Развој челика може се пратити 4000 година до почетка гвозденог доба. Показавши се тврђим и јачим од бронзе, која је раније била најчешће коришћени метал, гвожђе почео да истискује бронзу у оружју и оруђу.
Следећих неколико хиљада година, међутим, квалитет произведеног гвожђа зависиће колико од руде која је на располагању, тако и од начина производње.
До 17. века, својства гвожђа су била добро схваћена, али све већа урбанизација у Европи захтевала је свестранији структурни метал. А до 19. века, количина гвожђа која се трошила ширењем железничких пруга металурзи уз финансијски подстицај да се пронађе решење за ломљивост гвожђа и неефикасне производне процесе.
Без сумње, ипак, највише открића у историји челика догодило се 1856. године када се Хенри Бессемер развио ефикасан начин употребе кисеоника за смањење садржаја угљеника у гвожђу: Савремена индустрија челика је рођен.
Ера гвожђа
На врло високим температурама, гвожђе почиње да апсорбује угљеник, што смањује тачку топљења метала, што резултира ливеним гвожђем (2,5 до 4,5% угљеника). Развој високих пећи, које су Кинези први пут користили у 6. веку пре нове ере, али које су се више користиле у Европи током средњег века, повећало је производњу ливеног гвожђа.
Сирово гвожђе је растопљено гвожђе избачено из високих пећи и хлађено у главном каналу и суседним калупима. Велики, централни и суседни мањи инготи подсећали су на прасад крмаче и дојиље.
Ливено гвожђе је јако, али пати од ломљивости због садржаја угљеника, што га чини мање идеалним за обраду и обликовање. Како су металурзи постали свесни да је висок садржај угљеника у гвожђу најважнији за проблем крхкости, експериментисали су са новим методама за смањење садржаја угљеника како би гвожђе постало више изводљив.
Крајем 18. века, произвођачи гвожђа научили су како трансформирати ливено сирово гвожђе у ковано гвожђе са ниским садржајем угљеника помоћу пећи за локвање (развио Хенри Цорт 1784.). Пећи су загревале растопљено гвожђе, које су морали да мешају локвице користећи дугачке алате у облику весла, омогућавајући кисеонику да се комбинује и полако уклања угљеник.
Како се садржај угљеника смањује, тачка топљења гвожђа расте, па би се масе гвожђа агломерирале у пећи. Те би масе лопата уклањала и обрађивала ковачким чекићем пре него што би их ваљала у чаршаве или шине. До 1860. године у Британији је постојало преко 3000 пећи за локвање, али процес је и даље ометао радна снага и интензивност горива.
Један од најранијих облика челика, блистер челик, почео је производњу у Немачкој и Енглеској 17. године века и произведен је повећањем садржаја угљеника у растопљеном сировом гвожђу поступком познатим као цементација. У овом процесу, шипке од кованог гвожђа су наслојене угљеним прахом у камене кутије и загреване.
После отприлике недељу дана, гвожђе би упило угљеник у угаљу. Понављано загревање би равномерније распоредило угљеник, а резултат, након хлађења, био је блистер челик. Већи садржај угљеника учинио је блистер челик много употребљивијим од сировог гвожђа, омогућавајући му пресовање или ваљање.
Производња челичног блистера напредовала је 1740-их када је енглески часовничар Бењамин Хунтсман, покушавајући да развије висококвалитетни челик за свој сат извори, открили су да се метал може топити у глиненим лонцима и рафинирати посебним флуксом како би се уклонила шљака коју је процес цементације оставио иза. Резултат је био лончић, или ливени челик. Али због трошкова производње, блистер и ливени челик су се икада користили само у специјалним применама.
Као резултат, ливено гвожђе израђено у лож-пећима остало је примарни структурни метал у индустријализацији Британије током већег дела 19. века.
Бессемеров процес и модерна производња челика
Раст железница током 19. века и у Европи и у Америци вршио је огроман притисак на индустрију гвожђа, која се и даље борила са неефикасним производним процесима. Челик још увек није доказан као конструктивни метал, а производња производа је била спора и скупа. Било је то до 1856. године када је Хенри Бессемер смислио ефикаснији начин увођења кисеоника у растопљено гвожђе ради смањења садржаја угљеника.
Сада познат као Бессемеров процес, Бессемер је дизајнирао посуду у облику крушке, која се назива „претварачем“ у коме се гвожђе може загрејати док се кисеоник може дувати кроз растопљени метал. Како би кисеоник пролазио кроз растопљени метал, он би реаговао са угљеником, ослобађајући угљен-диоксид и производећи чистије гвожђе.
