O Estado da Metalurgia Ferrosa antes do século XIX

Antes do século XIX reescreveu as regras da metalurgia, a produção de ferro e aço utilizáveis era um esforço dispendioso, trabalho-intensivo, restringido pelo fornecimento de combustível e limitações de processo. O mundo material do final de 1700 foi em grande parte construído a partir de madeira, pedra e ferro forjado. Ferro enrugado, refinado através de forjas a carvão ou o processo puddling posterior, foi duro, mas laboriosamente produzido em pequenos lotes. Ferro fundido, embora mais barato para produzir em um alto forno, era frágil e não confiável sob tensão. O material elusivo era aço – uma liga de ferro e carbono que possui a força do ferro fundido e a dureza do ferro forjado – mas permaneceu um luxo bom, disponível apenas para ferramentas de corte, molas e cutelaria fina.

O desafio metalúrgica da era

O desafio central que definiu a metalurgia do início do século XIX foi a falta de um método para controlar com precisão o teor de carbono em escala industrial. O ferro de corte contém menos de 0,008% de carbono; é macio e dúctil. O ferro de fundição contém entre 2% e 4% de carbono; é duro e quebradiço. O aço ocupa o intervalo estreito entre aproximadamente 0,008% e 2,14% de carbono, um ponto doce que lhe confere uma combinação única de dureza, resistência à tração e ductilidade. Os métodos dominantes para produzir aço antes do século XIX – o forno de cimentação e o processo cadinho – poderiam atingir esse alvo, mas apenas em pequenas quantidades. O mundo precisava de um alto forno que pudesse produzir aço líquido, não apenas ferro de porco.

A crise de combustível e o aumento da coca

O século XVIII já havia lançado uma base crítica. O desenvolvimento de altos-fornos a queima de coque em Coalbrookdale no início da década de 1700 resolveu a crise do desmatamento causada pela produção de carvão. No início dos anos 1800, a fundição de coque foi amplamente difundida, diminuindo significativamente o custo e aumentando a produção de ferro-gusa. No entanto, os altos-fornos a queima de coque ainda produziam apenas ferro-gusa. O metal resultante era alto em carbono, silício e outras impurezas. Requeria uma extensa refinação secundária – seja em um forno puddling para produzir ferro forjado ou, raramente, em um ponto de produção de aço de alta qualidade. O gargalo tinha mudado de combustível para o próprio processo de refino.

O Furno Puddling: Refinação sem carvão vegetal

A invenção de Henry Cort de 1784 do processo puddling tinha sido uma melhoria importante. Usando um forno reverberatório alimentado pelo carvão, um pottler agitou ferro fundido fundido, expondo-o ao oxigênio na atmosfera do forno. O oxigênio queimou carbono, silício e manganês, deixando para trás uma massa pastosa de ferro forjado relativamente puro. Enquanto um grande passo em frente – libertando a produção de dependência de carvão – puddling foi trabalho brutalmente duro, lento, e inerentemente de pequena escala. Um único poddler poderia produzir talvez uma tonelada de ferro forjado por dia. À medida que o desenvolvimento ferroviário se acelerou nas décadas de 1830 e 1840, a demanda por trilhos, caldeiras e formas estruturais superou completamente este tipo de oferta.

O processo de Bessemer: a revolução pneumática

A inovação única mais transformadora na história da siderurgia ocorreu em 1856, quando Sir Henry Bessemer patenteou seu processo pneumático. A visão de Bessemer foi radical: ao invés de usar chamas ou agitação para remover impurezas do ferro, ele propôs soprar ar diretamente através de um banho de ferro fundido. O oxigênio no ar reagiria quimicamente com o carbono, silício e manganês, queimando-os fora do metal. O processo não foi apenas eficaz; foi espetacularmente rápido e exotérmico, gerando calor suficiente para manter o aço fundido sem combustível externo.

