Bài viết

Lò luyện sắt từ quặng

Lịch sử của vật liệu thép và ứng dụng trong cuộc sống

Vật liệu thép ra đời từ khi nào? Lịch sử phát triển của vật liệu thép ra sao? Tại sao thép lại được ứng dụng nhiều trong xây dựng hiện đại?

Sự ra đời phát triển của vật liệu thép và ứng dụng trong xây dựng hiện đại

Vật liệu thép ra đời từ rất sớm, trước khi cả những cây cầu, dầm chữ I và những tòa nhà chọc trời  bằng vật liệu thép mọc lên. Nguồn gốc của thép bắt đầu từ trong những ngôi sao trong vũ trụ.

Sự ra đời của vật liệu thép

Lịch sử vũ trụ ra  đời không biết từ bao giờ? Có thể trước khi Trái đất tồn tại. Các ngôi sao cháy sáng đã hợp nhất các nguyên tử thành sắt và carbon. Trải qua vô số vụ nổ vũ trụ và tái sinh, những vật liệu này lao vào các tiểu hành tinh và các hành tinh khác. Cuối cùng, đá và kim loại đó đã hình thành Trái đất, nơi sinh ra loài người chúng ta.

Thiên thạch có nguồn gốc từ vũ trụ mang sắt và thép đến trái đất

Thiên thạch có nguồn gốc từ vũ trụ mang sắt và thép đến trái đất

Vào một ngày lịch sử, một số người tình cờ tìm thấy một thiên thạch lấp lánh, chủ yếu là sắt và niken, Chúng là những thiên thạch bắn xuyên qua bầu khí quyển và rơi xuống đất. Và thiên thạch bắn phá trái đất là nỗi ám ảnh cho tất cả các loài. Trải qua hàng thiên niên kỷ, tổ tiên của chúng ta đã biết chế tạo vật liệu. Khám phá ra những cách tốt hơn để sử dụng sắt từ chính Trái đất và cuối cùng để nung chảy biến nó thành thép. Ban đầu chúng được chế tạo chủ yếu làm vũ khí trong chiến tranh. Và dần với sự phát triển nền kinh tế toàn cầu, với những phát minh khoa học, vật liệu thép được sử dụng để xây dựng những cấu trúc vĩ đại nhất mà thế giới từng biết.

Vật liệu thép – Kim loại từ thiên đường

Sắt có nguồn gốc từ thiên thạch.

Vật liệu sắt được đào lên từ mặt đất, có hàm lượng niken cao hơn. Chúng được con người nung chảy để tạo ra những dụng cụ sắc bén cần thiết. Trong những khám phá, các nhà nghiên cứu người Anh đã phát hiện ra rằng không chỉ dao găm của Vua Tut mà hầu như tất cả các hàng hóa bằng sắt có từ thời đại đồ đồng đều được làm từ sắt rơi từ trên trời xuống.

Thiên thạch từ vũ trụ có chứa vật liệu thép

Thiên thạch từ vũ trụ có chứa vật liệu thép

Đối với tổ tiên của chúng ta, hợp kim kỳ lạ này có vẻ như đã được gửi bởi các thực thể ngoài sự hiểu biết của chúng ta. Người Ai Cập cổ đại gọi nó là biz-n-pt . Ở Sumer, nó được gọi là an-bar . Cả hai đều được dịch sang là kim loại từ thiên đường. Loại Hợp kim sắt – niken dẻo dai và dễ dàng nung chảy và tạo hình mà không bị vỡ. Nhưng nguồn nguyên liệu này cực kỳ hạn chế. Đa số được khai thác từ các thiên thạch rơi xuống trái đất. Chính điều này mà con người thời bấy giờ nó là kim loại của các vị thần và có giá trị hơn đá quý hoặc vàng.

Vua Tut có một con dao găm làm bằng sắt, một vật quý giá trong thế giới cổ đại. Khi nhà khảo cổ học người Anh Howard Carter tìm thấy lăng mộ của Tutankhamun gần một thế kỷ trước. Ông đã chú ý đến cổ vật đặc biệt này. Vào thời điểm đó, các nhà khảo cổ học chưa biết rằng lưỡi của con dao găm được làm từ hợp kim sắt có nguồn gốc từ các thiên thạch đến từ không gian.

Con dao của vua Tut có lưỡi được xác định là hợp chất thép từ các mảnh thiên thạch

Con dao găm của vua Tut có lưỡi được xác định là hợp chất sắt từ các mảnh thiên thạch

Nhưng phải mất hàng ngàn năm, khi con người bắt đầu tìm kiếm những vật liệu mới. Khoảng 2.500 trước Công nguyên, các bộ lạc ở Cận Đông đã phát hiện ra một nguồn vật liệu kim loại đen bí ẩn dưới lòng đất. Nó trông giống như kim loại từ thiên đàng. Nhưng có gì đó khác biệt, loại quặng này gồm sắt, đá và khoáng chất trộn lại với nhau. Khai thác kim loại sắt không giống như đi nhặt một mảnh vàng hoặc bạc nguyên chất. Bởi chúng là hợp chất. Chính vì vậy, để có được kim loại sắt phải trải qua quá trình tôi luyện dưới nhiệt độ cao. Loại bỏ hết các tạp chất mới ra được kim loại sắt. Thế giới cổ đại phải mất 700 năm nữa để tìm ra cách tách kim loại sắt ra khỏi quặng. Lúc này, thời đại đồ đồng mới thực sự kết thúc và thời đại đồ sắt bắt đầu lên ngôi.

