket resulterer i støbejern (2,5 til 4,5% kulstof). Udviklingen af højovne, der først blev brugt af kineserne i det 6. århundrede f.Kr., men mere brugt i Europa i middelalderen, øgede produktionen af støbejern.
Grisejern er smeltet jern, der løber tør for højovnene og afkøles i hovedkanalen og tilstødende forme. De store, centrale og tilstødende mindre ingots lignede en sø og diende smågrise.
Støbejern er stærkt, men lider af sprødhed på grund af dets kulstofindhold, hvilket gør det mindre end ideelt til arbejde og formning. Da metallurgister blev opmærksomme på, at det høje kulstofindhold i jern var centralt for problemet med sprødhed eksperimenterede de med nye metoder til at reducere kulstofindholdet for at gøre jern mere gennemførlig.
Ved slutningen af det 18. århundrede lærte jernproducenter, hvordan man omdanner støbejern til smedejern med lavt kulstofindhold ved hjælp af pandeovne (udviklet af Henry Cort i 1784). Ovnene opvarmede smeltet jern, som måtte omrøres af vandpytter ved hjælp af lange, åreformede værktøjer, så ilt kunne kombineres med og langsomt fjerne kulstof.
Når kulstofindholdet falder, stiger jernets smeltepunkt, så masser af jern vil agglomerere i ovnen. Disse masser ville blive fjernet og arbejdet med en smedehammer af vandpytten, før de blev rullet i ark eller skinner. I 1860 var der over 3000 puddleovne i Storbritannien, men processen forblev forhindret af dets arbejdskraft og brændstofintensitet.
En af de tidligste former for stål, blisterstål, begyndte produktionen i Tyskland og England i det 17. århundrede og blev produceret ved at øge kulstofindholdet i smeltet råjern ved hjælp af en proces kendt som cementering. I denne proces blev stænger af smedejern lagdelt med pulveriseret kul i stenkasser og opvarmet.
Efter cirka en uge absorberede jernet kulstof i trækulet. Gentagen opvarmning ville fordele kulstof mere jævnt, og resultatet efter afkøling var blisterstål. Det højere kulstofindhold gjorde blisterstål meget mere brugbart end råjern, så det kunne presses eller rulles.
Produktion af blisterstål avancerede i 1740'erne, da den engelske urmager Benjamin Huntsman, mens han forsøgte at udvikle stål af høj kvalitet til sit ur fjedre, fandt ud af, at metallet kunne smeltes i ler digler og raffineres med en særlig flux for at fjerne slagge, som cementeringsprocessen efterlod bag. Resultatet var en digel eller støbt stål. Men på grund af produktionsomkostningerne blev både blister og støbt stål kun brugt i specialapplikationer.
Som et resultat forblev støbejern fremstillet i kedelovne det primære strukturelle metal i industrialiseringen af Storbritannien i det meste af det 19. århundrede.
Bessemer-processen og moderne stålfremstilling
Væksten af jernbaner i det 19. århundrede i både Europa og Amerika satte et enormt pres på jernindustrien, som stadig kæmpede med ineffektive produktionsprocesser. Stål var stadig uprøvet som et strukturelt metal, og produktionen af produktet var langsom og dyr. Det var indtil 1856, da Henry Bessemer kom på en mere effektiv måde at indføre ilt i smeltet jern for at reducere kulstofindholdet.
Nu kendt som Bessemer-processen, designede Bessemer en pæreformet beholder, kaldet en 'konverter', hvor jern kunne opvarmes, mens ilt kunne blæses gennem det smeltede metal. Når ilt passerede gennem det smeltede metal, ville det reagere med kulstoffet, frigive kuldioxid og producere et mere rent jern.
Processen var hurtig og billig og fjernede kulstof og silicium fra jern i løbet af få minutter, men led af at være for vellykket. For meget kul blev fjernet, og for meget ilt forblev i slutproduktet. Bessemer måtte i sidste ende tilbagebetale sine investorer, indtil han kunne finde en metode til at øge kulstofindholdet og fjerne det uønskede ilt.
Omtrent på samme tid erhvervede den britiske metallurg Robert Mushet og begyndte at teste en forbindelse af jern, kulstof og mangan, kendt som spiegeleisen. Mangan vides at fjerne ilt fra smeltet jern, og kulstofindholdet i spiegeleisen, hvis det tilsættes i de rigtige mængder, ville give løsningen på Bessemers problemer. Bessemer begyndte at tilføje det til sin konverteringsproces med stor succes.
