Programmas attīstība tērauds var izsekot 4000 gadus līdz dzelzs laikmeta sākumam. Izrādījās, ka tā ir cietāka un izturīgāka par bronzu, kas iepriekš bija visplašāk izmantotais metāls, dzelzs sāka izspiest bronzu ieročos un instrumentos.
Tomēr dažus nākamos tūkstošus gadu saražotā dzelzs kvalitāte būtu tikpat atkarīga no pieejamās rūdas kā no ražošanas metodēm.
Līdz 17. gadsimtam dzelzs īpašības bija labi izprotamas, taču pieaugošā urbanizācija Eiropā prasīja daudzpusīgāku strukturālo metālu. Un līdz 19. gadsimtam dzelzs daudzums tika patērēts, paplašinot dzelzceļu metalurgi ar finansiālu stimulu rast risinājumu dzelzs trauslumam un neefektīviem ražošanas procesiem.
Neapšaubāmi, tomēr vislielākais sasniegums tērauda vēsturē notika 1856. gadā, kad attīstījās Henrijs Besemers efektīvs veids, kā izmantot skābekli, lai samazinātu oglekļa saturu dzelzs: Mūsdienu tērauda rūpniecība bija dzimis.
Dzelzs laikmets
Ļoti augstā temperatūrā dzelzs sāk absorbēt oglekli, kas pazemina metāla kušanas temperatūru, kā rezultātā rodas čuguns (2,5 līdz 4,5% oglekļa). Domnu attīstība, ko ķīnieši pirmo reizi izmantoja 6. gadsimtā pirms mūsu ēras, bet viduslaikos Eiropā izmantoja plašāk, palielināja čuguna ražošanu.
Čuguns ir izkausēts dzelzs, kas izplūst no domnām un atdzesēts galvenajā kanālā un blakus esošajās veidnēs. Lielie, centrālie un blakus esošie mazākie lietņi atgādināja sivēnmātes un zīdītājus.
Čuguns ir izturīgs, taču tā oglekļa satura dēļ ir trausls, tāpēc tas ir mazāk nekā ideāls darbam un formēšanai. Kad metalurgi uzzināja, ka augsts oglekļa saturs dzelzs ir galvenā problēma trauslumu, viņi eksperimentēja ar jaunām metodēm oglekļa satura samazināšanai, lai padarītu dzelzi vairāk darbspējīgs.
Līdz 18. gadsimta beigām dzelzs ražotāji uzzināja, kā čugunu pārveidot par zemu oglekļa saturu kaltā dzelzs izstrādājumos, izmantojot pudiņu krāsnis (kuru izstrādāja Henrijs Korts 1784. gadā). Krāsnis sildīja izkausētu dzelzi, kuru peļķes bija jāmaisa, izmantojot garus, aira formas rīkus, ļaujot skābeklim apvienoties un lēnām atdalīt oglekli.
Samazinoties oglekļa saturam, palielinās dzelzs kušanas temperatūra, tāpēc krāsnī aglomerētos dzelzs masas. Šīs masas pirms to velmēšanas loksnēs vai sliedēs peļķe noņēma un strādāja ar kalta āmuru. Līdz 1860. gadam Lielbritānijā bija vairāk nekā 3000 peļķes krāsnis, taču procesu joprojām kavēja tās darbaspēks un degvielas intensitāte.
Viena no agrākajām tērauda formām, blistera tērauds, ražošanu sāka Vācijā un Anglijā 17. gadā gadsimtā un tika ražots, palielinot oglekļa saturu izkausētā čugunā, izmantojot procesu, kas pazīstams kā cementēšana. Šajā procesā kaltas dzelzs stieņi tika slāņoti ar kokogļu pulveri akmens kastēs un karsēti.
Pēc apmēram nedēļas dzelzs absorbētu oglē esošo ogli. Atkārtota karsēšana vienmērīgāk sadalīs oglekli, un pēc atdzesēšanas rezultāts bija blistera tērauds. Lielāks oglekļa saturs padarīja blistera tēraudu daudz darbspējīgāku nekā čuguns, ļaujot to presēt vai velmēt.
