Razvoj željezo može se pratiti 4000 godina do početka željeznog doba. Pokazavši se tvrđim i jačim od bronce, koja je prije bila najčešće korišten metal, željezo počeo istiskivati broncu u oružju i oruđu.
Sljedećih nekoliko tisuća godina, međutim, kvaliteta proizvedenog željeza ovisila bi koliko o dostupnoj rudi, tako i o načinima proizvodnje.
Do 17. stoljeća svojstva željeza bila su dobro shvaćena, ali sve veća urbanizacija u Europi zahtijevala je svestraniji strukturni metal. A do 19. stoljeća, količina željeza koja se trošila širenjem pruga metalurzi uz financijski poticaj da se pronađe rješenje za lomljivost željeza i neučinkovite proizvodne procese.
Nesumnjivo je ipak da je najviše otkrića u povijesti čelika bilo 1856. godine kada se razvio Henry Bessemer učinkovit način korištenja kisika za smanjenje sadržaja ugljika u željezu: Moderna industrija čelika bila je rođen.
Era željeza
Na vrlo visokim temperaturama željezo počinje apsorbirati ugljik, što smanjuje točku topljenja metala, što rezultira lijevanjem željeza (2,5 do 4,5% ugljika). Razvoj visokih peći, koje su Kinezi prvi koristili u 6. stoljeću prije Krista, ali šire korištene u Europi tijekom srednjeg vijeka, povećao je proizvodnju lijevanog željeza.
Sirovo željezo je rastopljeno željezo koje istječe iz visokih peći i hladi se u glavnom kanalu i susjednim kalupima. Veliki, središnji i susjedni manji klipovi nalikovali su na krmače i odojke.
Lijevano željezo je snažno, ali pati od lomljivosti zbog sadržaja ugljika, što ga čini manje idealnim za obradu i oblikovanje. Kako su metalurzi postali svjesni da je visok udio ugljika u željezu središnji za problem krhkosti, eksperimentirali su s novim metodama za smanjenje sadržaja ugljika kako bi željezo postalo više obradiv.
Krajem 18. stoljeća proizvođači željeza naučili su kako transformirati lijevano sirovo željezo u kovano željezo s niskim udjelom ugljika pomoću lož-peći (razvio Henry Cort 1784.). Peći su zagrijavale rastopljeno željezo, koje su lokvice morale miješati pomoću dugih alata u obliku vesla, omogućujući kisiku da se kombinira i polako uklanja ugljik.
Kako se sadržaj ugljika smanjuje, talište željeza raste, pa bi se mase željeza nakupljale u peći. Te bi mase lopata uklanjao i obrađivao kovačkim čekićem prije nego što bi ih smotao u plahte ili tračnice. Do 1860. godine u Britaniji je bilo preko 3000 peći za lokvanje, ali taj je proces i dalje ometao radna snaga i intenzivnost goriva.
Jedan od najranijih oblika čelika, blister čelik, počeo je proizvoditi u Njemačkoj i Engleskoj u 17 stoljeća, a proizveden je povećanjem sadržaja ugljika u rastopljenom sirovom željezu postupkom poznatim kao cementiranje. U tom su procesu šipke od kovanog željeza naslojene ugljenom u prahu u kamene kutije i zagrijavane.
Nakon otprilike tjedan dana, željezo će upiti ugljik u ugljenu. Ponovljeno zagrijavanje ravnomjernije bi rasporedilo ugljik, a rezultat bi, nakon hlađenja, bio blister čelik. Veći sadržaj ugljika učinio je blister čelik mnogo obradivijim od sirovog željeza, omogućujući mu prešanje ili valjanje.
Proizvodnja čeličnog blistera napredovala je 1740-ih kada je engleski urar Benjamin Huntsman, pokušavajući razviti visokokvalitetni čelik za svoj sat izvori, otkrili su da se metal može topiti u glinenim loncima i pročistiti posebnim fluksom kako bi se uklonila troska koju je ostavio postupak cementiranja iza. Rezultat je bio lončić ili lijevani čelik. Ali zbog troškova proizvodnje, blister i lijevani čelik ikad su se koristili samo u specijalnim primjenama.
Kao rezultat toga, lijevano željezo izrađeno u lož-pećima ostalo je primarni strukturni metal u industrijalizaciji Britanije tijekom većeg dijela 19. stoljeća.
Bessemerov proces i moderna proizvodnja čelika
Rast željeznica tijekom 19. stoljeća i u Europi i u Americi vršio je ogroman pritisak na željeznu industriju koja se još uvijek borila s neučinkovitim proizvodnim procesima. Čelik još uvijek nije dokazan kao konstrukcijski metal, a proizvodnja proizvoda bila je spora i skupa. Bilo je to do 1856. godine kada je Henry Bessemer smislio učinkovitiji način uvođenja kisika u rastopljeno željezo za smanjenje sadržaja ugljika.
Sada poznat kao Bessemerov postupak, Bessemer je dizajnirao posudu u obliku kruške, koja se naziva 'pretvaračem' u kojem se željezo može zagrijavati dok se kisik može puhati kroz rastaljeni metal. Kako bi kisik prolazio kroz rastaljeni metal, reagirao bi s ugljikom, oslobađajući ugljični dioksid i stvarajući čistije željezo.
Postupak je bio brz i jeftin, uklanjanjem ugljika i silicij od željeza u nekoliko minuta, ali pretrpio je previše uspjeha. Uklonjeno je previše ugljika, a previše je kisika ostalo u konačnom proizvodu. Bessemer se na kraju morao odužiti svojim investitorima dok nije uspio pronaći metodu za povećanje sadržaja ugljika i uklanjanje neželjenog kisika.