Con đường từ sắt thành thép

Để tìm hiểu về vật liệu thép, trước tiên chúng ta phải hiểu về sắt. Bởi hai kim loại gần như một và giống nhau. Thép chứa nồng độ sắt từ 98 đến 99%. Phần còn lại là carbon, một phụ gia nhỏ nhưng tạo ra sự khác biệt lớn trong tính chất của vật liệu thép. Để có sự đột phá  tronng xây dựng với các tòa nhà chọc trời, trong những thế kỷ và thiên niên kỷ trước, các nền văn minh đã dần thay đổi kỹ thuật nung chảy để tạo ra sắt có tính chất gần hơn với thép.

Lò luyện sắt từ quặng

Lò luyện sắt từ quặng

Khoảng 1.800 năm trước công nguyên, một người dân Chalybes, vùng dọc Biển Đen muốn chế tạo một kim loại mạnh hơn đồng. Một thứ gì đó có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí vô song. Họ đặt quặng sắt vào lò nung mềm ra, rồi mang ra rèn đập chúng. Sau khi lặp lại quá trình nhiều lần, Chalybes đã có vũ khí bằng sắt mạnh mẽ.

Những gì Chalybes làm được gọi là rèn sắt, một trong những tiền thân chính của thép hiện đại. Những người Chalybes sớm gia nhập đội quân Hittites hiếu chiến. Tạo ra một trong những đội quân hùng mạnh nhất trong lịch sử cổ đại. Không có vũ khí của quốc gia nào có thể chiến đấu lại với thanh kiếm sắt và cỗ xe đội quân Hittite.

Một nhánh khác của sắt đó chính là gang. Gang lần đầu tiên được sản xuất tại Trung Quốc cổ đại. Bắt đầu từ khoảng năm 500 trước Công nguyên, các thợ kim loại Trung Quốc đã xây dựng các lò nung cao 1,6m để nung chảy một lượng lớn sắt và gỗ. Các vật liệu được nấu chảy thành chất lỏng và đổ vào các khuôn chạm khắc, tạo ra các dụng cụ nấu ăn và tượng.

Ấn Độ nơi ra đời đầu tiên của luyện thép

Mặc dù cả sắt rèn và gang đều không phải là kim loại hoàn hảo. Sắt rèn của Chalybes chỉ chứa 0,8% carbon, do đó, nó không có độ bền kéo của thép. Gang Trung Quốc, với 2 – 4% carbon, giòn hơn thép. Các lò rèn ở vùng Biển Đen cuối cùng đã bắt đầu đưa các thanh sắt vào đống than nóng, tạo ra sắt rèn bọc thép. Nhưng ở Nam Á, một nhóm cư dân đã có một ý tưởng tốt hơn. Ấn Độ là nơi tạo ra thép đầu tiên.

400 năm trước Công nguyên, các thợ kim loại Ấn Độ đã phát minh ra một phương pháp luyện kim để liên kết lượng carbon với sắt. Chìa khóa của phát mình này chính là đất sét. Đất sét được nặn thành nồi để chứa kim loại nóng chảy và được gọi là nồi nấu kim loại. Các công nhân đặt các thanh sắt nhỏ và các mẩu than vào nồi nung, sau đó đưa chúng vào lò nung. Khi họ tăng nhiệt độ lò bằng cách cung cấp thêm không khí từ ống thổi. Sắt nhanh chóng tan chảy và hấp thụ carbon trong than. Khi làm nguội nồi nung cho ra đời loại thép nguyên chất.

Một ví dụ về nồi nấu đất sét sớm được phát hiện ở Đức.

Một ví dụ về nồi nấu đất sét sớm được phát hiện ở Đức.

Các thương nhân của Ấn Độ đã vận chuyển và buôn bán thép của họ trên khắp thế giới. Ở Damascus, những người thợ rèn Syria đã sử dụng kim loại để rèn những thanh kiếm thép Damascus nổi tiếng, gần như thần thoại, được cho là đủ sắc bén để cắt đứt sợi tóc giữa không trung. Thép Ấn Độ đến Toledo, Tây Ban Nha, nơi những người thợ rèn rèn kiếm cho quân đội La Mã.

Trong các chuyến hàng đến Rome, các thương nhân Abyssin từ Đế quốc Ethiopia đã cố tình lừa dối người La Mã rằng thép là từ Seres, từ tiếng Latin của Trung Quốc. Chính vì vậy, vậy Rome nghĩ rằng thép đến từ một nơi quá xa để chinh phục. Người La Mã đã mua thép Seres của họ. Ngoài sử dụng làm vũ khí, người Rome còn dùng để chế tạo ra các công cụ cơ bản và thiết bị xây dựng.

Thời của sắt như một kim loại quý đã qua. Các chiến binh hung dữ nhất thế giới đều sử dụng thép làm vũ khí.

Thánh kiếm và thép Samurai

Theo truyền thuyết, thanh kiếm vĩ đại Excalibur rất hùng mạnh và đẹp đẽ. Từ Excalibur này có nghĩa là “thép cắt.” Nhưng nó không phải là thép. Từ thời vua Arthur qua thời trung cổ, châu Âu tụt lại phía sau trong sản xuất sắt thép.