Blistera tērauda ražošana attīstījās 1740. gados, kad angļu pulksteņmeistars Bendžamins Hantsmans mēģināja izstrādāt augstas kvalitātes tēraudu savam pulkstenim atsperes, konstatēja, ka metālu var izkausēt māla tīģelī un rafinēt ar īpašu plūsmu, lai noņemtu izdedžus, ko atstāja cementēšanas process aiz muguras. Rezultāts bija tīģelis vai lietais tērauds. Bet ražošanas izmaksu dēļ gan blisteri, gan lietie tēraudi jebkad tika izmantoti tikai speciālos nolūkos.
Rezultātā peļķes krāsnīs izgatavotais čuguns 19. gadsimta lielākajā daļā palika Lielbritānijas industrializācijas laikā par galveno strukturālo metālu.
Besemera process un mūsdienu tērauda izgatavošana
Dzelzceļa pieaugums 19. gadsimtā gan Eiropā, gan Amerikā izdarīja milzīgu spiedienu uz dzelzs rūpniecību, kas joprojām cīnījās ar neefektīviem ražošanas procesiem. Tērauds joprojām nebija pierādīts kā strukturāls metāls, un produkta ražošana bija lēna un dārga. Tas notika līdz 1856. gadam, kad Henrijs Besemers nāca klajā ar efektīvāku veidu, kā izkausētajā dzelzī ievadīt skābekli, lai samazinātu oglekļa saturu.
Tagad pazīstams kā Besemera process, Besemers izstrādāja bumbieru formas tvertni, ko dēvēja par “pārveidotāju”, kurā dzelzi varēja uzkarsēt, kamēr izkusušajam metālam varēja izpūst skābekli. Skābeklis, izejot caur izkusušo metālu, reaģētu ar oglekli, atbrīvojot oglekļa dioksīdu un ražojot tīrāku dzelzi.
Process bija ātrs un lēts, atdalot oglekli un silīcijs no dzelzs dažu minūšu laikā, bet cieta no pārāk veiksmīgiem panākumiem. Pārāk daudz oglekļa tika noņemts, un galaproduktā palika pārāk daudz skābekļa. Besemeram galu galā bija jāatmaksā ieguldītājiem, līdz viņš varēja atrast metodi, kā palielināt oglekļa saturu un noņemt nevēlamo skābekli.
Apmēram tajā pašā laikā britu metalurgs Roberts Mošets iegādājās un sāka testēt dzelzs, oglekļa un mangāns, kas pazīstams kā spiegeleisen. Bija zināms, ka mangāns atdala skābekli no izkausēta dzelzs, un, ja oglekļa saturs spiegeleisenā, ja to pievienos pareizā daudzumā, sniegs risinājumu Besemera problēmām. Besemers ar lieliem panākumiem sāka to pievienot savam atgriešanās procesam.
Palika viena problēma. Besemeram neizdevās atrast veidu, kā no galaprodukta noņemt fosforu, kaitīgu piemaisījumu, kas padara tēraudu trauslu. Līdz ar to varēja izmantot tikai Zviedrijā un Velsā esošo fosfora nesaturošo rūdu.
1876. gadā velsietis Sidnijs Gilkrists Tomass nāca klajā ar risinājumu, pievienojot Besemera procesam ķīmiski pamata plūsmu - kaļķakmeni. Kaļķakmens no čuguna ievilka fosforu izdedžos, ļaujot noņemt nevēlamo elementu.
Šis jauninājums nozīmēja, ka, visbeidzot, dzelzs rūdu no jebkuras vietas pasaulē var izmantot tērauda ražošanai. Nav pārsteidzoši, ka tērauda ražošanas izmaksas sāka ievērojami samazināties. Laikposmā no 1867. līdz 1884. gadam tērauda dzelzceļa cenas samazinājās par vairāk nekā 80%, pateicoties jaunajām tērauda ražošanas metodēm, kas izraisīja pasaules tērauda rūpniecības izaugsmi.
Atvērtā pavarda process
1860. gados vācu inženieris Karls Vilhelms Siemens vēl vairāk uzlaboja tērauda ražošanu, izveidojot atvērtā kamīna procesu. Atvērtā krāsns procesā no čuguna tērauds tika ražots lielās seklajās krāsnīs.
