Kehitys teräs voidaan jäljittää 4000 vuotta rautakauden alkuun. Osoittautuu kovemmaksi ja vahvemmaksi kuin pronssi, joka oli aiemmin ollut yleisimmin käytetty metalli, rauta- alkoi syrjäyttää pronssia aseissa ja työkaluissa.
Seuraavien muutaman tuhannen vuoden ajan tuotetun raudan laatu riippuu kuitenkin yhtä paljon käytettävissä olevasta malmista kuin tuotantomenetelmistä.
1700-luvulle mennessä raudan ominaisuudet ymmärrettiin hyvin, mutta lisääntyvä kaupungistuminen Euroopassa vaati monipuolisempaa rakennemetallia. Ja 1800-luvulle mennessä rautamäärä kulutettiin laajentamalla rautateitä metallurgit taloudellisella kannustimella löytää ratkaisu raudan haurauteen ja tehottomiin tuotantoprosesseihin.
Epäilemättä terästeollisuuden historian läpimurto tapahtui kuitenkin vuonna 1856, kun Henry Bessemer kehittyi tehokas tapa käyttää happea raudan hiilipitoisuuden vähentämiseksi: Moderni terästeollisuus oli syntynyt.
Raudan aikakausi
Hyvin korkeissa lämpötiloissa rauta alkaa imeä hiiltä, mikä alentaa metallin sulamispistettä, jolloin saadaan valurautaa (2,5 - 4,5% hiiltä). Masuunien kehitys, jota kiinalaiset käyttivät ensimmäisen kerran 6. vuosisadalla eKr., Mutta joita Euroopassa käytettiin laajemmin keskiajalla, lisäsi valuraudan tuotantoa.
Raakarauta on sulatettua rautaa, joka valuu masuunista ja jäähdytetään pääkanavassa ja viereisissä muoteissa. Suuret, keskellä olevat ja vierekkäiset pienet harkot muistuttivat emakkoa ja imettäviä porsaita.
Valurauta on vahva, mutta sen hiilipitoisuuden vuoksi se kärsii hauraudesta, joten se on vähemmän kuin ihanteellinen työskentelyyn ja muotoiluun. Kun metallurgit saivat tietää, että raudan korkea hiilipitoisuus oli keskeinen ongelma Haurauden vuoksi he kokeilivat uusia menetelmiä hiilipitoisuuden vähentämiseksi raudan lisäämiseksi toimiva.
1700-luvun loppupuolella raudanvalmistajat oppivat valuraudan muuntamisesta vähähiiliseksi takoraudaksi käyttämällä uuniuuneita (kehittänyt Henry Cort vuonna 1784). Uunit kuumenivat sulaa rautaa, jonka puddlerien oli sekoitettava pitkiä, aironmuotoisia työkaluja käyttäen, jolloin happi saattoi liittyä hiilen kanssa ja poistaa hitaasti.
Hiilipitoisuuden laskiessa raudan sulamispiste nousee, joten rautamassat agglomeroituisivat uuniin. Nämä massat poistettaisiin ja puddler toimitti ne takomalla, ennen kuin ne rullattiin levyiksi tai kiskoiksi. Vuoteen 1860 mennessä Isossa-Britanniassa oli yli 3000 pudotusuunia, mutta prosessia vaikeuttivat sen työvoima ja polttoaineen intensiivisyys.
Yksi varhaisimmista teräksen muodoista, rakkulateräs, aloitti tuotannon Saksassa ja Englannissa 17 vuosisadalla ja tuotettiin lisäämällä sulan harkkoraudan hiilipitoisuutta menetelmällä, joka tunnetaan nimellä sementointi. Tässä prosessissa takorautapalkit kerrostettiin jauhemaisella kivihiilisäiliöllä ja kuumennettiin.
Noin viikon kuluttua rauta absorboi hiiltä hiilessä. Toistuva lämmitys levittäisi hiiltä tasaisemmin ja lopputulos jäähdytyksen jälkeen oli rakkulaterästä. Suurempi hiilipitoisuus teki läpipainoteräksestä paljon toimivamman kuin harkkorauta, jolloin sitä voidaan puristaa tai rullata.