Thanh kiếm bằng thép của người Viking

Thanh kiếm bằng vật liệu thép của người Viking

Khi đế chế La Mã sụp đổ (chính thức vào năm 476), châu Âu đã rơi vào hỗn loạn. Ấn Độ vẫn sản xuất vật liệu thép, nhưng nó không thể vận chuyển đến châu Âu một cách dễ dàng. Nơi những con đường không được bảo vệ, bị phục kích, và mọi người sợ bệnh dịch và bệnh tật. Ở Catalonia, Tây Ban Nha, thợ sắt đã phát triển lò nung tương tự như ở Ấn Độ. Lò nung của người Catalan đã sản xuất sắt rèn và rất nhiều kim loại đủ để làm móng ngựa, bánh xe cho xe ngựa, bản lề cửa và thậm chí cả áo giáp bọc thép.

Một công nghệ sản xuất kiếm thép độc đáo đã ra đời. Chúng được rèn bằng cách xoắn các thanh sắt. Quá trình này để lại gọng kiếm có hình xương cá độc đáo cũng như các hoa văn bên trong lưỡi kiếm. Người Viking giải thích các thiết kế là cuộn rồng, và những thanh kiếm như Vua Arthur của Excalibur và Tizona của El Cid trở thành thần thoại.

Tuy nhiên, những thanh kiếm tốt nhất trên thế giới lại được chế tạo ở phía bên kia của trái đất. Những người thợ rèn Nhật Bản đã phát triển một kỹ thuật bậc thầy để tạo ra những lưỡi kiếm sắc bén, nhẹ nhàng cho samurai. Các vũ khí này đã trở thành gia truyền, được truyền qua nhiều thế hệ và một vài món quà lớn ở Nhật Bản. Việc rèn kiếm thép cho samurai rất phức tạp và mang tính nghi thức.

Thợ rèn Nhật Bản sẽ tắm rửa sạch sẽ trước khi làm một thanh kiếm. Nếu cơ thể con người không thuần khiết, thì linh hồn quỷ dữ có thể xâm nhập vào lưỡi kiếm. Công việc rèn kiếm bắt đầu với sắt rèn. Khối vật liệu sắt được đốt nóng bằng than cho đến khi nó đủ mềm để gập lại. Sau khi được làm lạnh, thanh sắt lại tiếp tục được nung nóng và rèn. Khoảng 20 làm đi làm đi làm lại như vậy sẽ tạo ra hình dạng của lưỡi kiếm. Với quá trình tiếp xúc nhiều lần với than củi, vật liệu sắt dần trở thành vật liệu thép.

Katana có chữ ký của Masamune, được coi là kiếm sĩ vĩ đại nhất của Nhật Bản từ thời Kamakura, thế kỷ 14.

Katana có chữ ký của Masamune, được coi là kiếm sĩ vĩ đại nhất của Nhật Bản từ thời Kamakura, thế kỷ 14.

Lò luyện tháp đầu tiên trông giống như một chiếc đồng hồ cát.

Dọc theo thung lũng sông băng ở Đức ngày nay, các thợ kim loại đã phát triển một cỗ máy cao khoảng 3m. Có hai ống thổi đặt ở phía dưới, để chứa một lượng lớn quặng sắt và than củi. Lò cao trở nên nóng rực, sắt hấp thụ nhiều carbon hơn bao giờ hết. Hỗn hợp biến thành gang có thể dễ dàng đổ vào khuôn.

Lò luyện vật liệu thép

Lò luyện vật liệu thép

Đó là quá trình luyện gang mà người Trung Quốc đã thực hành trong 1.700 năm.

Nhưng sự bùng nổ của sắt đã tạo ra một vấn đề. Khi các cường quốc châu Âu bắt đầu mở rộng quyền lực trên toàn cầu, họ đã sử dụng một lượng gỗ khổng lồ, cả để đóng tàu và làm than để nấu chảy. Đế quốc Anh đã chuyển sang tìm kiếm các nguồn tài nguyên chưa được khai thác ở vùng đất mới Châu Mỹ. Kim loại sắt được sản xuất tại các thuộc địa.

Người Anh đã phát hiện ra sức mạnh của luyện kim với than. Nhưng họ vẫn không tạo ra được vật liệu thép.

Thợ làm đồng hồ và đóng đinh

Benjamin Huntsman đã thất vọng với sắt. Các hợp kim có sẵn cho thợ sửa đồng hồ từ Sheffield đã thay đổi quá nhiều cho công việc của anh ta, đặc biệt là chế tạo các lò xo tinh tế.

Trong thời gian rảnh rỗi, Huntsman đã thử nghiệm với quặng sắt và thử nghiệm các cách khác nhau để nấu chảy nó. Cuối cùng, ông đã đưa ra một quy trình khá giống với phương pháp sử dụng nồi nấu bằng đất sét của người Ấn Độ cổ đại. Tuy nhiên, kỹ thuật của Huntsman có hai điểm khác biệt chính: Anh ta sử dụng than đá thay vì than củi. Thay vì đặt nhiên liệu vào trong nồi nấu kim loại, anh ta nung nóng hỗn hợp sắt và carbon.

Các thỏi thép ra đời đồng đều hơn, mạnh hơn và ít giòn hơn. Đây  là loại thép tốt nhất mà châu Âu, và có lẽ cả thế giới, từng thấy. Đến những năm 1770, Sheffield trở thành điểm tựa quốc gia về sản xuất vật liệu thép. Bảy thập kỷ sau, cả nước biết quá trình này, và nhà máy thép của Anh luôn rực lửa.

