Lo Stato della Ferrous Metallurgy prima del XIX secolo

Prima del XIX secolo riscriveva le regole della metallurgia, la produzione di ferro e acciaio utilizzabile era un costoso, laborioso sforzo teso con la fornitura di carburante e i limiti di processo. Il mondo materiale della fine del 1700 fu in gran parte costruito da legno, pietra, e ferro battuto.

La sfida metallurgica dell'era

La sfida centrale che ha definito la metallurgia del primo XIX secolo era la mancanza di un metodo per controllare con precisione il contenuto di carbonio su scala industriale. Il ferro battuto contiene meno dello 0,00% di carbonio; è morbido e duttile. Il ferro da colata contiene tra il 2% e il 4% di carbonio; è duro e fragile. L'acciaio occupa la gamma stretta tra circa lo 0,00% e il 2,14% di carbonio, un punto dolce che gli conferisce una combinazione unica di durezza, di resistenza a tra i condotti.

La crisi del carburante e la crisi della Coca

Il 18 ° secolo aveva già stabilito una base critica. Lo sviluppo di Abraham Darby di altoforni coke-fuocati a Coalbrookdale nei primi anni 1700 ha risolto la crisi di deforestazione causata dalla produzione di carbone.

La fornace per coccolatura: Rifinire senza carbone

L’invenzione del processo di allevamento di Henry Cort nel 1784 era stata un miglioramento di riferimento. Utilizzando un forno riverberato alimentato dal carbone, un pompiere ha mescolato il ferro di maiale fuso, esponendolo all’ossigeno nell’atmosfera del forno. L’ossigeno ha bruciato via il carbonio, il silicio e il manganese, lasciando dietro una massa di ferro battuto relativamente puro.

Il processo di Bessemer: la rivoluzione pneumatica

L’innovazione unica più trasformativa nella storia dell’acciaio avvenne nel 1856 quando Sir Henry Bessemer brevettò il suo processo pneumatico. L’intuizione di Bessemer era radicale: piuttosto che usare le fiamme o mescolare per rimuovere le impurità dal ferro, propose di soffiare l’aria direttamente attraverso un bagno di ghisa fusa. L’ossigeno nell’aria avrebbe reagito chimicamente con il carbonio, il silicio e il manganese, bruciandoli dal calore spettacolare.

Il Convertitore Autogeno in Azione

L’apparato di Bessemer, il convertitore, era un vaso a forma di pera rivestito di mattoni di silice (un rivestimento acido). Un gruppo di ghisa fuso caricato nel convertitore, e l’aria fu forzata attraverso i tutori nel fondo. Una fiamma violenta, lunga diversi metri, erutta dalla bocca del convertitore come silicio e carbonio sono state ossidate.

Il problema del fosforo e la soluzione di base

Il processo di fusione dell'acciaio di Bessemer è stato rapidamente temperato da un difetto critico. Il rivestimento di silice acida del convertitore non ha potuto rimuovere il fosforo dal ferro. Phosphorus rende fragile l'acciaio, soprattutto a basse temperature, una condizione nota come "brevezza fredda".

L'impatto economico dell'acciaio economico

L'impatto dei processi Bessemer e Gilchrist-Thomas era in netto contrasto. Il prezzo delle guide in acciaio è sceso di oltre l'80% tra il 1856 e il 1900. I volumi di produzione sono esplosi da quantità trascurabili a milioni di tonnellate all'anno. Il processo Bessemer ha permesso di espandere rapidamente le reti ferroviarie attraverso gli Stati Uniti, l'Europa, l'India e la Russia.

Il processo di apertura della testa: precisione e scala

Mentre il processo Bessemer eccelleva in velocità e costi, aveva intrinsecamente inconvenienti: era difficile controllare la chimica finale con precisione, non poteva efficacemente affinare grandi quantità di acciaio per scarti, e la dimensione del lotto era limitata dalla capacità del convertitore. Il processo di apertura-guarigione, sviluppato indipendentemente da William Siemens in Inghilterra e Pierre-Émile Martin in Francia durante gli anni 1860, forniva una soluzione complementare che enfatizzava il controllo e la flessibilità.

La fornace rigenerativa Siemens

Il cuore del processo di apertura-guarigione era il forno rigenerativo, una delle grandi innovazioni di efficienza termica del XIX secolo. Il design di Siemens ha usato i gas di scarico caldi dal forno per riscaldare un paio di "camere di schermatura" di mattoni. Dopo pochi minuti, il flusso d'aria è stato invertito: l'aria in entrata e il gas di combustibile passa attraverso i controllori riscaldati, guadagnando l'energia termica immensiva prima di entrare nella camera di forno a 160°.

Vantaggi in Chimica e Scrap Utilizzo

Il forno Siemens-Martin è stato caricato con una miscela accuratamente calcolata di ferro di maiale fuso, acciaio rotta, minerale di ferro e flussi. Il processo di raffinazione ha richiesto significativamente più di un colpo Bessemer—di solito 4-8 ore, e talvolta più lungo per gradi ad alto tenore di carbonio. Questo ritmo più lento è stato un vantaggio, come ha permesso ai fusori di prendere campioni, analizzare la chimica e fare aggiunte per colpire specifiche esatte.

