Vystymasis plienas galima atsekti 4000 metų iki geležies amžiaus pradžios. Pasirodo esanti kietesnė ir tvirtesnė už bronzą, kuri anksčiau buvo plačiausiai naudojamas metalas, geležis pradėjo išstumti bronzą ginkluose ir įrankiuose.
Tačiau kelis ateinančius tūkstančius metų pagamintos geležies kokybė priklausys tiek nuo turimos rūdos, tiek nuo gamybos būdų.
XVII amžiuje geležies savybės buvo gerai suprantamos, tačiau dėl didėjančios urbanizacijos Europoje reikėjo universalesnio konstrukcinio metalo. XIX amžiuje geležies kiekis buvo suvartotas plečiant geležinkelius metalurgai su finansine paskata rasti geležies trapumo ir neefektyvių gamybos procesų sprendimą.
Neabejotinai didžiausias lūžis plieno istorijoje įvyko 1856 m., Kai vystėsi Henry Bessemer efektyvus būdas naudoti deguonį sumažinti anglies kiekį geležyje: Šiuolaikinė plieno pramonė buvo gimęs.
Geležies era
Esant labai aukštai temperatūrai, geležis pradeda absorbuoti anglį, kuri sumažina metalo lydymosi temperatūrą, todėl susidaro ketaus (nuo 2,5 iki 4,5% anglies). Sukūrus aukštakrosnes, kurias kinai pirmą kartą naudojo VI a. Pr. Kr., Bet viduramžiais plačiau naudojo Europoje, padidėjo ketaus gamyba.
Ketus yra išlydytas geležis, išbėgęs iš aukštakrosnių ir atvėsinamas pagrindiniame kanale bei gretimose formose. Dideli, centriniai ir šalia esantys mažesni luitai priminė paršavedžius ir žindomus paršelius.
Ketaus yra tvirtos, tačiau dėl anglies kiekio jis turi trapumą, todėl jis yra mažiau nei idealus darbui ir formavimui. Metalurgams sužinojus, kad didelis geležies anglies kiekis yra pagrindinė šios problemos problema trapumą, jie eksperimentavo su naujais anglies kiekio mažinimo metodais, kad geležis taptų daugiau darbingas.
XVIII a. Pabaigoje geležies gamintojai išmoko ketą paversti mažai anglies turinčiu kaustytu geležimi naudojant pudingo krosnis (sukurta Henry Corto 1784 m.). Krosnys kaitino išlydytą geležį, kurią balandžiai turėjo maišyti, naudodami ilgus irklo formos įrankius, leidžiant deguoniui jungtis ir lėtai pašalinti anglį.
Mažėjant anglies kiekiui, padidėja geležies lydymosi temperatūra, todėl krosnyje aglomeruotųsi geležies masės. Pavasaris šias mases pašalindavo ir padirbdavo kalimo plaktuku, prieš tai susukdamas į lakštus ar bėgius. Iki 1860 m. Didžiojoje Britanijoje buvo daugiau nei 3000 pudingo krosnių, tačiau procesą trukdė jos darbo ir kuro intensyvumas.
Viena ankstyviausių plieno formų - pūslinis plienas - buvo pradėta gaminti Vokietijoje ir Anglijoje 17 d amžiuje ir buvo gaminamas padidinus anglies kiekį išlydytoje ketus naudojant procesą, žinomą kaip cementavimas. Šiame procese kaltinės geležies strypai buvo sluoksniuojami su anglies milteliais akmens dėžėse ir šildomi.
Maždaug po savaitės geležis absorbuotų anglies anglį. Pakartotinis kaitinimas anglį pasiskirstytų tolygiau, o atvėsęs rezultatas būtų pūslinis plienas. Dėl didesnio anglies kiekio pūslinis plienas tapo daug darbingesnis nei ketaus, leidžiantis jį presuoti ar valcuoti.