Năm 1851, một trong những hội chợ đầu tiên trên thế giới được tổ chức tại London, Triển lãm lớn về các công trình công nghiệp của tất cả các quốc gia. Crystal Palace được xây dựng bằng gang và kính cho sự kiện này. Hầu hết mọi thứ bên trong đều được làm bằng sắt và thép. Đầu máy và động cơ hơi nước, đài phun nước và cột đèn, bất cứ thứ gì và mọi thứ có thể được đúc từ kim loại nóng chảy đều được trưng bày. Thế giới chưa bao giờ thấy bất cứ điều gì như thế.

Đột phá Bessemer

Henry Bessemer là một kỹ sư và nhà phát minh người Anh nổi tiếng với một số phát minh bao gồm sơn bằng đồng vàng, bàn phím cho máy sắp chữ và máy nghiền mía. Khi Chiến tranh Crimea nổ ra ở Đông Âu vào những năm 1850, ông đã chế tạo một quả đạn pháo mới. Ông đã cung cấp nó cho quân đội Pháp, nhưng những khẩu pháo bằng gang truyền thống thời bấy giờ quá dễ vỡ để bắn đạn pháo. Chỉ có thép có thể không bị vỡ.

Quá trình sản xuất thép nồi nấu kim loại quá tốn kém để sản xuất các mặt hàng lớn như đại bác, vì vậy Bessemer bắt đầu tìm cách sản xuất thép với số lượng lớn hơn. Một ngày nọ vào năm 1856, ông quyết định đổ gang vào thùng chứa thay vì để nó chảy vào rãnh. Khi ở trong container, Bessemer thổi khí qua các lỗ ở phía dưới. Mọi thứ vẫn bình thường trong khoảng 10 phút, và rồi đột nhiên tia lửa, ngọn lửa và gang nóng chảy ra từ container. Khi sự hỗn loạn kết thúc, vật liệu còn lại trong container là sắt nguyên chất, không chứa carbon.

Bức tranh sơn dầu của EF Skinner cho thấy thép được sản xuất bởi Bessemer Process tại Penistone Steel Works, South Yorkshire. Khoảng năm 1916.

Bức tranh sơn dầu của EF Skinner cho thấy thép được sản xuất bởi Bessemer Process tại Penistone Steel Works, South Yorkshire. Khoảng năm 1916.

Tác động của sự cố nấu chảy nổ này là khó để nói quá. Khi Bessemer sử dụng ống thổi trực tiếp trên gang nóng chảy, carbon liên kết với oxy từ các vụ nổ không khí, để lại sắt nguyên chất mà qua việc bổ sung các vật liệu chứa carbon như spiegeleisen, một hợp kim của sắt và mangan có thể dễ dàng được biến thành thép chất lượng cao.

Bessemer đã chế tạo một cỗ máy để thực hiện quy trình luyện thép. Lò luyện thép có hình dạng giống như một quả trứng với lớp lót đất sét bên trong và bên ngoài bằng thép cứng. Ở phía trên, một lỗ nhỏ phun ra ngọn lửa cao 9m khi không khí thổi vào lò.

Một vấn đề nảy sinh trong xưởng sắt của Anh. Hóa ra Bessemer đã sử dụng một loại quặng sắt chứa rất ít phốt pho, trong khi hầu hết các mỏ quặng sắt đều giàu phốt pho. Các phương pháp luyện gang cũ đáng tin cậy đã loại bỏ phốt pho. Nhưng lò luyện thep Bessemer thì không, nó vẫn tạo ra thép giòn.

Lò luyện thép cải tiến

Lò luyện thép cải tiến

Trong hai thập kỷ sau đó vấn đề này vẫn không được giải quyết. Cho đến khi một thư ký cảnh sát và nhà hóa học nghiệp dư người Anh, Sidney Gilchrist Thomas, tìm ra giải pháp cho vấn đề phốt pho. Thomas phát hiện ra rằng lớp lót đất sét của thiết bị không phản ứng với phốt pho. Vì vậy ông đã thay thế đất sét bằng lớp lót bằng vôi. Phương pháp mới, đã tạo ra năm tấn thép trong 20 phút. Bessemer là vua thép mới.

Thép Mỹ

Ở phía bên kia Đại Tây Dương, các mỏ quặng sắt khổng lồ vẫn chưa được khai thác ở vùng hoang dã của Mỹ. Năm 1850, Hoa Kỳ chỉ sản xuất một lượng sắt bằng 1/5 so với Anh. Nhưng sau Nội chiến, các nhà công nghiệp bắt đầu chuyển sự chú ý sang quy trình Bessemer. Tạo ra một ngành công nghiệp thép sẽ tạo ra sự giàu có hơn rất nhiều so với Cuộc đua vàng California năm 1849. Có những con đường để xây dựng giữa các thành phố, những cây cầu để xây dựng qua sông và đường ray xe lửa để nằm ở trung tâm của miền Tây hoang dã.

Andrew Carnegie muốn xây dựng tất cả.

Andrew Carnegie muốn xây dựng tất cả.

Andrew Carnegie muốn xây dựng tất cả.