Ibridizzazione e morte di coccole

Il processo di apertura assorbiva gradualmente i ruoli del forno di podling e del crogiolo. Produsse acciaio altamente uniforme e affidabile, ideale per piastre di caldaia, travi strutturali, scafi di nave e piastra di armatura. L'adozione del funzionamento di base ha fatto il passo-alto (utilizzando rivestimenti di dolomite) nel 1880 ha ulteriormente esteso la sua portata, permettendo di elaborare i pomeriggi di fine di ferro obsoleti appena come il primo piano.

Innovazioni complementari e di supporto

L'ascesa della lavorazione dell'acciaio Bessemer e dell'arto-a-cuta è stata sostenuta da una costellazione di altri sviluppi nella lavorazione della laminazione, della leghe e della materia prima, che hanno permesso di realizzare, rafforzare e applicare al pieno spettro delle esigenze industriali.

Avanzamenti in Tecnologia Rolling Mill

La capacità di produrre grandi ingoti di acciaio non era senza significato senza mezzi per modellarli. I mulini a rulli hanno subito una rivoluzione parallela nel XIX secolo. L'invenzione del laminatoio a tre alti ha permesso di produrre forme più pesanti e più lunghe in un unico passaggio. Lo sviluppo del laminatoio universale ha permesso la la laminazione di grandi, piatti piatti per scafi e caldaie.

La nascita di acciai legati

Nel 1882, i metallurgisti e gli industriali cominciarono a sperimentare l’aggiunta di elementi specifici all’acciaio per impartire proprietà speciali. L’uso di Robert Mushet del manganese in spiegeleisen fu la prima aggiunta pratica della lega. In seguito, Robert Hadfield sviluppò l’acciaio manganese (contenendo il 12-14% del manganese) che esibiva una durezza e una resistenza straordinarie, diventando essenziale per l’aggiunta di punti ferrovia-cromo.

La Gilchrist-Thomas Basic Lining Deep Dive

Lo sviluppo di base del rivestimento merita una particolare attenzione, poiché è stato sia un punto di svolta metallurgico che geopolitico. Thomas e Gilchrist hanno dimostrato che un materiale refrattario di base potrebbe combinare chimicamente con gli ossidi di fosforo acidi prodotti durante il colpo. La scoria che si è formata era ricca di fosforo e ampiamente venduta come fertilizzante agricolo, creando un prezioso flusso di reddito secondario per le piante d'acciaio.

Trasformare il Mondo e la Società Costruite

La seconda rivoluzione industriale è stata, in molti modi, una rivoluzione a base di acciaio. Ogni progetto infrastrutturale importante della fine del XIX secolo, dalle ferrovie transcontinentali ai ponti sospensioni ai primi grattacieli, dipendeva dal materiale che scorre dalle piante Bessemer e dalle piante a cielo aperto.

Ferrovie, ponti e la spina dorsale delle infrastrutture

L'industria ferroviaria era il maggior consumatore iniziale di acciaio. Le ferrovie d'acciaio duravano dieci a venti volte più a lungo delle rotaie di ferro battuto, che significavano costi di manutenzione inferiori e la capacità di sostenere le locomotive più pesanti e veloci. La ferrovia transcontinentale americana, completata nel 1869, si basava su guide d'acciaio prodotte da convertitori in Oriente.

Lo scheletro d'acciaio e il riso della città

Prima dello sviluppo di scheletri d'acciaio, l'altezza dell'edificio era limitata dalla forza di compressione della muratura. L'Home Insurance Building di Chicago, completato nel 1885, è ampiamente considerato il primo grattacielo perché ha usato un telaio in acciaio strutturale per sostenere il suo peso. Questa innovazione ha permesso alle città di espandersi verso l'alto piuttosto che verso l'esterno, concentrando l'attività commerciale in densi core del centro.

Potenza navale e Potere industriale

Le applicazioni militari di acciaio a buon mercato erano immediate. La prima nave da guerra in ghisa, il Warrior (1860), usato ferro piuttosto che legno, ma dal 1870, l'acciaio era diventato lo standard per la costruzione navale.

Conclusione: Fondazione della Modern Industrial Society

Le innovazioni nella produzione di ferro e acciaio nel XIX secolo rappresentano un esempio di manuale di come le scoperte tecniche e chimiche connesse possano rimodellare completamente una civiltà. Il processo di Bessemer ha introdotto velocità e scala; il processo di apertura-terra ha introdotto qualità e controllo; il processo di Gilchrist-Thomas ha risolto la crisi del fosforo e ha spostato l'equilibrio globale dell'industria, non essendo invenzioni isolate, ma parte di un continuo progresso economico e moderno.

Nel 1900, la produzione globale di acciaio aveva raggiunto 28 milioni di tonnellate, un volume impensabile solo cinquant'anni prima. I processi sviluppati in questa epoca si sono evoluti direttamente nella produzione di ossigeno di base (un derivato di Bessemer) e il forno elettrico ad arco (un derivato dei principi crocible e open-hearth) che dominano la produzione di acciaio oggi.