Pūslinio plieno gamyba buvo pažengta 1740-aisiais, kai anglų laikrodininkas Benjaminas Huntsmanas bandė sukurti aukštos kokybės plieną savo laikrodžiui spyruoklės, nustatė, kad metalą galima ištirpinti moliniuose tigliuose ir išvalyti specialiu srautu, kad būtų pašalinti šlakai, kuriuos paliko cementavimo procesas už nugaros. Rezultatas buvo tiglis arba išlietas plienas. Tačiau dėl gamybos sąnaudų tiek lizdinės plokštelės, tiek lieto plienas kada nors buvo naudojamos tik specializuotoms reikmėms.
Dėl to putojančiose krosnyse pagamintas ketaus XIX a. Didžiojoje Britanijos dalyje išliko pagrindinis konstrukcinis metalas.
Besemerio procesas ir šiuolaikinė plieno gamyba
Geležinkelių augimas XIX amžiuje tiek Europoje, tiek Amerikoje padarė didžiulį spaudimą geležies pramonei, kuri vis dar kovojo su neefektyviais gamybos procesais. Plienas vis dar nebuvo įrodytas kaip konstrukcinis metalas, o gaminio gamyba buvo lėta ir brangi. Tai buvo iki 1856 m., Kai Henry Bessemeris sugalvojo efektyvesnį būdą, kaip į išlydytą geležį įnešti deguonį, kad sumažėtų anglies kiekis.
Dabar žinomas kaip Bessemerio procesas, Bessemeris sukūrė kriaušės formos indą, vadinamą „konverteriu“, kuriame geležį buvo galima kaitinti, o deguonį pūsti per išlydytą metalą. Kai deguonis praeina per išlydytą metalą, jis reaguoja su anglimi, išskirdamas anglies dioksidą ir gamindamas grynesnę geležį.
Procesas buvo greitas ir nebrangus, pašalinant anglį ir silicio nuo geležies per kelias minutes, bet kentėjo dėl per didelio pasisekimo. Buvo pašalinta per daug anglies, o galutiniame produkte liko per daug deguonies. Bessemeris galiausiai turėjo grąžinti savo investuotojams pinigus, kol jis ras būdą padidinti anglies kiekį ir pašalinti nepageidaujamą deguonį.
Maždaug tuo pačiu metu britų metalurgas Robertas Mushetas įsigijo ir pradėjo bandyti geležies, anglies ir manganas, žinomas kaip spiegeleisen. Buvo žinoma, kad manganas pašalina deguonį iš išlydytos geležies, o anglies kiekis spiegeleisene, jei jo bus pridėta tinkamu kiekiu, padėtų išspręsti Bessemerio problemas. Besemeris tai labai sėkmingai pradėjo įtraukti į savo atsivertimo procesą.
Liko viena problema. Bessemeriui nepavyko rasti būdo pašalinti fosforą, kenksmingą priemaišą, dėl kurios plienas tampa trapus, iš savo galutinio produkto. Todėl galima naudoti tik fosforo neturinčią rūdą iš Švedijos ir Velso.
1876 m. Velnas Sidney Gilchristas Thomas sugalvojo tirpalą, į Besemerio procesą įtraukdamas chemiškai pagrindinį srautą - kalkakmenį. Kalkakmenis iš ketaus į šlaką traukė fosforą, leidžiantį pašalinti nepageidaujamą elementą.
Ši naujovė reiškė, kad galiausiai geležies rūdą iš bet kurios pasaulio vietos galima naudoti plienui gaminti. Nenuostabu, kad plieno gamybos išlaidos ėmė žymiai mažėti. Plieninių bėgių kainos nuo 1867 m. Iki 1884 m. Nukrito daugiau nei 80% dėl naujų plieno gamybos būdų, kurie paskatino pasaulio plieno pramonės augimą.
Atviro židinio procesas
1860-aisiais vokiečių inžinierius Karlas Wilhelmas Siemensas dar labiau sustiprino plieno gamybą sukurdamas atvirojo židinio procesą. Atviro židinio procesas pagamino plieną iš ketaus didelėse sekliose krosnyse.
