Razvoj jeklo lahko zasledimo 4000 let do začetka železne dobe. Izkazalo se je, da je trši in močnejši od brona, ki je bil prej najpogosteje uporabljena kovina, železo začel izpodrivati bron v orožju in orodju.
V naslednjih nekaj tisoč letih pa bi bila kakovost proizvedenega železa odvisna toliko od razpoložljive rude kot od načinov pridobivanja.
Do 17. stoletja so bile lastnosti železa že dobro razumljene, a vse večja urbanizacija v Evropi je zahtevala bolj vsestransko konstrukcijsko kovino. In do 19. stoletja je bila količina železa porabljena s širitvijo železnic metalurgi s finančno spodbudo najti rešitev za krhkost železa in neučinkovite proizvodne procese.
Nedvomno pa se je najbolj preboj v zgodovini jekla zgodil leta 1856, ko se je razvil Henry Bessemer učinkovit način uporabe kisika za zmanjšanje vsebnosti ogljika v železu: Sodobna jeklarska industrija je bila Rojen.
Obdobje železa
Pri zelo visokih temperaturah začne železo absorbirati ogljik, kar zniža tališče kovine, kar ima za posledico litoželezo (2,5 do 4,5% ogljika). Razvoj plavžev, ki so jih Kitajci prvič uporabili v 6. stoletju pred našim štetjem, v srednjem veku pa so ga bolj uporabljali v Evropi, je povečal proizvodnjo litega železa.
Surovo železo je staljeno železo, ki izteka iz plavžev in se ohladi v glavnem kanalu in sosednjih kalupih. Veliki, osrednji in sosednji manjši ingoti so spominjali na prašiče svinje in dojilje.
Litoželezo je močno, vendar zaradi vsebnosti ogljika trpi zaradi krhkosti, zaradi česar je manj kot idealno za obdelavo in oblikovanje. Ko so se metalurgi zavedali, da je visoka vsebnost ogljika v železu osrednjega pomena za problem krhkosti so eksperimentirali z novimi metodami za zmanjšanje vsebnosti ogljika, da bi železo postalo več izvedljivo.
Do konca 18. stoletja so se železarji naučili, kako litoželezno železo pretvoriti v kovano železo z nizko vsebnostjo ogljika s pomočjo lužinastih peči (razvil ga je Henry Cort leta 1784). Peči so segrevale staljeno železo, ki so ga morali lužini mešati z dolgimi orodji v obliki vesla, kar je kisiku omogočilo, da se poveže z ogljikom in ga počasi odstrani.
Ko se vsebnost ogljika zmanjšuje, se tališče železa povečuje, zato bi se mase železa aglomerirale v peči. Te mase bi lužnik odstranil in jih s kovačkim kladivom obdelal, preden bi jih valjal v rjuhe ali tirnice. Do leta 1860 je bilo v Veliki Britaniji več kot 3000 lužinskih peči, vendar je postopek še vedno oviral njegova delovna sila in intenzivnost porabe goriva.
Ena najzgodnejših oblik jekla, blister jeklo, se je začela proizvajati v Nemčiji in Angliji v 17. stoletju stoletja in je bil pridobljen s povečanjem vsebnosti ogljika v staljenem surovem železu po postopku, znanem kot cementiranje. V tem postopku so palice iz kovanega železa v kamnitih škatlah slojili z ogljem v prahu in segrevali.
Po približno enem tednu bi železo absorbiralo oglje v oglju. Ponavljajoče se ogrevanje bi ogljik enakomerneje porazdelilo, rezultat pa je bil po ohlajanju pretisni jeklo. Zaradi večje vsebnosti ogljika je pretisni jeklo veliko bolj uporabno kot surovo železo, kar omogoča njegovo stiskanje ali valjanje.
Proizvodnja pretisnega jekla je napredovala v 1740-ih, ko je angleški urar Benjamin Huntsman poskušal razviti visokokakovostno jeklo za svojo uro vzmeti, so ugotovili, da je kovino mogoče taliti v glinenih lončkih in jo rafinirati s posebnim tokom, da se odstrani žlindra, ki jo je pustil postopek cementiranja zadaj. Rezultat je bil lonček ali litino jekla. Toda zaradi proizvodnih stroškov so bili mehurčki in lito jeklo vedno uporabljeni le v posebnih aplikacijah.
Kot rezultat, je litega železa, narejenega v lužinastih pečeh, večino 19. stoletja ostalo glavna konstrukcijska kovina v industrializirajoči Britaniji.
Bessemerjev postopek in moderno jeklarstvo
Rast železnic v Evropi in Ameriki v 19. stoletju je močno pritiskala na železarsko industrijo, ki se je še vedno borila z neučinkovitimi proizvodnimi procesi. Jeklo še vedno ni dokazano kot konstrukcijska kovina, proizvodnja izdelka pa je bila počasna in draga. To je bilo do leta 1856, ko je Henry Bessemer prišel do učinkovitejšega načina vnosa kisika v staljeno železo za zmanjšanje vsebnosti ogljika.
Zdaj znan kot Bessemerjev postopek, je Bessemer zasnoval posodo v obliki hruške, imenovano "pretvornik", v katerem se lahko segreva železo, medtem ko se kisik lahko piha skozi staljeno kovino. Ko bi kisik prešel skozi staljeno kovino, bi reagiral z ogljikom, sproščal ogljikov dioksid in ustvaril bolj čisto železo.