Процес је био брз и јефтин, уклањањем угљеника и силицијум од гвожђа за неколико минута, али је претрпео превише успеха. Уклоњено је превише угљеника, а превише коначног кисеоника је остало у коначном производу. Бессемер је на крају морао да се одужи својим инвеститорима док није успео да пронађе метод за повећање садржаја угљеника и уклањање нежељеног кисеоника.
Отприлике у исто време, британски металург Роберт Мусхет набавио је и започео испитивање једињења гвожђа, угљеника и манган, познат као спиегелеисен. Познато је да манган уклања кисеоник из растопљеног гвожђа, а садржај угљеника у шпигелеисену, ако се дода у правим количинама, представља решење за Бессемерове проблеме. Бессемер је почео да га додаје свом процесу конверзије са великим успехом.
Остао је један проблем. Бессемер није успео да пронађе начин да уклони фосфор, штетну нечистоћу која чини челик крхким, из свог крајњег производа. Сходно томе, могла се користити само руда без фосфора из Шведске и Велса.
1876. године Велшанин Сиднеи Гилцхрист Тхомас је дошао до решења додавањем хемијски основног флукса, кречњака, у Бессемеров поступак. Кречњак је из сировог гвожђа повукао фосфор у шљаку, омогућавајући уклањање нежељеног елемента.
Ова иновација је значила да се, коначно, руда гвожђа било где у свету може користити за производњу челика. Није изненађујуће што су трошкови производње челика почели знатно да се смањују. Цене челичних шина пале су за више од 80% између 1867. и 1884. године, као резултат нових техника производње челика, покренувши раст светске индустрије челика.
Процес отвореног огњишта
1860-их немачки инжењер Карл Вилхелм Сиеменс је даље побољшао производњу челика стварањем процеса отвореног огњишта. Отворени камин производио је челик од сировог гвожђа у великим плитким пећима.
Процес се, користећи високе температуре за сагоревање вишка угљеника и других нечистоћа, ослањао на загрејане коморе од опеке испод огњишта. Регенеративне пећи су касније користиле издувне гасове из пећи за одржавање високих температура у коморама од опеке испод.
Ова метода је омогућила производњу много већих количина (50-100 метричких тона могло би се произвести у једној пећи), периодично испитивање растопљеног челика како би могао да буде у складу са одређеним спецификацијама и употреба отпадног челика као сировог материјал. Иако је сам процес био много спорији, до 1900. године отворени камин је првенствено заменио Бессемеров процес.
Рођење челичне индустрије
Револуција у производњи челика која је обезбедила јефтинији, квалитетнији материјал, многи привредници дана препознали су као прилику за инвестирање. Капиталисти с краја 19. века, укључујући Андрев Царнегие и Цхарлес Сцхваб, инвестирали су и зарадили милионе (милијарде у случају Царнегие) у индустрији челика. Царнегие-јева УС Стеел Цорпоратион, основана 1901. године, била је прва корпорација икада покренута у вредности од преко милијарду долара.
Израда челичних електролучних пећи
Непосредно након почетка века, догодио се још један развој који ће имати снажан утицај на развој производње челика. Електролучна пећ Паул Хероулт (ЕАФ) дизајнирана је да пропушта електричну струју кроз наелектрисани материјал, што резултира егзотермном оксидацијом и температурама до 3272°Ф (1800°Ц), више него довољан за загревање производње челика.
Првобитно коришћени за специјалне челике, ЕАФ су се више користили, а до Другог светског рата користили су се за производњу легура челика. Ниски инвестициони трошкови укључени у оснивање фабрика ЕАФ омогућили су им да се такмиче са главним америчким произвођачима попут УС Стеел Цорп. и Бетлехемски челик, посебно у угљеничним челикима или дугим производима.
Будући да ЕАФ могу да производе челик од 100% отпада или хладне железне сировине, потребно је мање енергије по јединици производње. За разлику од основних огњишта са кисеоником, операције се такође могу зауставити и започети уз мало повезане трошкове. Из ових разлога, производња путем ЕАФ-а непрекидно се повећава током више од 50 година и сада чини око 33% светске производње челика.
Производња кисеоника
Већина светске производње челика, око 66%, сада се производи у основним постројењима за кисеоник - развој методе за одвајање кисеоника од азота у индустријским размерама шездесетих година омогућило је велики напредак у развоју основног кисеоника пећи.
Основне пећи за кисеоник удувају кисеоник у велике количине растопљеног гвожђа и отпадног челика и пуњење могу извршити много брже од отворених метода. Велика пловила која садрже до 350 метричких тона гвожђа могу да заврше конверзију у челик за мање од једног сата.
Ефикасност трошкова производње кисеоничког челика учинила је да фабрике отворених огњишта буду неконкурентне, а након појаве производње кисеоничког челика 1960-их, операције отворених огњишта почеле су да се затварају. Последњи отворени камин у САД-у затворен је 1992. године, а Кина 2001. године.