L'état de la métallurgie des ferrous avant le XIXe siècle

Avant le 19ème siècle, la production de fer et d'acier utilisable était une entreprise coûteuse et intensive, limitée par l'approvisionnement en combustible et les limitations de procédés. Le monde matériel de la fin des années 1700 était en grande partie construit à partir de bois, de pierre et de fer forgé. Le fer forgé, raffiné par des forges au charbon ou par le procédé de ponçage ultérieur, était dur mais laborieux en petits lots. Le fer fondu, bien que moins cher à produire dans un haut fourneau, était fragile et peu fiable sous tension. Le matériau insaisissable était l'acier – alliage de fer et de carbone possédant la force de fonte et la ténacité du fer forgé – mais il restait un bien de luxe, disponible uniquement pour couper les outils, les ressorts et les couverts fins.

Le défi métallurgique de l'ère

Le défi central qui a défini la métallurgie du début du XIXe siècle était l'absence d'une méthode pour contrôler précisément la teneur en carbone à l'échelle industrielle. Le fer brut contient moins de 0,008% de carbone; il est doux et ductile. Le fer fondu contient entre 2 et 4 % de carbone; il est dur et fragile. L'acier occupe la gamme étroite entre environ 0,008% et 2,14 % de carbone, un endroit doux qui lui confère une combinaison unique de dureté, de résistance à la traction et de ductilité.

La crise du carburant et l'augmentation du coke

Au début des années 1700, le développement des hauts fourneaux à coke à Coalbrookdale a permis de résoudre la crise de déforestation causée par la production de charbon. Au début des années 1800, la fusion du coke était généralisée, ce qui a réduit considérablement le coût et accru la production de fonte. Cependant, les hauts fourneaux à coke ne produisaient encore que de la fonte. Le métal en résultant était élevé en carbone, en silicium et en autres impuretés.

La Fournaise à Punition : Raffinage sans Charbon

L'invention de la flaquerie par Henry Cortès 1784 avait constitué une amélioration historique. L'utilisation d'un four à réverbération alimenté par du charbon, un fer de fonte agité par un puddler, l'exposant à l'oxygène dans l'atmosphère du four. L'oxygène brûlait le carbone, le silicium et le manganèse, laissant derrière lui une masse de fer forgé relativement pur. Alors que l'un des grands pas en avant - libérant la production de charbon - était un travail brutal, lent et intrinsèquement à petite échelle. Un seul puddler pouvait peut-être produire une tonne de fer forgé par jour.

Le processus de Bessemer : la révolution pneumatique

La plus transformatrice innovation unique dans l'histoire de l'acier a eu lieu en 1856, lorsque Sir Henry Bessemer breveta son procédé pneumatique. Bessemer , la perspicacité était radicale: plutôt que d'utiliser des flammes ou de remuer pour enlever les impuretés du fer, il proposa de souffler de l'air directement à travers un bain de fonte de fonte. L'oxygène dans l'air réagirait chimiquement avec le carbone, le silicium et le manganèse, les brûlant hors du métal. Le processus n'était pas seulement efficace; il était spectaculairement rapide et exothermique, générant assez de chaleur pour garder l'acier fondu sans combustible externe.

Le convertisseur autonome en action

Un lot de fonte de fonte a été chargé dans le convertisseur, et l'air a été forcé par des tuyeres dans le fond. Une flamme violente, longue de plusieurs mètres, a éclaté de la bouche du convertisseur, le silicium et le carbone ont été oxydés. Un coup typique a duré seulement 10 à 20 minutes, par rapport aux jours requis par les méthodes de creuset ou de puglaçage. La séquence des réactions était précise: le silicium oxydé d'abord, le relèvement de la température, suivi du carbone. Lorsque la flamme a chuté, indiquant la fin de la décarburation, l'acier était prêt à être tapoté. Robert Mushet , l'ajout de spiegeleisen (alliage ferromanganèse) était un raffinement crucial, car il désoxydé l'acier et réintroduit la quantité précise de carbone nécessaire pour atteindre des qualités spécifiques.

Le problème du phosphore et la solution de base

Le triomphe initial de l'acier Bessemer a été rapidement tempéré par une faille critique. La couche de silice acide du convertisseur ne pouvait pas enlever le phosphore du fer. Le phosphore rend l'acier fragile, surtout à basse température, une condition connue sous le nom de « courtesse froide ». Seuls des minerais à très faible teneur en phosphore, comme ceux trouvés en Suède et dans certaines parties de l'Angleterre, pouvaient être utilisés. Ce « cauchemar de Bessemer » a sérieusement limité l'applicabilité du procédé. La solution est venue de Sidney Gilchrist Thomas et de sa cousine Percy Gilchrist en 1877. Ils ont remplacé la couche de silice acide par une couche de base faite de dolomite calciné (oxyde de magnésium de calcium).

