O desenvolvimento de aço pode ser rastreada 4000 anos para o início da Idade do Ferro. Provando ser mais duro e mais forte do que o bronze, que antes era o metal mais usado, ferro começou a substituir o bronze em armas e ferramentas.
Nos milhares de anos seguintes, entretanto, a qualidade do ferro produzido dependeria tanto do minério disponível quanto dos métodos de produção.
No século 17, as propriedades do ferro eram bem compreendidas, mas a crescente urbanização na Europa exigia um metal estrutural mais versátil. E no século 19, a quantidade de ferro consumido pela expansão das ferrovias proporcionou metalúrgicos com o incentivo financeiro para encontrar uma solução para a fragilidade do ferro e os processos produtivos ineficientes.
Sem dúvida, porém, o maior avanço na história do aço veio em 1856, quando Henry Bessemer desenvolveu uma maneira eficaz de usar o oxigênio para reduzir o teor de carbono no ferro: A indústria siderúrgica moderna foi nascermos.
A era do ferro
Em temperaturas muito altas, o ferro começa a absorver carbono, o que diminui o ponto de fusão do metal, resultando em ferro fundido (2,5 a 4,5% de carbono). O desenvolvimento de altos-fornos, usados pela primeira vez pelos chineses no século 6 aC, mas mais amplamente usados na Europa durante a Idade Média, aumentou a produção de ferro fundido.
O ferro-gusa é o ferro fundido que sai dos altos-fornos e é resfriado no canal principal e nos moldes adjacentes. Os lingotes grandes, centrais e menores adjacentes pareciam uma porca e leitões em fase de amamentação.
O ferro fundido é forte, mas sofre de fragilidade devido ao seu conteúdo de carbono, o que o torna menos do que ideal para trabalhar e modelar. Conforme os metalúrgicos se conscientizaram de que o alto teor de carbono no ferro era central para o problema de fragilidade, eles experimentaram novos métodos para reduzir o teor de carbono para tornar o ferro mais viável.
No final do século 18, os siderúrgicos aprenderam a transformar o ferro-gusa fundido em um ferro forjado de baixo teor de carbono usando fornos de poça (desenvolvidos por Henry Cort em 1784). Os fornos aqueciam o ferro fundido, que precisava ser agitado por puddlers usando ferramentas longas em forma de remo, permitindo que o oxigênio se combinasse e remova lentamente o carbono.
À medida que o teor de carbono diminui, o ponto de fusão do ferro aumenta, então as massas de ferro se aglomeram na fornalha. Essas massas seriam removidas e trabalhadas com um martelo de forja pelo puddler antes de serem enroladas em placas ou trilhos. Em 1860, havia mais de 3.000 fornos de poça na Grã-Bretanha, mas o processo permaneceu prejudicado por sua intensidade de trabalho e combustível.
Uma das primeiras formas de aço, o aço bolha, iniciou a produção na Alemanha e na Inglaterra no dia 17 século e foi produzido aumentando o teor de carbono no ferro-gusa fundido usando um processo conhecido como cimentação. Nesse processo, barras de ferro forjado eram revestidas com carvão em pó em caixas de pedra e aquecidas.
Após cerca de uma semana, o ferro iria absorver o carbono do carvão. O aquecimento repetido distribuiria o carbono de maneira mais uniforme e o resultado, após o resfriamento, seria aço inoxidável. O maior teor de carbono tornou o aço tipo bolha muito mais trabalhável do que o ferro-gusa, permitindo sua prensagem ou laminação.
A produção de aço bolha avançou na década de 1740, quando o relojoeiro inglês Benjamin Huntsman tentava desenvolver aço de alta qualidade para seu relógio molas, descobriram que o metal poderia ser derretido em cadinhos de argila e refinado com um fluxo especial para remover a escória que o processo de cimentação deixou atrás. O resultado foi um cadinho, ou aço fundido. Porém, devido ao custo de produção, tanto a bolha quanto o aço fundido eram usados apenas em aplicações especiais.
Como resultado, o ferro fundido feito em fornos de poça permaneceu o metal estrutural primário na industrialização da Grã-Bretanha durante a maior parte do século XIX.
O processo Bessemer e a moderna produção de aço
O crescimento das ferrovias durante o século 19 na Europa e na América colocou uma enorme pressão sobre a indústria do ferro, que ainda lutava com processos de produção ineficientes. O aço ainda não tinha sido comprovado como metal estrutural e a produção do produto era lenta e cara. Isso foi até 1856, quando Henry Bessemer descobriu uma maneira mais eficaz de introduzir oxigênio no ferro fundido para reduzir o teor de carbono.
Agora conhecido como Processo Bessemer, Bessemer projetou um receptáculo em forma de pera, conhecido como "conversor", no qual o ferro poderia ser aquecido enquanto o oxigênio poderia ser soprado através do metal fundido. Conforme o oxigênio passasse pelo metal fundido, ele reagiria com o carbono, liberando dióxido de carbono e produzindo um ferro mais puro.