Không ai thực hiện được giấc mơ Mỹ giống như Carnegie. Người nhập cư Scotland đến nước này năm 12 tuổi, định cư tại một khu phố nghèo ở Pittsburgh. Carnegie bắt đầu đi lên khi còn là một cậu bé tuổi teen trong một văn phòng điện báo. Một ngày nọ, một quan chức cấp cao của Công ty Đường sắt Pennsylvania, bị ấn tượng bởi một thiếu niên chăm chỉ, đã thuê Carnegie làm thư ký riêng của mình.

Spangled Scotsman đã phát triển sự nhạy bén trong kinh doanh và tiến lên nấc thang trong ngành đường sắt. Thực hiện một số khoản đầu tư khôn ngoan. Ông sở hữu cổ phần trong một công ty xây dựng cầu, một nhà máy đường sắt, một công trình đầu máy và một nhà máy sắt. Khi Liên minh đầu hàng vào năm 1865, Carnegie 30 tuổi chuyển sang việc xây dựng những cây cầu. Nhờ nhà máy của mình, ông đã sản xuất hàng loạt gang theo ý của mình.

Nhưng Carnegie biết anh ta có thể làm ra vật liệu tốt hơn gang. Một cây cầu bền bằng vật liệu thép là rất cần thiết. Khoảng một thập kỷ trước khi Sidney Thomas cải tiến lò luyện thép Bessemer bằng lớp lót gốc vôi. Carnegie đã mang quy trình Bessemer đến Mỹ và mua sắt không chứa phốt pho để sản xuất thép. Ông đã thành lập một nhà máy thép ở Homestead, Pennsylvania, để sản xuất hợp kim cho một loại công trình mới mà các kiến ​​trúc sư gọi là tòa nhà chọc trời.

Đến thời điểm này, Carnegie đã một tay sản xuất khoảng một nửa lượng thép so với toàn bộ nước Anh. Các công ty thép bổ sung bắt đầu mọc lên khắp đất nước, tạo ra các thị trấn và thành phố mới, bao gồm cả một thị trấn khai thác sắt ở Connecticut có tên là ” Chalybes “.

Nước Mỹ đã bất ngờ tiến lên đỉnh của ngành công nghiệp thép.

Để giảm chi phí sản xuất, tiền lương thấp. Mức lương cho tuần làm việc 84 giờ chưa đến 10 đô la vào năm 1890 (khoảng 250 đô la ngày nay) và cho lao động đột phá trong các nhà máy thép nóng. Tai nạn là phổ biến, và tại Pittsburgh, không khí bị ô nhiễm nặng nề đến nỗi một nhà văn của tờ The Atlantic Weekly gọi là Thành phố thép địa ngục.

Vào tháng 7 năm 1892, căng thẳng sôi sục giữa Công ty Thép Carnegie và công đoàn đại diện cho công nhân tại nhà máy Homestead. Chủ tịch công ty, Henry Clay Frick, có lập trường cứng rắn, đe dọa sẽ cắt giảm lương. Các công nhân treo cổ một hình nộm của Frick. Và ông phản ứng bằng cách xung quanh nhà máy với ba dặm của hàng rào kẽm gai. Các công nhân đã bỏ phiếu đình công và sau đó đã bị sa thải.

Khoảng 3.000 người đình công đã kiểm soát Homestead, buộc phải thực thi luật pháp địa phương. Frick đã thuê 300 đặc vụ từ Văn phòng Thám tử Pinkerton để bảo vệ nhà máy, và vào sáng ngày 6 tháng 7 năm 1892, một cuộc nội chiến xảy ra sau đó. Những người đàn ông tập trung tại bờ sông, ném đá và bắn súng vào các đặc vụ Pinkerton đang cố gắng lên bờ trên thuyền.

Trật tự đã được khôi phục khi một tiểu đoàn Vệ binh Quốc gia gồm 8.500 người vào thị trấn và đặt Homestead theo luật quân sự. Mười người đã thiệt mạng trong cuộc đụng độ. Frick sau đó đã bị bắn và đâm trong văn phòng của mình bởi một người vô chính phủ nghe nói về cuộc đình công, nhưng vẫn sống sót. Sau đó, ông rời công ty và vào năm 1897, Carnegie đã thuê một kỹ sư tên Charles M. Schwab (đừng nhầm lẫn với người sáng lập Tập đoàn Charles Schwab) để làm chủ tịch mới. Năm 1901, Schwab đã thuyết phục Carnegie bán công ty thép của mình với giá 480 triệu USD. Công ty mới của Schwab sáp nhập với các nhà máy bổ sung để thành lập Tập đoàn thép Hoa Kỳ.

Ngành thép của Mỹ tiếp tục bùng nổ vào thế kỷ 20. Năm 1873, Hoa Kỳ đã sản xuất 220.000 tấn thép. Đến năm 1900, Mỹ chiếm 11,4 triệu tấn thép, nhiều hơn cả các ngành công nghiệp của Anh và Đức thành công cộng lại. Tập đoàn thép mới của Hoa Kỳ là công ty lớn nhất thế giới, sản xuất hai phần ba lượng thép của quốc gia.

Đó là một tỷ lệ sản xuất chưa từng thấy trên toàn cầu, nhưng các xưởng đúc thép đang nóng lên.