Process, izmantojot augstu temperatūru, lai sadedzinātu lieko oglekli un citus piemaisījumus, balstījās uz apsildāmām ķieģeļu kamerām zem pavarda. Atjaunojošās krāsnis vēlāk izmantoja izplūdes gāzes no krāsns, lai uzturētu augstu temperatūru ķieģeļu kamerās zemāk.
Šī metode ļāva ražot daudz lielākus daudzumus (vienā krāsnī varēja saražot 50–100 metriskās tonnas), periodiski izkausētā tērauda testēšana, lai to varētu izpildīt īpašās specifikācijās, un tērauda lūžņu izmantošana kā neapstrādāta materiāls. Kaut arī pats process noritēja daudz lēnāk, līdz 1900. gadam atvērto pavardu process galvenokārt aizstāja Besemera procesu.
Tērauda rūpniecības dzimšana
Revolūciju tērauda ražošanā, kas nodrošināja lētākus un kvalitatīvākus materiālus, daudzi šīs dienas uzņēmēji atzina par investīciju iespēju. 19. gadsimta beigu kapitālisti, tostarp Endrjū Karnegijs un Čārlzs Švabs, ieguldīja un nopelnīja miljonus (Karnegi gadījumā miljardus) tērauda rūpniecībā. Karnegi ASV tērauda korporācija, kas dibināta 1901. gadā, bija pirmā jebkad dibinātā korporācija, kuras vērtība pārsniedz vienu miljardu dolāru.
Elektriskā loka krāsns tērauda izgatavošana
Tieši pēc gadsimtu mijas notika vēl viena attīstība, kas spēcīgi ietekmēs tērauda ražošanas attīstību. Pola Heroulta elektriskā loka krāsns (EAF) bija paredzēta elektriskās strāvas novadīšanai caur uzlādētu materiālu, kā rezultātā notiek eksotermiska oksidēšanās un temperatūra līdz 3272°F (1800°C), vairāk nekā pietiekams tērauda ražošanas sildīšanai.
Sākotnēji speciālajiem tēraudiem izmantojamais EAF lietojums pieauga, un līdz Otrajam pasaules karam tos izmantoja tērauda sakausējumu ražošanai. Zemās ieguldījumu izmaksas, kas saistītas ar EAF rūpnīcu izveidi, ļāva viņiem konkurēt ar lielākajiem ASV ražotājiem, piemēram, US Steel Corp. un Betlēmes tērauds, īpaši oglekļa tēraudos, vai garie izstrādājumi.
Tā kā EAF var ražot tēraudu no 100% metāllūžņu vai aukstas dzelzs barības, uz vienu produkcijas vienību ir nepieciešams mazāk enerģijas. Atšķirībā no pamata skābekļa kurtuvēm, darbību var arī pārtraukt un sākt ar nelielu saistītu izmaksu. Šo iemeslu dēļ ražošana, izmantojot EAF, pastāvīgi pieaug jau vairāk nekā 50 gadus, un tagad tā veido apmēram 33% no pasaules tērauda ražošanas.
Skābekļa tērauda ražošana
Lielākā daļa pasaules tērauda ražošanas, aptuveni 66%, tagad tiek ražota skābekļa pamatiekārtās - izstrādājot metodi atsevišķa skābekļa atdalīšana no slāpekļa rūpnieciskā mērogā pagājušā gadsimta 60. gados ļāva panākt ievērojamu progresu pamata skābekļa attīstībā krāsnis.
Bāzes skābekļa krāsnis skābekli iepūš lielā daudzumā izkausēta dzelzs un tērauda lūžņu, un lādiņu var pabeigt daudz ātrāk nekā atklātā kurtuves metodes. Lieli kuģi, kas satur līdz 350 metriskām tonnām dzelzs, var pārveidot par tēraudu mazāk nekā stundas laikā.
Skābekļa tērauda ražošanas rentabilitāte padarīja atklātā kurtuves rūpnīcas nekonkurētspējīgas, un pēc skābekļa tērauda ražošanas parādīšanās pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados atklāto pavardu darbības sāka slēgt. Pēdējā atklātā kamīna iekārta ASV tika slēgta 1992. gadā, bet Ķīna - 2001. gadā.