L'impact économique de l'acier bon marché

L'impact des processus Bessemer et Gilchrist-Thomas était stupéfiant. Le prix des rails en acier a chuté de plus de 80% entre 1856 et 1900. Les volumes de production ont explosé de quantités négligeables à des millions de tonnes par an. Le processus Bessemer a permis directement l'expansion rapide des réseaux ferroviaires à travers les États-Unis, l'Europe, l'Inde et la Russie. L'acier, une fois un métal précieux, est devenu une marchandise.

(Pour une histoire technique détaillée de la conception des convertisseurs, voir l'entrée Bessemer process sur Wikipedia.)

Le processus de la Terre ouverte : précision et échelle

Si le procédé Bessemer excelle dans la vitesse et le coût, il présente des inconvénients inhérents. Il est difficile de contrôler précisément la chimie finale, il ne peut pas raffiner efficacement de grandes quantités de ferrailles, et la taille du lot est limitée par la capacité du convertisseur. Le procédé ouvert, développé indépendamment par William Siemens en Angleterre et Pierre-Émile Martin en France dans les années 1860, fournit une solution complémentaire qui met l'accent sur le contrôle et la flexibilité.

La fournaise régénératrice Siemens

Le cœur du procédé à cœur ouvert était le four à récupération, l'une des grandes innovations du 19ème siècle en matière d'efficacité thermique. Siemens a utilisé les gaz d'échappement chauds du four pour chauffer une paire de chambres de contrôle en brique. Après quelques minutes, le flux d'air a été inversé : l'air et le gaz de combustible entrants ont traversé les chambres de contrôle chauffées, obtenant une énorme énergie thermique avant d'entrer dans la chambre de four. Ce cycle a permis au four d'atteindre des températures supérieures à 1650°C (300°F) tout en consommant beaucoup moins de combustible qu'un four conventionnel.

Avantages en chimie et utilisation de la ferraille

Le four Siemens-Martin est chargé d'un mélange soigneusement calculé de fonte, de ferraille, de minerai de fer et de flux. Le processus de raffinage prend beaucoup plus de temps qu'un coup de Bessemer, généralement de 4 à 8 heures, et parfois plus long pour les grades de carbone. Ce rythme plus lent est un avantage, car il permet aux fonderies de prélever des échantillons, d'analyser la chimie et de faire des ajouts pour atteindre des spécifications précises. Le foyer ouvert est beaucoup plus polyvalent que le convertisseur Bessemer. Il peut supporter jusqu'à 100% de charges de ferraille, ce qui le rend économiquement résistant pendant la fluctuation de la demande en acier.

Hybridation et mort des bâtards

Le procédé à cœur ouvert a progressivement absorbé les rôles du four à pulvériser et du creuset. Il a produit de l'acier très uniforme et fiable, idéal pour les plaques de chaudière, les poutres structurales, les coques de navire et les armures. L'adoption de la hotte ouverte de base (à l'aide de doublures de dolomite) dans les années 1880 a encore élargi sa portée, lui permettant de traiter les fers à haute teneur en phosphore comme le Bessemer de base. Le four à pulvériser, emblématique de la première révolution industrielle, a été rendu obsolète à la fin du siècle. (L'histoire du four à haut rendement sur Wikipedia fournit des détails supplémentaires sur son fonctionnement.)

Complémentaire et soutenant les innovations

La montée de la fabrication de Bessemer et d'acier à cœur ouvert a été soutenue par une constellation d'autres développements dans le laminage, l'alliage et le traitement des matières premières, qui ont permis de façonner, de renforcer et d'appliquer l'acier produit à l'ensemble des besoins industriels.

Progrès dans la technologie de laminage des moulins

La capacité de produire de gros lingots d'acier était sans signification sans les moyens de les façonner. Les laminoirs ont subi une révolution parallèle au XIXe siècle. L'invention de la laminoir trois-haute a permis de produire des formes plus lourdes et plus longues en un seul passage. Le développement de la laminoir universel a permis le laminage de larges plaques plates pour les coques et les chaudières de navires. L'introduction de laminoirs structurels a permis la production de faisceaux I normalisés, de sections de canaux et de rails.

Cette normalisation était essentielle pour les industries de la construction et du chemin de fer.