Thép – Kim loại của chiến tranh và hòa bình

Những bất đồng tại US Steel đã khiến Charles Schwab tìm được một công việc mới chủ trì một công ty khác đang phát triển nhanh chóng: Bethlehem Steel. Năm 1914, hai tháng sau Đại chiến, Schwab nhận được một tin nhắn bí mật từ Văn phòng Chiến tranh Anh. Vài giờ sau, anh ta mua một vé để vượt Đại Tây Dương dưới một cái tên giả. Ở châu Âu, anh đã gặp Ngoại trưởng Anh về chiến tranh, người muốn đặt một đơn đặt hàng lớn với một chiếc bẫy. Người Anh muốn Bethlehem chế tạo vũ khí trị giá 40 triệu đô la cho nước Anh và không làm ăn với kẻ thù của Vương miện. Schwab chấp nhận và đi đến cuộc họp tiếp theo của mình, lần này với Chúa tể đầu tiên của Đô đốc, Winston Churchill. Churchill đã đặt hàng của riêng mình: tàu ngầm cho Hải quân Hoàng gia để chiến đấu với những chiếc thuyền U của Đức, và anh ta cần chúng ngay lập tức.

Tàu ngầm bằng vật liệu thép

Tàu ngầm bằng vật liệu thép

HMS E34, một tàu ngầm lớp E của Anh trong một bến tàu nổi. Cô được đưa vào hoạt động vào tháng 3 năm 1917, đánh chìm chiếc U-Boat UB-16 ngoài khơi Harwich ở Biển Bắc vào ngày 10 tháng 5 năm 1918 và được khai thác gần quần đảo Frisian vào ngày 20 tháng 7 năm 1918. Chiếc tàu bị mất cùng với tất cả thủy thủ đoàn.

Nhưng Schwab đã có một vấn đề. Luật trung lập ở Mỹ đã ngăn cản các công ty bán vũ khí cho các chiến binh WWI ở hai bên chiến hào. Không nản lòng, Bethlehem Steel đã gửi các bộ phận tàu ngầm đến một nhà máy lắp ráp ở Montreal để phô trương cho các nỗ lực tái thiết nhân đạo, và thép Mỹ bắt đầu rò rỉ vào nỗ lực chiến tranh của quân Đồng minh.

Nhu cầu tuân theo luật trung lập đã biến mất khi Hoa Kỳ chính thức tham gia Thế chiến I vào tháng 4 năm 1917. Năm 1914, khi chiến tranh mới bắt đầu, Hoa Kỳ đã sản xuất 23,5 triệu tấn thép thép hơn hai lần sản xuất 14 năm trước đó. Vào cuối năm 1918, sản lượng đã tăng gấp đôi. Thép Mỹ đã mang lại cho quân Đồng minh một lợi thế quyết định trong cuộc chiến chống lại các cường quốc trung ương.

Tòa nhà Empire State đang được xây dựng với Tòa nhà Chrysler ở phía sau, 1930.

Tòa nhà Empire State đang được xây dựng với Tòa nhà Chrysler ở phía sau, 1930.

Khi chiến tranh kết thúc, ngành luyện thép của Mỹ nổi lên mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Các tòa tháp Art Deco bắt đầu mọc lên giữa các đường chân trời ở New York và Chicago, với phần lớn thép đến từ hai công ty: US Steel và Bethlehem Steel. Các công trình mang tính biểu tượng như Trung tâm Rockefeller, Khách sạn Waldorf-Astoria, Cầu George Washington và Cầu Cổng Vàng được xây dựng bằng thép Bethlehem. Năm 1930, thép của công ty đã đi vào tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới: Tòa nhà Chrysler. Chưa đầy một năm sau, Tòa nhà Empire State, với 60.000 tấn thép do US Steel cung cấp, sẽ vươn cao hơn Chrysler để trở thành biểu tượng bền vững của Manhattan.

Nhưng những tòa nhà chọc trời không phải là sự đổi mới duy nhất gây ra bởi sự bùng nổ trong sản xuất thép. Các vật liệu đã đi vào một chiếc xe hơi, thiết bị gia dụng và lon thực phẩm. (Hai công ty sắp ra mắt, Dole và Campbell, đã trở thành cơn thịnh nộ nhờ thời hạn sử dụng lâu dài của hàng hóa đóng hộp của họ.) Tài sản của Bethlehem Steel và US Steel được định giá cao hơn so với các công ty của Ford và General Motors.

Đó thực sự là thời đại của thép thép nhưng rắc rối không còn xa.

Sau sự sụp đổ của thị trường chứng khoán năm 1929, sản xuất thép chậm lại khi nền kinh tế rơi vào cuộc Đại suy thoái. Thợ thép người Mỹ đã bị sa thải, nhưng các nhà máy không bao giờ hoàn toàn tối. Đường ray xe lửa vẫn lan rộng khắp đất nước, thực phẩm đóng hộp vẫn còn phổ biến, và khi Cấm đến gần, một sản phẩm thép mới đã xuất hiện: lon bia thép, được giới thiệu vào những năm 1930 bởi hãng bi-a Blue Ribbon.

THÉP CANVAS

Sau cuộc Đại suy thoái, các cỗ máy chiến tranh đói kim loại một lần nữa đã đốt cháy các xưởng đúc của thế giới. Đức chuyển đến chiếm đất ở Đan Mạch, Na Uy và Pháp, giành quyền kiểm soát các mỏ và nhà máy sắt mới. Đột nhiên, Đức quốc xã có khả năng sản xuất nhiều thép như Hoa Kỳ. Ở phía Đông, Nhật Bản nắm quyền kiểm soát các mỏ sắt và than ở Mãn Châu.