Otprilike u isto vrijeme, britanski metalurg Robert Mushet nabavio je i započeo ispitivanje spoja željeza, ugljika i mangan, poznat kao spiegeleisen. Znano je da mangan uklanja kisik iz rastopljenog željeza, a sadržaj ugljika u špigeleisenu, ako se doda u pravim količinama, pružit će rješenje za Bessemerove probleme. Bessemer ga je s velikim uspjehom počeo dodavati u svoj proces obraćenja.
Ostao je jedan problem. Bessemer nije uspio pronaći način da iz svog krajnjeg proizvoda ukloni fosfor, štetnu nečistoću koja čini čelik krhkim. Slijedom toga, mogla se koristiti samo ruda bez fosfora iz Švedske i Walesa.
1876. Velšanin Sidney Gilchrist Thomas došao je do rješenja dodavanjem kemijski osnovnog fluksa, vapnenca u Bessemerov postupak. Vapnenac je iz sirovog željeza u trosku povukao fosfor, omogućujući uklanjanje neželjenog elementa.
Ova je inovacija značila da se napokon željezna ruda s bilo kojeg mjesta na svijetu može koristiti za proizvodnju čelika. Nije iznenađujuće što su se troškovi proizvodnje čelika počeli znatno smanjivati. Cijene čeličnih šina pale su za više od 80% između 1867. i 1884. godine, kao rezultat novih tehnika proizvodnje čelika, koje su pokrenule rast svjetske industrije čelika.
Proces otvorenog ognjišta
1860-ih njemački inženjer Karl Wilhelm Siemens dodatno je poboljšao proizvodnju čelika stvaranjem procesa otvorenog ognjišta. Otvoreni kamin proizvodio je čelik od sirovog željeza u velikim plitkim pećima.
Proces se, koristeći visoke temperature za sagorijevanje viška ugljika i drugih nečistoća, oslanjao na zagrijane komore od opeke ispod ognjišta. Regenerativne peći su kasnije koristile ispušne plinove iz peći za održavanje visokih temperatura u komorama od opeke ispod.
Ova metoda omogućila je proizvodnju mnogo većih količina (u jednoj peći moglo bi se proizvesti 50-100 tona), periodično ispitivanje rastaljenog čelika kako bi mogao biti u skladu s određenim specifikacijama i upotreba otpadnog čelika kao sirovog materijal. Iako je sam proces bio puno sporiji, do 1900. godine otvoreni je proces primarno zamijenio Bessemerov postupak.
Rođenje čelične industrije
Revoluciju u proizvodnji čelika koja je pružila jeftiniji i kvalitetniji materijal mnogi su današnji poduzetnici prepoznali kao priliku za ulaganje. Kapitalisti s kraja 19. stoljeća, uključujući Andrewa Carnegieja i Charlesa Schwaba, uložili su i zaradili milijune (milijarde u slučaju Carnegie) u industriji čelika. Carnegiejeva američka čelična korporacija, osnovana 1901. godine, bila je prva korporacija ikad pokrenuta, čija je vrijednost prelazi milijardu dolara.
Izrada čeličnih elektrolučnih peći
Neposredno nakon prijelaza stoljeća, dogodio se još jedan razvoj koji će imati snažan utjecaj na razvoj proizvodnje čelika. Električna lučna peć (EAF) Paula Heroulta dizajnirana je za propuštanje električne struje kroz nabijeni materijal, što rezultira egzotermnom oksidacijom i temperaturama do 3272°Ž (1800°C), više nego dovoljan za zagrijavanje proizvodnje čelika.
U početku korišteni za specijalne čelike, EAF-ovi su se više koristili, a do Drugog svjetskog rata koristili su se za proizvodnju čeličnih legura. Niski investicijski troškovi uključeni u osnivanje tvornica EAF omogućili su im da se natječu s glavnim američkim proizvođačima poput US Steel Corp. i Betlehemski čelik, posebno u ugljičnim čelikima ili dugim proizvodima.
Budući da EAF-ovi mogu proizvoditi čelik od 100% otpada ili hladne željezne sirovine, potrebno je manje energije po jedinici proizvodnje. Za razliku od osnovnih ognjišta s kisikom, operacije se također mogu zaustaviti i započeti uz malo povezane troškove. Iz tih razloga proizvodnja putem EAF-a neprekidno se povećava više od 50 godina i sada čini oko 33% svjetske proizvodnje čelika.
Proizvodnja kisika od kisika
Većina svjetske proizvodnje čelika, oko 66%, sada se proizvodi u osnovnim postrojenjima za kisik - razvoj metode za odvajanje kisika od dušika u industrijskim razmjerima 1960-ih omogućilo je velik napredak u razvoju osnovnog kisika peći.
Osnovne peći za kisik pušu kisik u velike količine rastopljenog željeza i otpadnog čelika i mogu dovršiti punjenje mnogo brže od metoda s otvorenom peći. Velike posude s do 350 metričkih tona željeza mogu pretvoriti u čelik za manje od jednog sata.
Efikasnost troškova proizvodnje kisikovog čelika učinila je tvornice otvorenih ognjišta nekonkurentnima, a nakon pojave proizvodnje čelika kisikom 1960-ih, operacije s otvorenim ognjištem počele su se zatvarati. Posljednje otvoreno ognjište u SAD-u zatvoreno je 1992., a Kina 2001. godine.