Разработването на стомана може да се проследи 4000 години до началото на желязната епоха. Оказвайки се по-твърд и по-здрав от бронза, който преди е бил най-широко използваният метал, желязо започна да измества бронза в оръжията и инструментите.
През следващите няколко хиляди години обаче качеството на произведеното желязо ще зависи както от наличната руда, така и от методите за производство.
Към 17 век свойствата на желязото бяха добре разбрани, но нарастващата урбанизация в Европа изискваше по-гъвкав структурен метал. И към 19-ти век, количеството желязо, консумирано от разширяването на железопътните линии, е осигурено металурзи с финансовия стимул да се намери решение на чупливостта на желязото и неефективните производствени процеси.
Несъмнено обаче най-големият пробив в историята на стоманата е през 1856 г., когато се развива Хенри Бесемер ефективен начин за използване на кислород за намаляване на съдържанието на въглерод в желязото: Съвременната стоманена индустрия беше роден.
Ерата на желязото
При много високи температури желязото започва да абсорбира въглерод, което понижава точката на топене на метала, което води до чугун (2,5 до 4,5% въглерод). Разработването на доменни пещи, използвано за пръв път от китайците през 6 век пр. Н. Е., Но по-широко използвано в Европа през Средновековието, увеличи производството на чугун.
Чугунът е разтопено желязо, изтичащо от доменните пещи и охлаждано в главния канал и прилежащите форми. Големите, централни и прилежащи по-малки слитъци приличаха на свине и кърмачета.
Чугунът е здрав, но страда от чупливост поради съдържанието на въглерод, което го прави по-малко от идеален за работа и оформяне. Тъй като металурзите осъзнаха, че високото съдържание на въглерод в желязото е от основно значение за проблема с чупливост, те експериментираха с нови методи за намаляване на съдържанието на въглерод, за да направят желязото повече работещ.
До края на 18-ти век производителите на желязо се научиха как да трансформират чугун в нисковъглеродно ковано желязо, използвайки пещи за локви (разработени от Хенри Корт през 1784 г.) Пещите загряват разтопено желязо, което трябва да се разбърква от локвари с помощта на дълги инструменти с форма на гребло, позволявайки на кислорода да се комбинира и бавно да отстранява въглерода.
С намаляването на съдържанието на въглерод температурата на топене на желязото се увеличава, така че желязото ще се агломерира в пещта. Тези маси щяха да бъдат премахнати и обработени с ковачен чук от локва, преди да бъдат навити на чаршафи или релси. Към 1860 г. във Великобритания имаше над 3000 пещи на локва, но процесът остава затруднен от трудоемкостта и интензивността на горивото.
Една от най-ранните форми на стомана, блистерната стомана, започва производството в Германия и Англия през 17-ти век и е произведен чрез увеличаване на съдържанието на въглерод в разтопено чугун с помощта на процес, известен като циментиране. При този процес барове от ковано желязо бяха наслоени с прахообразни въглища в каменни кутии и нагрявани.
След около седмица желязото ще абсорбира въглерода във въглищата. Повторното нагряване би разпределило въглерода по-равномерно и резултатът, след охлаждане, беше блистерна стомана. По-високото съдържание на въглерод направи блистерната стомана много по-работоспособна от чугуна, което позволява да се пресова или валцува.
Производството на блистерни стомани напредва през 1740-те, когато английският часовникар Бенджамин Хънтсман, докато се опитва да разработи висококачествена стомана за своя часовник пружини, установиха, че металът може да се стопи в глинени тигли и да се рафинира със специален поток за отстраняване на шлаката, която процесът на циментиране остави отзад. Резултатът е тигел или отливка от стомана. Но поради производствените разходи, както блистер, така и отлита стомана са били използвани само в специални приложения.
В резултат на това чугунът, направен в локвични пещи, остава основният структурен метал в индустриализиращата се Великобритания през по-голямата част от 19-ти век.
Процесът на Бесемер и модерното производство на стомана
Растежът на железопътните линии през 19 век както в Европа, така и в Америка оказва огромен натиск върху желязната индустрия, която все още се бори с неефективни производствени процеси. Стоманата все още не е доказана като структурен метал и производството на продукта е бавно и скъпо. Това беше до 1856 г., когато Хенри Бесемер излезе с по-ефективен начин за въвеждане на кислород в разтопеното желязо за намаляване на съдържанието на въглерод.
Сега известен като Бесемеров процес, Бесемер проектира крушовиден съд, наричан „преобразувател“, в който желязото може да се нагрява, докато кислородът може да се издухва през разтопения метал. Когато кислородът преминава през разтопения метал, той реагира с въглерода, отделяйки въглероден диоксид и произвеждайки по-чисто желязо.
