Dezvoltarea oţel poate fi urmărită de 4000 de ani până la începutul epocii fierului. Dovedindu-se a fi mai dur și mai puternic decât bronzul, care fusese anterior cel mai utilizat metal, fier a început să deplaseze bronzul în armament și unelte.
Cu toate acestea, pentru următoarele câteva mii de ani, calitatea fierului produs ar depinde atât de mult de minereul disponibil, cât și de metodele de producție.
Până în secolul al XVII-lea, proprietățile fierului erau bine înțelese, dar creșterea urbanizării în Europa cerea un metal structural mai versatil. Și până în secolul al XIX-lea, cantitatea de fier consumată de extinderea căilor ferate a fost furnizată metalurgici cu stimulent financiar pentru a găsi o soluție la fragilitatea fierului și procesele de producție ineficiente.
Fără îndoială, însă, cea mai importantă descoperire din istoria siderurgiei a venit în 1856 când s-a dezvoltat Henry Bessemer o modalitate eficientă de a utiliza oxigenul pentru a reduce conținutul de carbon din fier: industria siderurgică modernă a fost născut.
Era fierului
La temperaturi foarte ridicate, fierul începe să absoarbă carbonul, ceea ce scade punctul de topire al metalului, rezultând fontă (2,5 până la 4,5% carbon). Dezvoltarea furnalelor, folosite pentru prima dată de chinezi în secolul al VI-lea î.Hr., dar mai utilizate în Europa în Evul Mediu, au sporit producția de fontă.
Fonta brută este fierul topit ieșit din furnalele și răcit în canalul principal și matrițele alăturate. Lingourile mari, centrale și adiacente, mai mici, semănau cu purcei scroafă și alăptătoare.
Fonta este puternică, dar suferă de fragilitate datorită conținutului său de carbon, făcându-l mai puțin decât ideal pentru lucru și modelare. Pe măsură ce metalurgienii au devenit conștienți de faptul că conținutul ridicat de carbon din fier era esențial pentru problema fragilitate, au experimentat noi metode de reducere a conținutului de carbon pentru a face fierul mai mult viabil.
Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, producătorii de fier au învățat cum să transforme fonta turnată într-un fier forjat cu conținut scăzut de carbon folosind cuptoare de bălți (dezvoltat de Henry Cort în 1784). Cuptoarele încălzeau fierul topit, care trebuia agitat de bălți folosind unelte lungi, în formă de vâs, permițând oxigenului să se combine cu și să îndepărteze încet carbonul.
Pe măsură ce conținutul de carbon scade, punctul de topire a fierului crește, astfel încât masele de fier s-ar aglomera în cuptor. Aceste mase ar fi îndepărtate și prelucrate cu ciocanul de forjă de către bălți, înainte de a fi rulate în foi sau șine. Până în 1860, în Marea Britanie existau peste 3000 de cuptoare de bălți, dar procesul a rămas împiedicat de intensitatea muncii și a combustibilului.
Una dintre primele forme de oțel, oțelul blister, a început producția în Germania și Anglia în 17 secolul și a fost produs prin creșterea conținutului de carbon din fonta topită folosind un proces cunoscut sub numele de cimentare. În acest proces, bare de fier forjat au fost stratificate cu cărbune praf în cutii de piatră și încălzite.
După aproximativ o săptămână, fierul ar absorbi carbonul din cărbune. Încălzirea repetată ar distribui carbonul mai uniform și rezultatul, după răcire, a fost oțel blister. Conținutul mai ridicat de carbon a făcut ca oțelul blister să fie mult mai fezabil decât fonta brută, permițându-i să fie presat sau laminat.
Producția de oțel blister a avansat în anii 1740, când ceasornicarul englez Benjamin Huntsman în timp ce încerca să dezvolte oțel de înaltă calitate pentru ceasul său arcuri, a constatat că metalul ar putea fi topit în creuzete de lut și rafinat cu un flux special pentru a îndepărta zgura pe care procesul de cimentare a lăsat-o in spate. Rezultatul a fost un creuzet sau oțel turnat. Dar, din cauza costului de producție, atât blisterul, cât și oțelul turnat au fost utilizate vreodată în aplicații de specialitate.
Drept urmare, fonta fabricată în cuptoarele de bălăcire a rămas principalul metal structural în industrializarea Marii Britanii în cea mai mare parte a secolului al XIX-lea.
Procesul Bessemer și fabricarea modernă a oțelului
Creșterea căilor ferate în secolul al XIX-lea atât în Europa, cât și în America, a pus o presiune enormă asupra industriei fierului, care încă se lupta cu procesele de producție ineficiente. Oțelul era încă nedovedit ca metal structural și producția produsului era lentă și costisitoare. Asta a fost până în 1856 când Henry Bessemer a venit cu un mod mai eficient de a introduce oxigen în fierul topit pentru a reduce conținutul de carbon.
Acum cunoscut sub numele de Procesul Bessemer, Bessemer a proiectat un recipient în formă de pere, denumit „convertor” în care fierul putea fi încălzit în timp ce oxigenul putea fi suflat prin metalul topit. Pe măsură ce oxigenul trece prin metalul topit, acesta va reacționa cu carbonul, eliberând dioxid de carbon și producând un fier mai pur.
Procesul a fost rapid și ieftin, eliminând carbonul și siliciu din fier în câteva minute, dar a suferit din cauza unui succes prea mare. S-a îndepărtat prea mult carbon și a rămas prea mult oxigen în produsul final. În cele din urmă, Bessemer a trebuit să-și ramburseze investitorii până când a găsit o metodă de creștere a conținutului de carbon și eliminarea oxigenului nedorit.