Khi cuộc tấn công Trân Châu Cảng đưa nước Mỹ vào Thế chiến II, chính phủ Mỹ đã cấm sản xuất hầu hết các mặt hàng tiêu dùng thép. Các quốc gia công nghiệp hóa trên thế giới, lao đầu vào chiến tranh thế giới, bắt đầu phân phối thép cho một số mục đích chọn lọc: tàu, xe tăng, súng và máy bay.

Các nhà máy của Mỹ đã nấu chảy kim loại 24 giờ một ngày, thường là với lực lượng lao động nữ chủ yếu. Nền kinh tế bắt đầu bùng nổ trở lại, và chẳng mấy chốc, sản lượng thép của Mỹ lớn hơn gấp ba lần so với bất kỳ quốc gia nào khác. Trong Thế chiến II, Hoa Kỳ đã sản xuất thép nhiều gấp 25 lần so với Thế chiến I. Và một lần nữa, nhà máy thép của Thế giới Mới đóng vai trò quyết định trong chiến thắng của quân Đồng minh.

Khi chiến tranh kết thúc, Mỹ đã dỡ bỏ lệnh cấm đối với hàng tiêu dùng thép. Với hơn một nửa thép của thế giới hiện do người Mỹ sản xuất, thị trường xe hơi, đồ gia dụng, đồ chơi và thanh gia cố (thép cây) để xây dựng vẫn sinh lợi hơn bao giờ hết. Thép từ các tàu và xe tăng còn sót lại đã được nung chảy trong các lò nung khổng lồ để được tái sử dụng trong các cây cầu và lon bia.

Nhưng ở nước ngoài, một nhu cầu khủng khiếp để xây dựng lại, và sự ra đời của công nghệ luyện thép mới, sắp giúp các công ty thép nước ngoài phát triển.

Con đường đến thép hiện đại

Ngay cả khi các nhà máy không ngừng hoạt động trong thời chiến, các nhà sản xuất vẫn chưa hoàn thiện nghệ thuật luyện thép. Sẽ phải mất một ý tưởng trong 100 năm trước khi Thế chiến thứ hai kết thúc để cách mạng hóa quá trình một lần nữa và cuối cùng, để truất phế nước Mỹ trở thành vua thép của thế giới.

Nhà khoa học và thợ làm thủy tinh người Đức William Siemens, sống ở Anh để tận dụng những gì ông tin là luật bằng sáng chế thuận lợi, nhận ra vào năm 1847 rằng ông có thể kéo dài thời gian một lò giữ nhiệt độ cao nhất bằng cách tái chế nhiệt phát ra. Siemens đã xây dựng một lò nung thủy tinh mới với một mạng lưới ống lửa nhỏ. Khí nóng từ buồng nóng chảy thoát ra qua các ống, trộn với không khí bên ngoài và được tái chế bên trong buồng.

Phải mất gần 20 năm để lò luyện thủy tinh của Siemens tìm đường vào ngành luyện kim. Vào những năm 1860, một kỹ sư người Pháp tên là Pierre-Emile Martin đã biết về thiết kế và xây dựng một lò nung của Siemens để luyện gang. Nhiệt tái chế giữ cho kim loại hóa lỏng lâu hơn quy trình Bessemer, giúp công nhân có thêm thời gian để thêm một lượng chính xác các hợp kim sắt chứa carbon đã biến vật liệu thành thép. Và vì sức nóng thêm, thậm chí thép phế liệu có thể bị nóng chảy. Bước sang thế kỷ, quy trình Siemens-Martin, còn được gọi là quy trình lò sưởi mở, đã bắt đầu trên toàn thế giới.

Lò luyện thép hiện đại

Lò luyện thép hiện đại

Bước sang thế kỷ 20, khi một kỹ sư người Thụy Sĩ tên Robert Durrer tìm thấy một cách thậm chí còn tốt hơn. Durrer đang giảng dạy luyện kim ở Đức Quốc xã. Sau khi Thế chiến II kết thúc, anh quay trở lại Thụy Sĩ và thử nghiệm quy trình Bessemer. Ông đã thổi oxy nguyên chất vào lò (chứ không phải không khí, chỉ có 20% oxy) và thấy rằng nó đã loại bỏ carbon khỏi sắt nóng chảy hiệu quả hơn.

Durrer cũng phát hiện ra rằng bằng cách thổi oxy vào lò từ phía trên, chứ không phải bên dưới như trên Bộ chuyển đổi Bessemer, anh ta có thể nung chảy thép phế liệu lạnh thành gang và tái chế nó trở lại quy trình luyện thép. Quá trình oxy cơ bản này đã phân tách tất cả các dấu vết phốt pho từ sắt. Phương pháp này kết hợp các ưu điểm của cả hai lò Bessemer và Siemens-Martin. Nhờ những đổi mới của Durrer, việc sản xuất số lượng lớn thép trở nên rẻ hơn một lần nữa.

Trong khi các quốc gia ở châu Âu và châu Á ngay lập tức áp dụng quy trình oxy cơ bản, các nhà máy của Mỹ, vẫn đứng đầu ngành, đã quyết định sử dụng quy trình của Siemens-Martin trong sự hài lòng tự tin.

Thép không gỉ và sự suy giảm của nhà máy sàn xuất thép ở Mỹ

Năm 1912, một nhà luyện kim người Anh tên Harry Brearly đang tìm cách bảo vệ cuộc sống của nòng súng. Thử nghiệm với hợp kim crôm và thép, ông phát hiện ra rằng thép có một lớp crôm có khả năng chống axit và phong hóa đặc biệt.

