De ontwikkeling van staal is 4000 jaar terug te voeren tot het begin van de ijzertijd. Het bleek harder en sterker te zijn dan brons, dat voorheen het meest gebruikte metaal was, ijzer begon brons in wapens en gereedschappen te verplaatsen.
Voor de volgende paar duizend jaar zou de kwaliteit van het geproduceerde ijzer echter evenzeer afhangen van het beschikbare erts als van de productiemethoden.
Tegen de 17e eeuw waren de eigenschappen van ijzer goed begrepen, maar de toenemende verstedelijking in Europa vereiste een veelzijdiger constructiemetaal. En tegen de 19e eeuw werd de hoeveelheid ijzer die werd verbruikt door de uitbreiding van spoorlijnen voorzien metallurgen met de financiële prikkel om een oplossing te vinden voor de broosheid van ijzer en inefficiënte productieprocessen.
De grootste doorbraak in de staalgeschiedenis kwam ongetwijfeld in 1856 toen Henry Bessemer zich ontwikkelde een effectieve manier om zuurstof te gebruiken om het koolstofgehalte in ijzer te verlagen: de moderne staalindustrie was geboren.
Het tijdperk van ijzer
Bij zeer hoge temperaturen begint ijzer koolstof te absorberen, wat het smeltpunt van het metaal verlaagt, wat resulteert in gietijzer (2,5 tot 4,5% koolstof). De ontwikkeling van hoogovens, voor het eerst gebruikt door de Chinezen in de 6e eeuw voor Christus maar op grotere schaal gebruikt in Europa tijdens de Middeleeuwen, verhoogde de productie van gietijzer.
Ruwijzer is gesmolten ijzer dat uit de hoogovens komt en wordt gekoeld in het hoofdkanaal en aangrenzende mallen. De grote, centrale en aangrenzende kleinere blokken leken op een zeug en zogende biggen.
Gietijzer is sterk maar lijdt aan broosheid vanwege het koolstofgehalte, waardoor het minder dan ideaal is om mee te bewerken en vorm te geven. Toen metallurgen zich ervan bewust werden dat het hoge koolstofgehalte in ijzer centraal stond in het probleem van broosheid, experimenteerden ze met nieuwe methoden om het koolstofgehalte te verminderen om meer ijzer te maken werkbaar.
Tegen het einde van de 18e eeuw leerden ijzermakers hoe ze gietijzer konden transformeren in smeedijzer met een laag koolstofgehalte met behulp van puddelovens (ontwikkeld door Henry Cort in 1784). De ovens verwarmden gesmolten ijzer, dat door puddlers moest worden geroerd met behulp van lange, riemvormige gereedschappen, waardoor zuurstof kon worden gecombineerd met en langzaam koolstof kon verwijderen.
Naarmate het koolstofgehalte afneemt, neemt het smeltpunt van ijzer toe, zodat massa's ijzer in de oven zouden agglomereren. Deze massa's werden verwijderd en bewerkt met een smeedhamer door de puddler voordat ze in platen of rails werden gerold. In 1860 waren er meer dan 3000 puddelovens in Groot-Brittannië, maar het proces werd nog steeds gehinderd door de intensieve arbeid en brandstof.
Een van de vroegste vormen van staal, blisterstaal, begon in de 17e eeuw met de productie in Duitsland en Engeland eeuw en werd geproduceerd door het koolstofgehalte in gesmolten ruwijzer te verhogen met behulp van een proces dat bekend staat als cementeren. In dit proces werden staven smeedijzer in stenen kisten gelaagd met poederkool en verwarmd.
Na ongeveer een week absorbeerde het strijkijzer de koolstof in de houtskool. Herhaalde verwarming zou de koolstof gelijkmatiger verdelen en het resultaat, na afkoeling, was blisterstaal. Door het hogere koolstofgehalte is blisterstaal veel beter bewerkbaar dan ruwijzer, waardoor het kan worden geperst of gewalst.
De productie van blisterstaal vorderde in de jaren 1740 toen de Engelse klokkenmaker Benjamin Huntsman probeerde hoogwaardig staal voor zijn klok te ontwikkelen veren, ontdekte dat het metaal kon worden gesmolten in kleikroezen en verfijnd met een speciale flux om slakken te verwijderen die het cementatieproces achterliet achter. Het resultaat was een smeltkroes of gegoten staal. Maar vanwege de productiekosten werden zowel blister als gietstaal alleen gebruikt in speciale toepassingen.
Als gevolg hiervan bleef gietijzer gemaakt in puddelovens gedurende het grootste deel van de 19e eeuw het belangrijkste structurele metaal in het industrialiserende Groot-Brittannië.
Het Bessemer-proces en moderne staalproductie
De groei van de spoorwegen in de 19e eeuw in zowel Europa als Amerika legde een enorme druk op de ijzerindustrie, die nog steeds worstelde met inefficiënte productieprocessen. Staal was nog niet bewezen als structureel metaal en de productie van het product verliep traag en kostbaar. Dat was tot 1856 toen Henry Bessemer een effectievere manier bedacht om zuurstof in gesmolten ijzer te introduceren om het koolstofgehalte te verminderen.
Nu bekend als het Bessemer-proces, ontwierp Bessemer een peervormige bak, ook wel een 'converter' genoemd, waarin ijzer kon worden verwarmd terwijl zuurstof door het gesmolten metaal kon worden geblazen. Terwijl zuurstof door het gesmolten metaal ging, zou het reageren met de koolstof, kooldioxide vrijkomen en een zuiverder ijzer produceren.
