A fejlődése acél- 4000 évre, a vaskor elejére vezethető vissza. Keményebbnek és erősebbnek bizonyult, mint a bronz, amely korábban a legelterjedtebb fém volt, Vas elkezdte kiszorítani a bronzot a fegyverekben és a szerszámokban.
A következő néhány ezer évben azonban a megtermelt vas minősége ugyanúgy függ a rendelkezésre álló érctől, mint a gyártási módszerektől.
A 17. századra a vas tulajdonságait jól megértették, de az egyre növekvő urbanizáció Európában sokoldalúbb szerkezeti fémet igényelt. A 19. századra pedig a vasút bővítésével elfogyasztott vasmennyiség biztosított kohászok pénzügyi ösztönzéssel megoldást találni a vas ridegségére és nem hatékony gyártási folyamataira.
Kétségtelen, hogy az acéltörténelem legnagyobb áttörése 1856-ban történt, amikor Henry Bessemer fejlődött az oxigén felhasználásának hatékony módja a vas széntartalmának csökkentésére: A modern acélipar az volt született.
A vas korszaka
Nagyon magas hőmérsékleten a vas elkezdi a szén felszívódását, ami csökkenti a fém olvadáspontját, így öntöttvas keletkezik (2,5–4,5% szén). A kohók fejlesztése, amelyet a kínaiak először az ie 6. században használtak, de Európában a középkorban szélesebb körben használták, növelte az öntöttvas termelését.
A nyersvas olvadt vas, amely a kohókból kifolyik, és a főcsatornában és a hozzá tartozó öntőformákban lehűlt. A nagyméretű, középső és a szomszédos kisebb tömbök koca és szopós malacokra emlékeztettek.
Az öntöttvas erős, de széntartalma miatt ridegséggel küzd, így kevésbé alkalmas a megmunkálásra és alakításra. Ahogy a kohászati szakemberek rájöttek, hogy a vas magas széntartalma központi szerepet játszik a vas problémájában törékenység, új módszerekkel kísérleteztek a széntartalom csökkentésére, hogy a vas több legyen megmunkálható.
A 18. század végére a vasgyártók megtanulták, hogyan kell átalakítani az öntött nyersvasat alacsony szén-dioxid-tartalmú kovácsoltvassá tócsakemencék felhasználásával (Henry Cort fejlesztette ki 1784-ben). A kemencék olvadt vasat hevítettek, amelyet a tócsáknak hosszú, evező alakú eszközökkel kellett megkeverniük, lehetővé téve az oxigénnek a szénnel való kombinálódását és lassú eltávolítását.
A széntartalom csökkenésével a vas olvadáspontja növekszik, így a vas tömegei agglomerálódnának a kemencében. Ezeket a tömegeket a pocsolya kovácskalapáccsal dolgozta ki, mielőtt lapokba vagy sínekbe tekerték volna. 1860-ra Nagy-Britanniában több mint 3000 tócskemence volt, de a folyamatot továbbra is akadályozta a munkaerő és az üzemanyag-intenzitás.
Az acél egyik legkorábbi formája, a hólyagos acél, Németországban és Angliában kezdte meg a gyártását 17-én században, és az olvadt nyersvas széntartalmának növelésével állították elő cementálás. Ebben a folyamatban kovácsoltvas rudakat rakott porszénnel kődobozokba és melegítettek.
Körülbelül egy hét múlva a vas felszívja a szénben lévő szenet. Az ismételt melegítés egyenletesebben osztja el a szenet, és az eredmény lehűlés után hólyagacél lett. A magasabb széntartalom miatt a hólyagacél sokkal jobban működőképes, mint a nyersvas, lehetővé téve annak préselését vagy hengerelését.
A hólyagacél gyártása az 1740-es években fejlődött, amikor Benjamin Huntsman angol óragyártó megpróbált kiváló minőségű acélt fejleszteni az órájához rugók, azt találták, hogy a fémet meg lehet olvasztani agyag tégelyekben, és finomítani lehet egy speciális folyadékkal a salak eltávolítására, amelyet a cementálási folyamat hagyott mögött. Az eredmény egy tégely, vagy öntött acél volt. A gyártási költségek miatt azonban a buborékfóliát és az öntött acélt is csak speciális alkalmazásokban használták.
Ennek eredményeként a tócskemencében készült öntöttvas a 19. század nagy részében az elsődleges szerkezeti fém maradt Nagy-Britanniában.
A Bessemer-folyamat és a modern acélgyártás
A 19. század folyamán a vasutak növekedése Európában és Amerikában is óriási nyomást gyakorolt a vasiparra, amely még mindig nem hatékony termelési folyamatokkal küzdött. Az acélt még mindig nem bizonyították szerkezeti fémként, és a termék gyártása lassú és költséges volt. 1856-ig volt, amikor Henry Bessemer hatékonyabb módszert dolgozott ki az oxigén bevitelére az olvadt vasba a széntartalom csökkentése érdekében.
A Bessemer-folyamat néven ismert Bessemer körte alakú edényt tervezett, amelyet „átalakítóként” emlegetnek, amelyben a vasat fel lehet melegíteni, miközben oxigént lehet fújni az olvadt fémben. Amint az oxigén áthalad az olvadt fémen, reakcióba lép a szénnel, felszabadítva a szén-dioxidot és tisztább vasat termel.
A folyamat gyors és olcsó volt, eltávolítva a szenet és a szénhidrátot szilícium percek alatt vasból, de szenvedett a túlságos sikertől. Túl sok szén eltávolult, és túl sok oxigén maradt a végtermékben. Bessemernek végül vissza kellett fizetnie befektetőinek, amíg nem talált módszert a széntartalom növelésére és a nem kívánt oxigén eltávolítására.