Rakkulateräksen tuotanto eteni 1740-luvulla, kun englantilainen kelloseppä Benjamin Huntsman yritti kehittää korkealaatuista terästä kellolleen jouset, havaittiin, että metalli voidaan sulattaa saviupokkaissa ja jalostaa erityisellä sulatuksella sementointiprosessin jättämän kuonan poistamiseksi takana. Tuloksena oli upokas tai valettu teräs. Mutta tuotantokustannusten vuoksi sekä rakkuloita että valuterästä käytettiin koskaan vain erikoissovelluksissa.
Tämän seurauksena pudotusuunissa valmistettu valurauta pysyi ensisijaisena rakennemetallina Ison-Britannian teollistumisessa suurimman osan 1800-luvusta.
Bessemer-prosessi ja moderni teräksenvalmistus
Rautateiden kasvu 1800-luvulla sekä Euroopassa että Amerikassa aiheutti valtavaa painetta rautateollisuudelle, joka kamppaili edelleen tehottomien tuotantoprosessien kanssa. Terästä ei ollut vielä todistettu rakennemetallina, ja tuotteen tuotanto oli hidasta ja kallista. Se oli vuoteen 1856, jolloin Henry Bessemer keksi tehokkaamman tavan viedä happea sulaan rautaan hiilipitoisuuden vähentämiseksi.
Nykyisin Bessemer-prosessina tunnettu Bessemer suunnitteli päärynän muotoisen astian, jota kutsutaan 'muuntimeksi', jossa rautaa voidaan lämmittää samalla kun happea voidaan puhaltaa sulan metallin läpi. Kun happi kulki sulan metallin läpi, se reagoi hiilen kanssa vapauttaen hiilidioksidia ja tuottaen puhtaampaa rautaa.
Prosessi oli nopea ja halpa, poistamalla hiiltä ja pii raudasta muutamassa minuutissa, mutta kärsi liian onnistumisesta. Liian paljon hiiltä poistettiin, ja lopputuotteeseen jäi liikaa happea. Bessemer joutui lopulta maksamaan takaisin sijoittajilleen, kunnes hän löysi menetelmän hiilipitoisuuden lisäämiseksi ja ei-toivotun hapen poistamiseksi.
Noin samaan aikaan brittiläinen metallurgisti Robert Mushet hankki ja alkoi testata rauta-, hiili- ja mangaani, joka tunnetaan nimellä spiegeleisen. Mangaanin tiedettiin poistavan happea sulasta raudasta ja spiegeleisenin hiilipitoisuus, jos sitä lisätään oikeissa määrissä, tarjoaisi ratkaisun Bessemerin ongelmiin. Bessemer alkoi lisätä sitä kääntymisprosessiinsa menestyksekkäästi.
Yksi ongelma jäi. Bessemer ei ollut löytänyt tapaa poistaa fosforia, haitallista epäpuhtautta, joka tekee teräksestä hauras, lopputuotteestaan. Näin ollen vain fosforittomia malmeja Ruotsista ja Walesista voitiin käyttää.
Vuonna 1876 kymri Sidney Gilchrist Thomas keksi ratkaisun lisäämällä kemiallisesti emäksisen vuon, kalkkikiven, Bessemer-prosessiin. Kalkkikivi vei fosforia harkkoraudasta kuonaan, jolloin ei-toivottu alkuaine poistettiin.
Tämä innovaatio tarkoitti sitä, että lopulta rautamalmia mistä päin maailmaa tahansa voitiin käyttää teräksen valmistamiseen. Ei ole yllättävää, että teräksen tuotantokustannukset alkoivat laskea merkittävästi. Teräskiskojen hinnat laskivat yli 80% vuosien 1867 ja 1884 välillä uuden terästuotantotekniikan seurauksena, mikä aloitti maailman terästeollisuuden kasvun.
Avoin tulisijaprosessi
Saksalainen insinööri Karl Wilhelm Siemens lisäsi terästuotantoa 1860-luvulla luomalla avoimen tulisijaprosessin. Avoin tulisijaprosessi tuotti terästä harkkoraudasta suurissa matalissa uuneissa.