Процесът беше бърз и евтин, премахвайки въглерода и силиций от желязо за броени минути, но страдаше от твърде голям успех. Отстранява се твърде много въглерод и в крайния продукт остава твърде много кислород. В крайна сметка Бесемер трябваше да изплати своите инвеститори, докато не намери метод за увеличаване на съдържанието на въглерод и премахване на нежелания кислород.
Приблизително по същото време британският металург Робърт Муше придоби и започна да тества съединение от желязо, въглерод и манган, известен като spiegeleisen. Известно е, че манганът премахва кислорода от разтопеното желязо и съдържанието на въглерод в шпигелайзена, ако се добави в правилните количества, ще даде решение на проблемите на Бесемер. Бесемер започна да го добавя към своя процес на преобразуване с голям успех.
Остава един проблем. Бесемер не беше успял да намери начин да премахне фосфора, вредното примес, което прави стоманата чуплива, от крайния си продукт. Следователно може да се използва само руда без фосфор от Швеция и Уелс.
През 1876 г. уелсецът Сидни Гилкрист Томас излезе с решението, като добави химически основен поток, варовик, към процеса на Бесемер. Варовикът изтегля фосфор от чугуна в шлаката, позволявайки нежеланият елемент да бъде отстранен.
Това нововъведение означава, че накрая желязната руда от всяка точка на света може да се използва за производство на стомана. Не е изненадващо, че разходите за производство на стомана започнаха значително да намаляват. Цените на стоманените релси са спаднали с над 80% между 1867 и 1884 г. в резултат на новите техники за производство на стомана, иницииращи растежа на световната стоманена индустрия.
Процесът на открито огнище
През 60-те години на 20-ти век немският инженер Карл Вилхелм Сименс допълнително подобрява производството на стомана чрез създаването си на мартенен процес. Процесът с маркет произвежда стомана от чугун в големи плитки пещи.
Процесът, използвайки високи температури за изгаряне на излишния въглерод и други примеси, разчиташе на отопляеми тухлени камери под огнището. По-късно регенеративните пещи използваха отработени газове от пещта, за да поддържат високи температури в тухлените камери отдолу.
Този метод позволява производството на много по-големи количества (50-100 метрични тона могат да бъдат произведени в една пещ), периодично изпитване на стопената стомана, така че да може да бъде направена така, че да отговаря на определени спецификации и използването на скрап стомана като суровина материал. Въпреки че самият процес е бил много по-бавен, до 1900 г. процесът с открито огнище е заменил основно процеса на Бесемер.
Раждане на стоманената индустрия
Революцията в производството на стомана, която осигури по-евтини и по-качествени материали, беше призната от много бизнесмени на деня като възможност за инвестиция. Капиталистите от края на 19 век, включително Андрю Карнеги и Чарлз Шваб, инвестираха и спечелиха милиони (милиарди в случая на Карнеги) в стоманодобивната индустрия. US Steel Corporation на Carnegie, основана през 1901 г., е първата корпорация, стартирана някога на стойност над един милиард долара.
Електрическа дъгова пещ за производство на стомана
Точно след края на века се случи друго развитие, което би оказало силно влияние върху развитието на производството на стомана. Електрическата дъгова пещ на Paul Heroult (EAF) е проектирана да пропуска електрически ток през зареден материал, което води до екзотермично окисляване и температури до 3272°F (1800°В), повече от достатъчно за отопление на производството на стомана.
Първоначално използвани за специални стомани, EAF са се разраствали и до Втората световна война са били използвани за производството на стоманени сплави. Ниските инвестиционни разходи, свързани с създаването на мелници за EAF, им позволиха да се конкурират с големите американски производители като US Steel Corp. и Витлеемска стомана, особено във въглеродни стомани или дълги продукти.
Тъй като EAF могат да произвеждат стомана от 100% скрап или студени железни фуражи, е необходима по-малко енергия на единица продукция. За разлика от основните кислородни огнища, операциите също могат да бъдат спрени и стартирани с малко свързани разходи. Поради тези причини производството чрез EAF непрекъснато се увеличава повече от 50 години и сега представлява около 33% от световното производство на стомана.
Кислородно производство на стомана
По-голямата част от световното производство на стомана, около 66%, сега се произвежда в основни кислородни съоръжения - разработването на метод за отделянето на кислород от азота в промишлени мащаби през 60-те години на миналия век позволи голям напредък в развитието на основния кислород пещи.
Основните кислородни пещи издухват кислород в големи количества разтопено желязо и скрап и могат да изпълнят зареждането много по-бързо от методите с маркет. Големите съдове с вместимост до 350 метрични тона желязо могат да завършат превръщането си в стомана за по-малко от един час.
Ефективността на разходите при производството на кислородна стомана направи маркетните фабрики неконкурентоспособни и след появата на производството на кислородна стомана през 60-те години откритите операции започнаха да се затварят. Последното открито съоръжение в САЩ е затворено през 1992 г. и Китай през 2001 г.