Het proces was snel en goedkoop, waarbij koolstof en silicium van ijzer binnen enkele minuten, maar leed aan te succesvol zijn. Er is te veel koolstof verwijderd en er is te veel zuurstof in het eindproduct achtergebleven. Bessemer moest uiteindelijk zijn investeerders terugbetalen totdat hij een methode kon vinden om het koolstofgehalte te verhogen en de ongewenste zuurstof te verwijderen.
Ongeveer tegelijkertijd verwierf de Britse metallurg Robert Mushet een verbinding van ijzer, koolstof en mangaan, bekend als spiegeleisen. Van mangaan was bekend dat het zuurstof uit gesmolten ijzer verwijdert en het koolstofgehalte in de spiegeleisen, indien toegevoegd in de juiste hoeveelheden, zou de oplossing bieden voor de problemen van Bessemer. Bessemer begon het met groot succes toe te voegen aan zijn conversieproces.
Een probleem bleef. Bessemer had geen manier gevonden om fosfor, een schadelijke onzuiverheid die staal broos maakt, uit zijn eindproduct te verwijderen. Bijgevolg kon alleen fosforvrij erts uit Zweden en Wales worden gebruikt.
In 1876 kwam Welshman Sidney Gilchrist Thomas met de oplossing door een chemisch basische vloeimiddel, kalksteen, aan het Bessemer-proces toe te voegen. De kalksteen trok fosfor uit het ruwijzer in de slak, waardoor het ongewenste element verwijderd kon worden.
Deze innovatie betekende dat eindelijk ijzererts van overal ter wereld kon worden gebruikt om staal te maken. Het is niet verrassend dat de productiekosten van staal aanzienlijk begonnen te dalen. De prijzen voor stalen spoorstaven daalden met meer dan 80% tussen 1867 en 1884, als gevolg van de nieuwe staalproductietechnieken die de groei van de wereldwijde staalindustrie op gang brachten.
Het open haardproces
In de jaren 1860 verbeterde de Duitse ingenieur Karl Wilhelm Siemens de staalproductie verder door het openhaardproces te creëren. Het open haardproces produceerde staal uit ruwijzer in grote ondiepe ovens.
Het proces, waarbij hoge temperaturen werden gebruikt om overtollige koolstof en andere onzuiverheden te verbranden, was gebaseerd op verwarmde stenen kamers onder de haard. Regeneratieve ovens gebruikten later uitlaatgassen uit de oven om hoge temperaturen in de stenen kamers eronder te handhaven.
Met deze methode konden veel grotere hoeveelheden worden geproduceerd (50-100 ton kan in één oven worden geproduceerd), periodiek het testen van het gesmolten staal zodat het kon worden gemaakt om te voldoen aan bepaalde specificaties en het gebruik van schrootstaal als grondstof materiaal. Hoewel het proces zelf veel langzamer verliep, had het open haardproces in 1900 voornamelijk het Bessemer-proces vervangen.
Geboorte van de staalindustrie
De revolutie in de staalproductie die goedkoper materiaal van hogere kwaliteit opleverde, werd door veel zakenlieden van de dag erkend als een investeringsmogelijkheid. Kapitalisten van de late 19e eeuw, waaronder Andrew Carnegie en Charles Schwab, investeerden en verdienden miljoenen (miljarden in het geval van Carnegie) in de staalindustrie. Carnegie's US Steel Corporation, opgericht in 1901, was het eerste bedrijf ooit gelanceerd met een waarde van meer dan een miljard dollar.
Staalproductie met elektrische boogoven
Net na de eeuwwisseling deed zich een andere ontwikkeling voor die een sterke invloed zou hebben op de evolutie van de staalproductie. De elektrische vlamboogoven (EAF) van Paul Heroult is ontworpen om een elektrische stroom door geladen materiaal te leiden, wat resulteert in exotherme oxidatie en temperaturen tot 3272°F (1800°C), ruim voldoende om de staalproductie te verhitten.
EAF's werden aanvankelijk gebruikt voor speciale staalsoorten, maar groeiden in gebruik en werden tegen de Tweede Wereldoorlog gebruikt voor de productie van staallegeringen. Door de lage investeringskosten bij het opzetten van EAF-fabrieken konden ze concurreren met de grote Amerikaanse producenten zoals US Steel Corp. en Bethlehem Steel, vooral in koolstofstaal of lange producten.
Omdat EAF's staal kunnen produceren uit 100% schroot, of koud ijzerhoudend voer, is er minder energie per productie-eenheid nodig. In tegenstelling tot basische zuurstofhaarden, kunnen operaties ook worden gestopt en gestart met een beetje bijkomende kosten. Om deze redenen neemt de productie via EAF's al meer dan 50 jaar gestaag toe en vertegenwoordigt nu ongeveer 33% van de wereldwijde staalproductie.
Zuurstof staalproductie
Het grootste deel van de wereldwijde staalproductie, ongeveer 66%, wordt nu geproduceerd in basiszuurstoffaciliteiten - de ontwikkeling van een methode om Door op industriële schaal zuurstof te scheiden van stikstof, werd in de jaren zestig belangrijke vorderingen gemaakt bij de ontwikkeling van basiszuurstof ovens.
Basische zuurstofovens blazen zuurstof in grote hoeveelheden gesmolten ijzer en schroot en kunnen een lading veel sneller voltooien dan openhaardmethoden. Grote schepen die tot 350 ton ijzer bevatten, kunnen de conversie naar staal in minder dan een uur voltooien.
Door de kostenefficiëntie van de productie van zuurstofstaal waren openhaardfabrieken niet meer concurrerend en na de komst van de productie van zuurstofstaal in de jaren zestig begonnen de openhaardactiviteiten te sluiten. De laatste openhaardfaciliteit in de VS sloot in 1992 en China in 2001.