Procesas, naudojant aukštą temperatūrą deginant anglies perteklių ir kitas priemaišas, buvo pagrįstas šildomomis plytų kameromis žemiau židinio. Vėliau regeneracinėse krosnyse buvo naudojamos krosnies išmetamosios dujos, kad būtų palaikoma aukšta temperatūra žemiau esančiose plytų kamerose.
Šis metodas leido gaminti daug didesnius kiekius (vienoje krosnyje buvo galima pagaminti 50–100 metrinių tonų), periodiškai išlydyto plieno bandymai, kad jis atitiktų konkrečias specifikacijas, ir plieno laužo naudojimas kaip žaliavos medžiaga. Nors pats procesas buvo daug lėtesnis, 1900 m. Atvirojo židinio procesas pirmiausia pakeitė Besemerio procesą.
Plieno pramonės gimimas
Plieno gamybos revoliuciją, kuri suteikė pigesnes ir kokybiškesnes medžiagas, daugelis šių dienų verslininkų pripažino kaip investicinę galimybę. XIX amžiaus pabaigos kapitalistai, įskaitant Andrew Carnegie ir Charlesą Schwabą, investavo ir uždirbo milijonus (milijardus Carnegie atveju) į plieno pramonę. „Carnegie“ JAV plieno korporacija, įkurta 1901 m., Buvo pirmoji kada nors įkurta korporacija, kurios vertė viršijo milijardą dolerių.
Elektrinės lankinės krosnies plieno gamyba
Tik po amžių sandūros įvyko dar viena plėtra, turinti didelę įtaką plieno gamybos raidai. Paulo Heroulto elektrinė lankinė krosnis (EAF) buvo suprojektuota praleisti elektros srovę per įkrautą medžiagą, todėl egzotermiškai oksiduojasi ir temperatūra siekia iki 3272°F (1800°C), daugiau nei pakanka šildyti plieno gamybą.
Iš pradžių naudoti specialiesiems plienams, EAF naudojimas išaugo ir iki Antrojo pasaulinio karo buvo naudojami plieno lydinių gamybai. Žemos investicijų išlaidos, susijusios su EAF gamyklų steigimu, leido jiems konkuruoti su tokiais pagrindiniais JAV gamintojais kaip „US Steel Corp“. ir Betliejaus plienas, ypač anglinio plieno, arba ilgi gaminiai.
Kadangi EAF gali gaminti plieną iš 100% laužo arba šaltų juodųjų metalų pašarų, vienam gamybos vienetui reikia mažiau energijos. Priešingai nei pagrindiniai deguonies židiniai, operacijas taip pat galima sustabdyti ir pradėti su nedidelėmis sąnaudomis. Dėl šių priežasčių gamyba per EAF nuolat didėja daugiau nei 50 metų ir dabar sudaro apie 33% visos plieno gamybos.
Deguonies plieno gamyba
Didžioji dalis pasaulinės plieno gamybos, apie 66%, dabar gaminama pagrindinėse deguonies patalpose - kuriant metodą septintajame dešimtmetyje atskirtas deguonis nuo azoto pramoniniu mastu leido pasiekti didelę pažangą kuriant pagrindinį deguonį krosnys.
Pagrindinės deguonies krosnys deguonį pučia dideliu kiekiu išlydytos geležies ir plieno laužo ir gali greičiau užpildyti krūvį nei atvirojo židinio metodai. Dideli indai, talpinantys iki 350 metrinių tonų geležies, gali greičiau paversti plieną per mažiau nei valandą.
Deguonies plieno gamybos sąnaudų efektyvumas pavertė atvirų židinių gamyklas nekonkurencingomis, o praėjus šeštajame dešimtmetyje atsiradus deguonies plieno gamybai, atvirojo židinio operacijos buvo pradėtos uždaryti. Paskutinis atvirojo židinio įrenginys JAV buvo uždarytas 1992 m., O Kinija - 2001 m.