Postopek je bil hiter in poceni z odstranjevanjem ogljika in silicij iz železa v nekaj minutah, vendar je bil preveč uspešen. Odstranili smo preveč ogljika, v končnem izdelku pa je ostalo preveč kisika. Bessemer je na koncu moral poplačati svoje vlagatelje, dokler ni našel metode za povečanje vsebnosti ogljika in odstranitev neželenega kisika.
Približno v istem času je britanski metalurg Robert Mushet kupil in začel testirati spojino železa, ogljika in mangan, znan kot spiegeleisen. Znano je, da mangan odstranjuje kisik iz staljenega železa, vsebnost ogljika v špigeleisnu pa, če ga dodamo v pravih količinah, predstavlja rešitev za Bessemerjeve težave. Bessemer ga je z velikim uspehom začel dodajati v svoj postopek pretvorbe.
Ena težava je ostala. Bessemerju ni uspelo najti načina, kako iz končnega izdelka odstraniti fosfor, škodljivo nečistoto, zaradi katere je jeklo krhko. Posledično se je lahko uporabljala samo ruda brez fosforja iz Švedske in Walesa.
Leta 1876 je Welshman Sidney Gilchrist Thomas prišel do rešitve, tako da je Bessemerjevemu postopku dodal kemično bazični tok, apnenec. Apnenec je iz surovega železa v žlindro potegnil fosfor, kar je omogočilo odstranitev neželenega elementa.
Ta novost je pomenila, da se lahko končno iz železove rude kjer koli na svetu uporabi jeklo. Ni presenetljivo, da so se stroški proizvodnje jekla začeli znatno zmanjševati. Cene jeklenih tirnic so se med letoma 1867 in 1884 znižale za več kot 80% kot rezultat novih tehnik proizvodnje jekla, ki so sprožile rast svetovne jeklarske industrije.
Proces odprtega ognjišča
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je nemški inženir Karl Wilhelm Siemens s svojim ustvarjanjem odprtega ognjišča še okrepil proizvodnjo jekla. Z odprtim ognjiščem so v velikih plitvih pečeh iz surovega železa proizvajali jeklo.
Postopek je z uporabo visokih temperatur za izgorevanje odvečnega ogljika in drugih nečistoč temeljil na ogrevanih opečnih komorah pod ognjiščem. Regenerativne peči so kasneje uporabljale izpušne pline iz peči za vzdrževanje visokih temperatur v opečnih komorah spodaj.
Ta metoda je omogočala proizvodnjo veliko večjih količin (v eni peči bi lahko proizvedli 50-100 ton), periodično preskušanje staljenega jekla, da bi bilo mogoče izdelati tako, da ustreza določenim specifikacijam, in uporabo odpadnega jekla kot surovega material. Čeprav je bil sam postopek precej počasnejši, je do leta 1900 postopek odprtega ognjišča predvsem nadomestil Bessemerjev postopek.
Rojstvo jeklarske industrije
Revolucijo v proizvodnji jekla, ki je zagotovila cenejši in kakovostnejši material, so številni takratni poslovneži prepoznali kot naložbeno priložnost. Kapitalisti poznega 19. stoletja, vključno z Andrewom Carnegiejem in Charlesom Schwabom, so v jeklarsko industrijo vložili in zaslužili milijone (v primeru Carnegieja milijarde). Carnegiejeva ameriška korporacija Steel Steel, ustanovljena leta 1901, je bila prva korporacija, ki je bila kdaj ustanovljena v vrednosti več kot milijardo dolarjev.
Izdelava jekla z elektroobločno pečjo
Takoj po prelomu stoletja se je zgodil še en razvoj, ki bi močno vplival na razvoj proizvodnje jekla. Električna obločna peč Paul Heroult (EAF) je bila zasnovana tako, da skozi naelektreni material prenaša električni tok, kar ima za posledico eksotermno oksidacijo in temperature do 3272°F (1800°C), več kot dovolj za ogrevanje proizvodnje jekla.
EAF so se sprva uporabljali za specialna jekla, v uporabi pa so se do druge svetovne vojne uporabljali za proizvodnjo jeklenih zlitin. Nizki investicijski stroški, povezani z ustanovitvijo obratov EAF, so jim omogočili, da konkurirajo velikim ameriškim proizvajalcem, kot je US Steel Corp. in betlehemskega jekla, zlasti v ogljikovih jeklih ali dolgih izdelkih.
Ker EAF lahko proizvajajo jeklo iz 100% ostankov ali hladne železove krme, je potrebno manj energije na enoto proizvodnje. V nasprotju z osnovnimi kisikovimi kurišči se lahko tudi operacije ustavijo in začnejo z malo povezanimi stroški. Iz teh razlogov se proizvodnja prek EAF že več kot 50 let nenehno povečuje in zdaj predstavlja približno 33% svetovne proizvodnje jekla.
Izdelava kisika iz jekla
Večina svetovne proizvodnje jekla, približno 66%, se zdaj proizvaja v osnovnih obratih za kisik - razvoj metode za ločevanje kisika od dušika v industrijskem obsegu v šestdesetih letih 20. stoletja omogočilo velik napredek pri razvoju osnovnega kisika peči.
Osnovne kisikove peči pihajo kisik v velike količine staljenega železa in ostankov jekla in lahko polnjenje napolnijo veliko hitreje kot odprte kurišča. Velika plovila s prostornino do 350 ton železa lahko pretvorijo v jeklo v manj kot eni uri.
Zaradi stroškovne učinkovitosti izdelovanja kisikovega jekla so odprte kurišča nekonkurenčne in po prihodu izdelovanja kisikovega jekla v šestdesetih letih so se odprte kurišča začele zapirati. Zadnje odprto ognjišče v ZDA se je zaprlo leta 1992, Kitajska pa leta 2001.