La naissance des aciers alliés

Au XIXe siècle, on a également assisté au premier développement intentionnel des aciers alliés. Les métallurgistes et les industriels ont commencé à expérimenter l'ajout d'éléments spécifiques à l'acier pour conférer des propriétés spéciales. Robert Mushet , l'utilisation du manganèse dans le spiegeleisen a été le premier ajout pratique en alliage. Plus tard, Robert Hadfield a développé l'acier manganèse (contenant 12-14 % de manganèse) en 1882, qui a montré une dureté et une ténacité extraordinaires, devenant essentiel pour les machines de concassage des roches et les points de chemin de fer.

La plongée Gilchrist-Thomas de base

Le développement de la doublure de base mérite une attention particulière car il s'agit d'un tournant à la fois métallurgique et géopolitique. Thomas et Gilchrist ont été les principaux éléments de l'idée qu'un matériau réfractaire de base pouvait se combiner chimiquement avec les oxydes de phosphore acide produits pendant le coup. Le laitier qui s'est formé était riche en phosphore et largement vendu comme engrais agricole, créant un flux de revenus secondaires précieux pour les aciéries. Le brevet a été largement autorisé en Allemagne et en France, donnant à ces pays un avantage de coût massif.

Transformer le monde bâti et la société

La seconde révolution industrielle a été, à bien des égards, une révolution à l'aide de l'acier. Chaque projet d'infrastructure majeur de la fin du XIXe siècle – des chemins de fer transcontinentaux aux ponts suspendus aux premiers gratte-ciel – dépend du matériau qui coule des usines de Bessemer et de Bessemer.

Chemins de fer, ponts et infrastructure

L'industrie ferroviaire était le premier consommateur d'acier. Les rails en acier durent dix à vingt fois plus longtemps que les rails en fer forgé, ce qui signifiait des coûts d'entretien plus faibles et la capacité de supporter des locomotives plus lourdes et plus rapides. Le chemin de fer transcontinental américain, achevé en 1869, comptait sur des rails en acier produits par des convertisseurs à l'Est. Le pont Forth en Écosse, achevé en 1890, marquait symboliquement le triomphe de l'acier dans le domaine de l'ingénierie structurelle; ses immenses cantiles étaient construits presque entièrement à partir d'acier à cœur ouvert et Bessemer.

Le squelette en acier et la montée de la ville

Avant le développement des squelettes en acier, la hauteur du bâtiment était limitée par la résistance à la compression de la maçonnerie. Le Home Insurance Building de Chicago, achevé en 1885, est largement considéré comme le premier gratte-ciel parce qu'il utilisait un cadre en acier structurel pour soutenir son poids. Cette innovation a permis aux villes de s'étendre vers le haut plutôt que vers l'extérieur, concentrant l'activité commerciale dans les centres-villes denses.

Puissance navale et puissance industrielle

Les applications militaires de l'acier bon marché étaient immédiates.Le premier navire de guerre en fer de la mer, le Warrior (1860), utilisait le fer plutôt que le bois, mais, dans les années 1870, l'acier était devenu la norme pour la construction navale. Les plaques d'armure en acier pouvaient être roulées à des épaisseurs et des forces beaucoup plus grandes que les plaques de fer, ce qui a conduit à une course aux armements dans l'artillerie navale et l'armure.La capacité de produire de grandes quantités d'acier de haute qualité est devenue une mesure directe de la puissance militaire nationale.

Conclusion: La Fondation de la société industrielle moderne

Les innovations de la production sidérurgique au cours du XIXe siècle sont un exemple de la façon dont les percées techniques et chimiques peuvent complètement remodeler une civilisation. Le processus Bessemer a introduit la vitesse et l'échelle; le processus ouvert a introduit la qualité et le contrôle; le processus Gilchrist-Thomas a résolu la crise du phosphore et a déplacé l'équilibre mondial de l'industrie. Il ne s'agissait pas d'inventions isolées mais d'une vague continue de progrès industriels et scientifiques. La structure économique et sociale du monde moderne – ses villes, ses réseaux de transport, son niveau de vie – repose directement sur la base d'acier bon marché et de haute qualité rendue possible par ces méthodes du XIXe siècle.

En 1900, la production mondiale d'acier avait atteint 28 millions de tonnes, un volume impensable cinquante ans plus tôt. Les processus développés à cette époque ont évolué directement en l'acier à oxygène de base (un dérivé de Bessemer) et le four à arc électrique (un dérivé des principes creuset et ouvert) qui dominent la production d'acier aujourd'hui. Comprendre les immenses défis techniques relevés par Bessemer, Siemens, Martin, Thomas et Gilchrist fournit plus que des perspectives historiques: il éclaire comment les contraintes matérielles stimulent l'innovation, et comment un seul matériau peut devenir le squelette invisible d'une société. (Pour un aperçu plus large de la Deuxième Révolution Industrielle que ce boom d'acier a permis, l'ASME fournit un excellent résumé des innovations mécaniques connexes.)