Et problem forblev. Bessemer havde ikke fundet en måde at fjerne fosfor, en skadelig urenhed, der gør stål skørt, fra hans slutprodukt. Derfor kunne kun fosforfri malm fra Sverige og Wales anvendes.
I 1876 kom den walisiske Sidney Gilchrist Thomas op på løsningen ved at tilføje en kemisk grundlæggende flux, kalksten, til Bessemer-processen. Kalksten trak fosfor fra svinejernet ind i slaggen, så det uønskede element kunne fjernes.
Denne innovation betød, at jernmalm fra hvor som helst i verden endelig kunne bruges til at fremstille stål. Ikke overraskende begyndte stålproduktionsomkostningerne at falde markant. Priserne på stålskinne faldt mere end 80% mellem 1867 og 1884 som et resultat af de nye stålproducerende teknikker, der startede væksten i verdens stålindustri.
Den åbne ildproces
I 1860'erne forbedrede den tyske ingeniør Karl Wilhelm Siemens stålproduktionen yderligere gennem sin oprettelse af åbenhærsprocessen. Åbenhærdeprocessen producerede stål fra råjern i store, lave ovne.
Processen, der brugte høje temperaturer til at afbrænde overskydende kulstof og andre urenheder, baserede sig på opvarmede mursten under kaminen. Regenerative ovne brugte senere udstødningsgasser fra ovnen til at opretholde høje temperaturer i murstenene nedenunder.
Denne metode tillod produktion af meget større mængder (50-100 tons kunne produceres i en ovn), periodisk afprøvning af det smeltede stål, så det kunne fås til at opfylde bestemte specifikationer og brugen af skrotstål som rå materiale. Selv om selve processen var meget langsommere, i 1900, havde den åbne ildproces primært erstattet Bessemer-processen.
Stålindustriens fødsel
Revolutionen i stålproduktion, der leverede billigere materiale af højere kvalitet, blev af mange forretningsfolk i dag anerkendt som en investeringsmulighed. Kapitalister i slutningen af det 19. århundrede, herunder Andrew Carnegie og Charles Schwab, investerede og tjente millioner (milliarder i tilfældet med Carnegie) i stålindustrien. Carnegies US Steel Corporation, grundlagt i 1901, var det første selskab, der nogensinde blev lanceret til en værdi af over en milliard dollars.
Elektrisk lysbueovn Steelmaking
Lige efter århundredskiftet opstod der en anden udvikling, der ville have en stærk indflydelse på udviklingen af stålproduktion. Paul Heroults elektriske lysbueovn (EAF) blev designet til at føre en elektrisk strøm gennem ladet materiale, hvilket resulterede i eksoterm oxidation og temperaturer op til 3272°F (1800°C), mere end tilstrækkelig til opvarmning af stålproduktion.
Oprindeligt brugt til specialstål voksede EAF'er i brug og blev ved Anden Verdenskrig brugt til fremstilling af stållegeringer. De lave investeringsomkostninger, der var involveret i oprettelsen af EAF-møller, gjorde det muligt for dem at konkurrere med de store amerikanske producenter som US Steel Corp. og Bethlehem Steel, især i kulstofstål eller lange produkter.
Da EAF'er kan producere stål fra 100% skrot eller koldt jernholdigt foder, er der behov for mindre energi pr. Produktionsenhed. I modsætning til grundlæggende iltkarme kan operationer også stoppes og startes med en lidt forbundet omkostning. Af disse grunde er produktionen via EAF'er steget støt i over 50 år og tegner sig nu for ca. 33% af den globale stålproduktion.
Oxygenstålfremstilling
Størstedelen af den globale stålproduktion, ca. 66%, produceres nu i basiske iltfaciliteter - udviklingen af en metode til separat ilt fra kvælstof i industriel skala i 1960'erne tillod store fremskridt i udviklingen af basisk ilt ovne.
Grundlæggende iltovne blæser ilt i store mængder smeltet jern og skrotstål og kan fuldføre en opladning meget hurtigere end metoder med åben ild. Store skibe med op til 350 ton jern kan fuldføre konvertering til stål på mindre end en time.
Omkostningseffektiviteten ved iltstålfremstilling gjorde fabrikker med åben ild ikke konkurrencedygtige, og efter fremkomsten af iltstålfremstilling i 1960'erne begyndte åbne ildfabrikker at lukke. Den sidste åbne ildsted i USA lukkede i 1992 og Kina i 2001.