Brearly bắt đầu bán hợp kim thép-crôm cho một người bạn làm việc trong lĩnh vực dao kéo, gọi nó là thép không rỉ thép rỉ sét, có nghĩa là phù hợp với một kỹ sư. Người bạn của ông, Ernest Stuart, người cần bán dao cho công chúng, đã đưa ra một cái tên hấp dẫn hơn: thép không gỉ.

Một công ty có tên Victoria đang rèn những con dao thép cho Quân đội Thụy Sĩ khi nó bắt được gió của kim loại chống ăn mòn mới từ Vương quốc Anh. Công ty đã nhanh chóng thay đổi kim loại trong dao thành inox, đó là một từ khác của hợp kim có nguồn gốc từ tiếng Pháp có nghĩa là không gỉ, có thể inoxydable. “Victoria đổi tên thành Victorinox. túi màu đỏ của họ trong ngăn kéo bàn của bạn.

Thép không gỉ thống trị trên toàn thế giới. Kim loại chống ăn mòn, lấp lánh đã trở thành một vật liệu quan trọng cho các công cụ phẫu thuật và hàng hóa gia dụng. Các hubcaps trên đỉnh Tòa nhà Chrysler được làm bằng thép không gỉ, giúp chúng giữ được ánh bạc của chúng dưới ánh sáng mặt trời. Năm 1959, các công nhân đã động thổ ở St. Louis để xây dựng Cổng vòm bằng thép không gỉ, vẫn là tượng đài nhân tạo cao nhất ở Tây bán cầu.

Cổng vòm bằng thép ở St. Louis cao 630 feet.

Cổng vòm bằng thép ở St. Louis cao 630 feet.

Nhưng giống như St. Louis đang xây dựng Cửa ngõ phía Tây, phần còn lại của thế giới đã bắt kịp với sản xuất thép của Mỹ. Lương thấp ở nước ngoài và việc sử dụng quy trình oxy cơ bản làm cho thép nước ngoài rẻ hơn thép Mỹ vào những năm 1950, giống như ngành công nghiệp thép đã bị ảnh hưởng từ một hợp kim rẻ hơn cho hàng gia dụng: nhôm.

Năm 1970, US Steel trở thành công ty thép lớn nhất thế giới kết thúc sau bảy thập kỷ, được thay thế bởi Nippon Steel của Nhật Bản. Trung Quốc đã trở thành nhà sản xuất thép hàng đầu thế giới vào những năm 1990 và Bethlehem Steel đã đóng cửa nhà máy ở Bethlehem vào năm 1995. Mãi đến cuối thế kỷ 20, hầu hết các nhà máy thép của Mỹ cuối cùng đã áp dụng quy trình oxy cơ bản. Tính đến năm 2016, Hoa Kỳ đứng thứ tư về sản xuất thép theo Hiệp hội Thép Thế giới.

Tương lai bền vững của vật liệu thép

Phần lớn thép không gỉ của thế giới được sản xuất trong các nhà máy mini. Những đồ kim loại này không tạo ra thép từ đầu, mà là nung chảy thép phế liệu để tái sử dụng. Lò nung phổ biến nhất trong một nhà máy mini, lò đốt hồ quang điện, cũng được phát minh bởi William Siemens, sử dụng các điện cực carbon để tạo ra một điện tích để làm nóng chảy kim loại.

Sự lan rộng của các nhà máy mini trong nửa thế kỷ qua là một bước quan trọng đối với việc tái chế thép cũ, nhưng còn một chặng đường dài để đạt được sự luyện kim hoàn toàn bền vững. Rèn thép là một nguồn phát thải nhà kính nổi tiếng . Quá trình oxy cơ bản, vẫn còn được sử dụng rộng rãi ngày nay, đã được phát triển cách đây gần một thế kỷ, khi sự phân nhánh của biến đổi khí hậu chỉ mới bước vào vòng tròn nghiên cứu khoa học. Quá trình oxy cơ bản vẫn đốt than , thải ra lượng carbon dioxide gấp bốn lần so với lò điện. Nhưng việc loại bỏ hoàn toàn các vụ nổ oxy cho hồ quang điện không phải là giải pháp bền vững, chỉ có rất nhiều thép phế liệu có sẵn để tái chế.

Ngày nay, các nhà luyện kim đang trong giai đoạn đầu phát triển các phương pháp sản xuất thép thân thiện với môi trường. Tại MIT, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các công nghệ dựa trên điện mới để luyện kim loại . Những kỹ thuật nấu chảy điện này có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính nếu chúng có thể được cải tiến để hoạt động trên các kim loại có điểm nóng chảy cao hơn, chẳng hạn như sắt và thép.

Các ý tưởng bổ sung đã được sử dụng để hạn chế khí thải xe hơi cũng đang được thử nghiệm. Tháng 2 năm ngoái, một nhà sản xuất Áo có tên Voestalpine đã bắt đầu xây dựng một nhà máy được thiết kế để thay thế than bằng công nghệ nhiên liệu hydro có khả năng cách đây ít nhất hai thập kỷ. Như một điểm dừng, chính phủ Trung Quốc thậm chí đã thực thi các giới hạn đối với sản lượng thép của nước này vào năm ngoái.

theo: popularmechanics.com