Prosessi, jossa käytetään korkeita lämpötiloja ylimääräisen hiilen ja muiden epäpuhtauksien polttamiseksi, perustui lämmitettyihin tiilikammioihin tulisijaan. Regeneratiiviset uunit käyttivät myöhemmin uunin pakokaasuja ylläpitämään korkeita lämpötiloja alla olevissa tiilikammioissa.
Tämä menetelmä mahdollisti tuotannon paljon suurempia määriä (50-100 tonnia voitaisiin tuottaa yhdessä uunissa), ajoittain sulan teräksen testaus, jotta se saatettaisiin vastaamaan erityisiä vaatimuksia, ja romuteräksen käyttö raaka-aineena materiaalia. Vaikka prosessi itsessään oli paljon hitaampi, vuoteen 1900 mennessä avotakka oli ensisijaisesti korvannut Bessemer-prosessin.
Terästeollisuuden syntymä
Monet päivän yrittäjät tunnustivat terästuotannon vallankumouksen, joka tarjosi halvempaa ja korkealaatuista materiaalia, sijoitusmahdollisuutena. 1800-luvun lopun kapitalistit, mukaan lukien Andrew Carnegie ja Charles Schwab, investoivat ja ansaitsivat miljoonia (Carnegien tapauksessa miljardeja) terästeollisuuteen. Carnegien vuonna 1901 perustettu US Steel Corporation oli ensimmäinen koskaan perustettu yhtiö, jonka arvo oli yli miljardi dollaria.
Sähkökaariuunin teräksenvalmistus
Heti vuosisadan vaihteen jälkeen tapahtui uusi kehitys, jolla olisi voimakas vaikutus terästuotannon kehitykseen. Paul Heroultin sähkökaariuuni (EAF) on suunniteltu kuljettamaan sähkövirta ladatun materiaalin läpi, mikä johtaa eksotermiseen hapettumiseen ja lämpötiloihin 3272 saakka.°F (1800°C), enemmän kuin riittävä teräksen tuotannon lämmittämiseen.
Alun perin erikoisteräksille käytetyn EAF: n käyttö kasvoi, ja toisen maailmansodan aikana niitä käytettiin teräseosten valmistukseen. EAF-tehtaiden perustamiseen liittyvät alhaiset investointikustannukset antoivat heille mahdollisuuden kilpailla Yhdysvaltojen suurimpien tuottajien, kuten US Steel Corp., kanssa. ja Betlehem-teräs, erityisesti hiiliteräksissä, tai pitkät tuotteet.
Koska EAF: t voivat tuottaa terästä 100-prosenttisesta romusta tai kylmästä rautarehusta, tarvitaan vähemmän energiaa tuotantoyksikköä kohden. Toisin kuin perushapen tulisija, toiminta voidaan myös lopettaa ja aloittaa pienillä kustannuksilla. Näistä syistä tuotanto EAF: n kautta on kasvanut tasaisesti yli 50 vuoden ajan, ja sen osuus maailman terästuotannosta on nyt noin 33%.
Hapen teräksenvalmistus
Suurin osa maailman terästuotannosta, noin 66%, tuotetaan nyt hapen peruslaitoksissa - menetelmän kehittäminen Erillinen happi typestä teollisessa mittakaavassa 1960-luvulla mahdollisti merkittävän edistyksen emäksisen hapen kehittämisessä uunit.
Perushappiuunit puhaltavat happea suuriksi määriksi sulaa rautaa ja romuterästä ja voivat suorittaa latauksen paljon nopeammin kuin avotakka. Suuret alukset, joilla on enintään 350 tonnia rautaa, voivat muuntaa teräksen alle tunnissa.
Hapiteräksen valmistuksen kustannustehokkuus teki avotakkatehtaista kilpailukyvyttömiksi, ja 1960-luvun happiteräsvalmistuksen tullessa avotakkaoperaatiot alkoivat sulkeutua. Viimeinen avotakka Yhdysvalloissa suljettiin vuonna 1992 ja Kiina vuonna 2001.