Vývoj ocel lze vysledovat 4000 let do začátku doby železné. Ukázalo se, že je tvrdší a silnější než bronz, který byl dříve nejpoužívanějším kovem, žehlička začal vytlačovat bronz ve zbraních a nástrojích.
Po několik následujících tisíc let však bude kvalita vyráběného železa stejně záviset na dostupné rudě jako na výrobních metodách.
V 17. století byly vlastnosti železa dobře pochopeny, ale rostoucí urbanizace v Evropě vyžadovala univerzálnější konstrukční kov. A do 19. století bylo zajištěno množství železa spotřebovaného rozšiřujícími se železnicemi metalurgové s finanční pobídkou k nalezení řešení křehkosti železa a neefektivních výrobních procesů.
Nepochybně však největší průlom v historii oceli nastal v roce 1856, kdy se vyvinul Henry Bessemer efektivní způsob využití kyslíku ke snížení obsahu uhlíku v železe: moderní ocelářský průmysl byl narozený.
Éra železa
Při velmi vysokých teplotách začíná železo absorbovat uhlík, což snižuje teplotu tání kovu, což vede k litině (2,5 až 4,5% uhlíku). Vývoj vysokých pecí, které Číňané poprvé používali v 6. století před naším letopočtem, ale ve středověku se v Evropě používaly častěji, zvýšil výrobu litiny.
Surové železo je roztavené železo vytékající z vysokých pecí a chlazené v hlavním kanálu a v sousedních formách. Velké, centrální a přilehlé menší ingoty připomínaly prasnici a selata.
Litina je silná, ale kvůli obsahu uhlíku trpí křehkostí, takže je pro práci a tvarování méně než ideální. Jak si metalurgové uvědomili, že vysoký obsah uhlíku v železa je ústředním bodem problému křehkost experimentovali s novými metodami snižování obsahu uhlíku, aby bylo železo více funkční.
Na konci 18. století se výrobci železa naučili, jak pomocí litinových pecí přeměnit litinu na tepané železo s nízkým obsahem uhlíku (vyvinut Henry Cort v roce 1784). Pece ohřívaly roztavené železo, které musely pudláři míchat pomocí dlouhých nástrojů ve tvaru vesla, což umožňovalo kombinovat kyslík s pomalým odstraňováním uhlíku.
Jak klesá obsah uhlíku, zvyšuje se teplota tání železa, takže by se v peci hromadily železné masy. Tyto hmoty by byly odstraněny a zpracovány kovářským kladivem puddlerem, než byly srolovány do plechů nebo kolejnic. Do roku 1860 existovalo v Británii přes 3000 kaluží, ale tomuto procesu stále bránila jeho práce a intenzita pohonných hmot.
Jedna z prvních forem oceli, blistrová, se začala vyrábět v Německu a Anglii v 17. století století a byl vyroben zvýšením obsahu uhlíku v roztaveném surovém železa pomocí procesu známého jako cementace. V tomto procesu byly tyče z tepaného železa vrstveny práškovým dřevěným uhlím v kamenných bednách a zahřívány.
Asi po týdnu by železo absorbovalo uhlík v dřevěném uhlí. Opakované zahřívání by uhlík distribuovalo rovnoměrněji a výsledkem po ochlazení byla blistrová ocel. Díky vyššímu obsahu uhlíku byla blistrová ocel mnohem proveditelnější než surové železo, což umožnilo její lisování nebo válcování.
Výroba blistrových ocelí pokročila ve 40. letech 20. století, kdy se anglický hodinář Benjamin Huntsman snažil vyvinout vysoce kvalitní ocel pro své hodiny pružiny, zjistil, že kov lze roztavit v hliněných kelímcích a rafinovat speciálním tavidlem, aby se odstranila struska, kterou zanechal cementační proces za. Výsledkem byl kelímek nebo litá ocel. Ale kvůli výrobním nákladům se blistr a litá ocel používaly jen ve speciálních aplikacích.
Výsledkem bylo, že litina vyrobená v kalužích zůstala po většinu 19. století hlavním průmyslovým kovem v industrializaci Británie.
Bessemerův proces a moderní ocelářství
Růst železnic v průběhu 19. století v Evropě i v Americe vytvořil obrovský tlak na železářský průmysl, který stále bojoval s neefektivními výrobními procesy. Ocel stále nebyla prokázána jako konstrukční kov a výroba produktu byla pomalá a nákladná. To bylo až do roku 1856, kdy Henry Bessemer přišel s efektivnějším způsobem zavádění kyslíku do roztaveného železa za účelem snížení obsahu uhlíku.
Nyní známý jako Bessemerův proces, navrhl Bessemer nádobu ve tvaru hrušky, označovanou jako „konvertor“, ve kterém bylo možné zahřívat železo, zatímco kyslík mohl být vháněn do roztaveného kovu. Když kyslík prošel roztaveným kovem, reagoval s uhlíkem, uvolnil oxid uhličitý a vytvořil čistší železo.
Proces byl rychlý a levný, odstranění uhlíku a křemík ze železa během několika minut, ale trpěl tím, že byl příliš úspěšný. Bylo odstraněno příliš mnoho uhlíku a v konečném produktu zůstalo příliš mnoho kyslíku. Bessemer nakonec musel splatit své investory, dokud nenašel způsob, jak zvýšit obsah uhlíku a odstranit nežádoucí kyslík.