O processo foi rápido e barato, removendo carbono e silício de ferro em questão de minutos, mas sofreu por ser muito bem sucedido. Muito carbono foi removido e muito oxigênio permaneceu no produto final. No final das contas, Bessemer teve que reembolsar seus investidores até que pudesse encontrar um método para aumentar o teor de carbono e remover o oxigênio indesejado.
Quase na mesma época, o metalúrgico britânico Robert Mushet adquiriu e começou a testar um composto de ferro, carbono e manganês, conhecido como spiegeleisen. O manganês era conhecido por remover o oxigênio do ferro fundido e o conteúdo de carbono no spiegeleisen, se adicionado nas quantidades certas, forneceria a solução para os problemas de Bessemer. Bessemer começou a adicioná-lo ao seu processo de conversão com grande sucesso.
Um problema permaneceu. Bessemer não conseguiu encontrar uma maneira de remover o fósforo, uma impureza deletéria que torna o aço quebradiço, de seu produto final. Consequentemente, apenas o minério sem fósforo da Suécia e do País de Gales poderia ser usado.
Em 1876, o galês Sidney Gilchrist Thomas surgiu com a solução adicionando um fluxo quimicamente básico, calcário, ao processo Bessemer. O calcário extraía fósforo do ferro-gusa para a escória, permitindo que o elemento indesejado fosse removido.
Essa inovação significava que, finalmente, o minério de ferro de qualquer lugar do mundo poderia ser usado para fazer aço. Não surpreendentemente, os custos de produção de aço começaram a diminuir significativamente. Os preços dos trilhos de aço caíram mais de 80% entre 1867 e 1884, como resultado das novas técnicas de produção de aço, iniciando o crescimento da indústria siderúrgica mundial.
O processo de lareira aberta
Na década de 1860, o engenheiro alemão Karl Wilhelm Siemens aprimorou ainda mais a produção de aço por meio da criação do processo de forno aberto. O processo de forno aberto produzia aço a partir do ferro-gusa em grandes fornos rasos.
O processo, usando altas temperaturas para queimar o excesso de carbono e outras impurezas, dependia de câmaras de tijolos aquecidas abaixo da lareira. Mais tarde, os fornos regenerativos usaram os gases de exaustão do forno para manter altas temperaturas nas câmaras de tijolos abaixo.
Este método permitiu a produção de quantidades muito maiores (50-100 toneladas métricas poderiam ser produzidas em um forno), periódico teste do aço fundido para que ele pudesse ser feito para atender a especificações particulares e o uso de sucata de aço como matéria-prima material. Embora o processo em si fosse muito mais lento, em 1900, o processo de lareira tinha substituído principalmente o processo Bessemer.
Nascimento da Siderurgia
A revolução na produção de aço, que fornecia material mais barato e de melhor qualidade, foi reconhecida por muitos empresários da época como uma oportunidade de investimento. Capitalistas do final do século 19, incluindo Andrew Carnegie e Charles Schwab, investiram e ganharam milhões (bilhões no caso de Carnegie) na indústria do aço. A US Steel Corporation da Carnegie, fundada em 1901, foi a primeira empresa lançada avaliada em mais de um bilhão de dólares.
Fabricação de aço com forno elétrico a arco
Logo após a virada do século, ocorreu outro desenvolvimento que teria forte influência na evolução da produção de aço. O forno elétrico a arco de Paul Heroult (EAF) foi projetado para passar uma corrente elétrica através de material carregado, resultando em oxidação exotérmica e temperaturas de até 3.272°F (1800°C), mais do que suficiente para aquecer a produção de aço.
Inicialmente usados para aços especiais, os EAFs cresceram em uso e, na Segunda Guerra Mundial, estavam sendo usados para a fabricação de ligas de aço. O baixo custo de investimento envolvido na criação de usinas EAF permitiu que competissem com os principais produtores dos EUA, como a US Steel Corp. e Bethlehem Steel, especialmente em aços carbono, ou produtos longos.
Como os EAFs podem produzir aço a partir de 100% de sucata ou ferrosos a frio, menos energia por unidade de produção é necessária. Ao contrário das lareiras de oxigênio básico, as operações também podem ser interrompidas e iniciadas com um pequeno custo associado. Por essas razões, a produção por meio de EAFs tem aumentado continuamente por mais de 50 anos e agora representa cerca de 33% da produção global de aço.
Oxigênio Siderurgia
A maior parte da produção global de aço, cerca de 66%, é agora produzida em instalações de oxigênio básico - o desenvolvimento de um método para separar o oxigênio do nitrogênio em escala industrial na década de 1960 permitiu grandes avanços no desenvolvimento do oxigênio básico fornos.
Fornos de oxigênio básicos sopram oxigênio em grandes quantidades de ferro fundido e sucata de aço e podem completar uma carga muito mais rapidamente do que os métodos de lareira. Grandes embarcações com até 350 toneladas métricas de ferro podem completar a conversão para aço em menos de uma hora.
As eficiências de custo da produção de aço a oxigênio tornaram as fábricas de forno aberto não competitivas e, após o advento da produção de aço a oxigênio na década de 1960, as operações de forno aberto começaram a fechar. A última instalação de coração aberto nos EUA fechou em 1992 e na China em 2001.