Körülbelül ugyanabban az időben Robert Mushet brit kohász beszerezte és tesztelni kezdett egy vas-, szén- és vasvegyületet mangán, spiegeleisen néven ismert. A mangánról ismert, hogy az olvadt vasból eltávolítja az oxigént, és ha a spiegeleisen széntartalma megfelelő mennyiségben van hozzáadva, az megoldást nyújt Bessemer problémáira. Bessemer nagy sikerrel kezdte hozzá áttérési folyamatához.
Egy probléma maradt. Bessemernek nem sikerült megoldania a foszfor - egy káros szennyeződés, amely az acélt rideggé teszi - eltávolítását a végtermékéből. Következésképpen csak Svédországból és Walesből származó foszformentes érc használható.
1876-ban a walesi Sidney Gilchrist Thomas azzal a megoldással állt elő, hogy kémiailag bázikus fluxust, mészkövet adott hozzá a Bessemer-folyamathoz. A mészkő a nyersvasból foszfort húzott a salakba, lehetővé téve a nem kívánt elem eltávolítását.
Ez az újítás azt jelentette, hogy végül a világ bármely pontjáról származó vasércet lehet acél előállítására használni. Nem meglepő, hogy az acél előállítási költségei jelentősen csökkenni kezdtek. Az acélvasúti árak 1867 és 1884 között több mint 80% -kal csökkentek, az új acélgyártási technikák eredményeként, ami elindította a világ acéliparának növekedését.
A nyílt tűzhely folyamat
Az 1860-as években a német mérnök, Karl Wilhelm Siemens tovább fokozta az acélgyártást a nyitott kandallós folyamat létrehozásával. A nyitott kandalló eljárással nyersvasból acélt állítottak elő nagy sekély kemencékben.
A folyamat során magas hőmérsékleten égették el a felesleges szenet és egyéb szennyeződéseket, és a kandalló alatti fűtött tégla kamrákra támaszkodtak. A regeneráló kemencék később a kemence kipufogógázait használták a magas hőmérséklet fenntartása érdekében az alábbi téglakamrákban.
Ez a módszer sokkal nagyobb mennyiségek előállítását tette lehetővé (50-100 tonna termelhető egy kemencében), periodikusan az olvadt acél vizsgálata annak érdekében, hogy az megfeleljen a speciális előírásoknak, és az acélhulladék nyersanyagként történő felhasználása anyag. Bár maga a folyamat sokkal lassabb volt, 1900-ra a nyitott kandallós folyamat elsősorban a Bessemer-folyamatot váltotta fel.
Az acélipar születése
Az acélgyártás forradalmát, amely olcsóbb, jobb minőségű anyagokat nyújtott, a nap számos üzletembere befektetési lehetőségként ismerte el. A 19. század végi kapitalisták, köztük Andrew Carnegie és Charles Schwab, milliókat (Carnegie esetében milliárdokat) fektettek be és szereztek az acéliparban. A Carnegie 1901-ben alapított US Steel Corporation volt az első, amelyet valaha indítottak egymilliárd dollár értékben.
Elektromos ívkemence acélgyártás
Közvetlenül a századforduló után bekövetkezett egy újabb fejlemény, amely erősen befolyásolja az acélgyártás alakulását. Paul Heroult elektromos ívkemencéjét (EAF) úgy tervezték, hogy az elektromos áramot áthaladja a töltött anyagon, exoterm oxidációt és 3272-ig terjedő hőmérsékletet eredményezve.°F (1800°C), több mint elegendő az acélgyártás hevítésére.
Eleinte speciális acélokhoz használt EAF-ok egyre növekvő használatban voltak, és a második világháborúban acélötvözetek gyártására használták fel őket. Az EAF-malmok létesítéséhez kapcsolódó alacsony beruházási költségek lehetővé tették számukra a versenyt az olyan nagy amerikai gyártókkal, mint az US Steel Corp. és a Betlehem Acél, különösen szénacélokban vagy hosszú termékek.
Mivel az EAF-ok 100% -os hulladékból vagy hideg vas-takarmányból tudnak acélt előállítani, kevesebb energia szükséges egy termelési egységre. Az alapvető oxigéntűzhelyekkel szemben a műveleteket is meg lehet állítani és meg lehet kezdeni kevés kapcsolódó költséggel. Ezen okok miatt az EAF-on keresztüli termelés több mint 50 éve folyamatosan növekszik, és most a globális acéltermelés mintegy 33% -át adja.
Oxigén acélgyártás
A globális acéltermelés nagy részét, mintegy 66% -át ma már alapvető oxigénlétesítményekben állítják elő - egy módszer kifejlesztése Az 1960-as években az ipari oxigén és a nitrogén elválasztása az ipari oxigén fejlődésében jelentős előrelépést tett lehetővé kemencék.
Az alap oxigén kemencék nagy mennyiségű olvadt vasba és acélhulladékba fújják az oxigént, és sokkal gyorsabban képesek feltölteni egy töltést, mint a nyitott kandallós módszerek. A legfeljebb 350 metrikus tonna vasat tartalmazó nagyméretű hajók kevesebb, mint egy óra alatt képesek acélossá válni.
Az oxigénacél gyártásának költséghatékonysága versenyképtelenné tette a nyitott kandalló gyárakat, és az 1960-as évek oxigénacélgyártásának megjelenését követően a nyitott kandalló üzemek bezárultak. Az utolsó nyitott kandalló létesítmény az Egyesült Államokban 1992-ben, Kína pedig 2001-ben zárt be.