Přibližně ve stejnou dobu britský metalurg Robert Mushet získal a začal testovat sloučeninu železa, uhlíku a mangan, známý jako spiegeleisen. Bylo známo, že mangan odstraňuje kyslík z roztaveného železa a obsah uhlíku v spiegeleisen, pokud je přidán ve správném množství, by poskytl řešení Bessemerových problémů. Bessemer jej začal s velkým úspěchem přidávat do svého procesu přeměny.
Jeden problém zůstal. Bessemer nepodařilo najít způsob, jak odstranit z jeho konečného produktu fosfor, škodlivou nečistotu, díky níž je ocel křehká. V důsledku toho mohla být použita pouze ruda bez fosforu ze Švédska a Walesu.
V roce 1876 přišel Welshman Sidney Gilchrist Thomas s řešením přidáním chemicky základního tavidla, vápence, do Bessemerova procesu. Vápenec čerpal fosfor ze surového železa do strusky a umožňoval odstranění nežádoucího prvku.
Tato inovace znamenala, že konečně mohla být železná ruda odkudkoli na světě použita k výrobě oceli. Není divu, že náklady na výrobu oceli začaly výrazně klesat. Ceny ocelové kolejnice poklesly mezi lety 1867 a 1884 o více než 80% v důsledku nových technik výroby oceli, které iniciovaly růst světového ocelářského průmyslu.
Proces otevřeného krbu
V 60. letech 19. století německý inženýr Karl Wilhelm Siemens dále posílil výrobu oceli vytvořením procesu otevřeného krbu. Proces otevřeného krbu vyráběl ocel ze surového železa ve velkých mělkých pecích.
Proces využívající vysoké teploty ke spalování přebytečného uhlíku a jiných nečistot spoléhal na vyhřívané cihlové komory pod krbem. Regenerativní pece později používaly výfukové plyny z pece k udržení vysokých teplot v níže uvedených cihelných komorách.
Tato metoda umožňovala výrobu mnohem většího množství (v jedné peci bylo možné vyrobit 50–100 metrických tun), periodicky testování roztavené oceli tak, aby mohla být vyrobena tak, aby splňovala konkrétní specifikace, a použití šrotu jako suroviny materiál. Ačkoli samotný proces byl mnohem pomalejší, do roku 1900 proces otevřeného krbu primárně nahradil Bessemerův proces.
Zrození ocelářského průmyslu
Revoluci ve výrobě oceli, která poskytla levnější a kvalitnější materiál, uznalo mnoho podnikatelů dneška jako investiční příležitost. Kapitalisté z konce 19. století, včetně Andrew Carnegie a Charles Schwab, investovali a vydělali miliony (v případě Carnegie miliardy) v ocelářském průmyslu. Carnegie's US Steel Corporation, založená v roce 1901, byla první korporací, která kdy byla uvedena na trh, v hodnotě více než jedné miliardy dolarů.
Výroba oceli s elektrickým obloukem
Těsně po přelomu století došlo k dalšímu vývoji, který by měl silný vliv na vývoj výroby oceli. Elektrická oblouková pec (EAF) od Paula Heroult byla navržena pro průchod elektrického proudu nabitým materiálem, což má za následek exotermickou oxidaci a teploty až 3272°F (1800°C), více než dostatečné pro výrobu oceli.
Zpočátku se používaly pro speciální oceli, EAF se začaly používat a během druhé světové války se používaly k výrobě ocelových slitin. Nízké investiční náklady spojené se zřizováním závodů EAF jim umožnily konkurovat předním americkým producentům, jako je US Steel Corp. a Bethlehem Steel, zejména u uhlíkových ocelí nebo dlouhých výrobků.
Vzhledem k tomu, že EAF mohou vyrábět ocel ze 100% šrotu nebo ze studených železných materiálů, je zapotřebí méně energie na jednotku výroby. Na rozdíl od základních kyslíkových krbů lze provoz také zastavit a zahájit s malými náklady. Z těchto důvodů se výroba prostřednictvím EAF neustále zvyšuje již více než 50 let a nyní představuje přibližně 33% celosvětové výroby oceli.
Výroba kyslíkové oceli
Většina celosvětové výroby oceli, přibližně 66%, se nyní vyrábí v základních kyslíkových zařízeních - vývoj metody na oddělení kyslíku od dusíku v průmyslovém měřítku v 60. letech umožnilo zásadní pokrok ve vývoji zásaditého kyslíku pece.
Základní kyslíkové pece vhánějí kyslík do velkého množství roztaveného železa a šrotu a dokážou vsázku dokončit mnohem rychleji než metody s otevřeným ohněm. Velká plavidla, která pojmou až 350 tun železa, mohou dokončit přeměnu na ocel za méně než jednu hodinu.
Díky nákladové efektivnosti výroby kyslíkové oceli byly továrny na výrobu otevřeného ohně nekonkurenceschopné a po příchodu výroby kyslíkové oceli v 60. letech se operace s otevřeným ohništěm začaly uzavírat. Poslední otevřený krb v USA byl uzavřen v roce 1992 a Čína v roce 2001.