Cam în același timp, metalurgistul britanic Robert Mushet a achiziționat și a început să testeze un compus de fier, carbon și mangan, cunoscut sub numele de spiegeleisen. Se știa că manganul îndepărtează oxigenul din fierul topit, iar conținutul de carbon din spiegeleisen, dacă ar fi adăugat în cantități potrivite, ar oferi soluția la problemele lui Bessemer. Bessemer a început să-l adauge la procesul său de conversie cu mare succes.
A rămas o problemă. Bessemer nu reușise să găsească o modalitate de a elimina fosforul, o impuritate dăunătoare care face ca oțelul să fie fragil, din produsul său final. În consecință, ar putea fi utilizat doar minereu fără fosfor din Suedia și Țara Galilor.
În 1876, galezul Sidney Gilchrist Thomas a venit cu soluția adăugând un flux chimic de bază, calcar, la procesul Bessemer. Calcarul a extras fosforul din fonta brută în zgură, permițând îndepărtarea elementului nedorit.
Această inovație a însemnat că, în cele din urmă, minereul de fier de oriunde în lume ar putea fi utilizat pentru fabricarea oțelului. Nu este surprinzător că costurile de producție a oțelului au început să scadă semnificativ. Prețurile pentru șina de oțel au scăzut cu peste 80% între 1867 și 1884, ca urmare a noilor tehnici de producere a oțelului, care au inițiat creșterea industriei siderurgice mondiale.
Procesul de vatră deschisă
În anii 1860, inginerul german Karl Wilhelm Siemens a îmbunătățit și mai mult producția de oțel prin crearea procesului de focar deschis. Procesul de vatră deschisă a produs oțel din fontă în cuptoare mari de mică adâncime.
Procesul, folosind temperaturi ridicate pentru a arde excesul de carbon și alte impurități, sa bazat pe camere de cărămidă încălzite sub vatră. Cuptoarele regenerative au folosit ulterior gazele de eșapament din cuptor pentru a menține temperaturile ridicate în camerele de cărămidă de mai jos.
Această metodă a permis producția de cantități mult mai mari (50-100 tone puteau fi produse într-un singur cuptor), periodic testarea oțelului topit astfel încât acesta să poată fi făcut să îndeplinească specificațiile specifice și utilizarea deșeurilor de oțel ca materie primă material. Deși procesul în sine a fost mult mai lent, până în 1900, procesul de vatră deschisă a înlocuit în primul rând procesul Bessemer.
Nașterea industriei siderurgice
Revoluția în producția de oțel care a furnizat materiale mai ieftine și de calitate superioară, a fost recunoscută de mulți oameni de afaceri ai zilei ca o oportunitate de investiție. Capitaliștii de la sfârșitul secolului al XIX-lea, inclusiv Andrew Carnegie și Charles Schwab, au investit și au câștigat milioane (miliarde în cazul Carnegie) în industria siderurgică. Corporația SUA din oțel Carnegie, fondată în 1901, a fost prima corporație lansată vreodată, evaluată la peste un miliard de dolari.
Cuptor cu arc electric Fabricarea oțelului
Chiar după începutul secolului, a avut loc o altă dezvoltare care ar avea o influență puternică asupra evoluției producției de oțel. Cuptorul cu arc electric (EAF) al lui Paul Heroult a fost proiectat pentru a trece un curent electric prin materialul încărcat, rezultând oxidare exotermă și temperaturi de până la 3272°F (1800°C), mai mult decât suficient pentru încălzirea producției de oțel.
Utilizate inițial pentru oțeluri speciale, EAF-urile au crescut în utilizare și, până în al doilea război mondial, erau utilizate pentru fabricarea aliajelor de oțel. Costul scăzut al investiției implicat în înființarea fabricilor EAF le-a permis să concureze cu principalii producători americani precum US Steel Corp. și Bethlehem Steel, în special în oțelurile cu carbon sau produsele lungi.
Deoarece EAF-urile pot produce oțel din resturi 100%, sau furaje feroase la rece, este necesară mai puțină energie pe unitate de producție. Spre deosebire de focarele de oxigen de bază, operațiile pot fi, de asemenea, oprite și începute cu un cost puțin asociat. Din aceste motive, producția prin EAF a crescut constant de peste 50 de ani și reprezintă acum aproximativ 33% din producția globală de oțel.
Fabricarea oțelului cu oxigen
Majoritatea producției mondiale de oțel, aproximativ 66%, este acum produsă în instalații de bază de oxigen - dezvoltarea unei metode pentru separarea oxigenului de azot la scară industrială în anii 1960 a permis progrese majore în dezvoltarea oxigenului de bază cuptoare.
Cuptoarele de oxigen de bază suflă oxigenul în cantități mari de fier topit și fier vechi și pot completa o încărcare mult mai rapid decât metodele cu focar deschis. Navele mari care dețin până la 350 de tone metrice de fier pot finaliza conversia în oțel în mai puțin de o oră.
Eficiența costurilor fabricării oțelului cu oxigen a făcut ca fabricile cu focar deschis să fie necompetitive și, după apariția fabricării oțelului cu oxigen, în anii 1960, operațiunile cu focar deschis au început să se închidă. Ultima instalație deschisă din SUA s-a închis în 1992 și China în 2001.