O conversor autógeno em ação

O aparelho de Bessemer, o conversor, era um vaso em forma de pera, forrado com tijolo de sílica (um revestimento ácido). Um lote de ferro fundido foi carregado no conversor, e o ar foi forçado através de tuyeres no fundo. Uma chama violenta, vários metros de comprimento, irrompeu da boca do conversor como silício e carbono foram oxidados. Um golpe típico durou apenas 10 a 20 minutos, em comparação com os dias exigidos pelos métodos crucíveis ou puddling. A sequência de reações foi precisa: silício oxidado primeiro, aumentando a temperatura, seguido pelo carbono. Quando a chama caiu, indicando o fim da descarburização, o aço estava pronto para ser grampeado. A adição de Robert Mushet de spiegeleisen (uma liga ferromanga) foi um refinamento crucial, pois desoxidizou o aço e reintroduziu a quantidade precisa de carbono necessária para atingir graus específicos.

O Problema Fósforo e a Solução Básica

O triunfo inicial do aço Bessemer foi rapidamente temperado por uma falha crítica. O revestimento ácido de sílica do conversor não poderia remover fósforo do ferro. O fósforo torna o aço quebradiço, especialmente em baixas temperaturas, uma condição conhecida como "curteza fria". Apenas minérios com teor extremamente baixo de fósforo, como os encontrados na Suécia e em partes da Inglaterra, poderiam ser usados. Este " pesadelo de Bessemer" limitou gravemente a aplicabilidade do processo. A solução veio de Sidney Gilchrist Thomas e seu primo Percy Gilchrist em 1877. Eles substituíram o revestimento ácido de sílica com um revestimento básico feito de dolomite calcinado (óxido de magnésio de cálcio). Num conversor básico, o fósforo oxidado e combinado com o revestimento e a lima adicionada para formar uma escória estável. Este ] processo de Gilchrist-Thomas desbloqueou o vasto e fosfórico depósito de ferro ou de Lorraine, Luxemburgo e Alemanha, alterando fundamentalmente a geografia da produção de aço.

O impacto econômico do aço barato

O impacto dos processos Bessemer e Gilchrist-Thomas foi surpreendente. O preço dos trilhos de aço caiu em mais de 80% entre 1856 e 1900. Os volumes de produção explodiram de quantidades insignificantes para milhões de toneladas por ano. O processo Bessemer permitiu diretamente a rápida expansão das redes ferroviárias nos Estados Unidos, Europa, Índia e Rússia. O aço, uma vez que um metal precioso, tornou-se uma mercadoria. (Para uma história técnica detalhada do design de conversores, veja a entrada ] Processo Bessemer na Wikipedia.)

O Processo de Terra Aberta: Precisão e Escala

Embora o processo de Bessemer tenha sido excelente em velocidade e custo, tinha desvantagens inerentes. Foi difícil controlar a química final precisamente, não poderia efetivamente refinar grandes quantidades de sucata de aço, e o tamanho do lote foi limitado pela capacidade do conversor. O processo de abertura do coração, desenvolvido independentemente por William Siemens em Inglaterra e Pierre-Émile Martin em França durante a década de 1860, forneceu uma solução complementar que enfatizou o controle e flexibilidade.

O Forno Regenerativo Siemens

O coração do processo de abertura do forno foi o forno regenerativo, uma das grandes inovações de eficiência térmica do século XIX. O design da Siemens utilizou os gases de escape quentes do forno para aquecer um par de tijolos "câmaras de verificação". Após alguns minutos, o fluxo de ar foi invertido: o ar e o gás combustível que chegavam passaram pelas damas aquecidas, ganhando imensa energia térmica antes de entrar na câmara do forno. Este ciclo permitiu que o forno atingisse temperaturas superiores a 1650°C (3000°F) enquanto consumia muito menos combustível do que um forno convencional. O forno em si era um forno raso, retangular revestido com material refratário (ácido ou básico, dependendo da prática da escória).

Vantagens em Química e Uso de Sucata

O forno Siemens-Martin foi carregado com uma mistura cuidadosamente calculada de ferro fundido, sucata de aço, minério de ferro e fluxos. O processo de refinação levou significativamente mais tempo do que um golpe de Bessemer – tipicamente de 4 a 8 horas, e às vezes mais tempo para os graus de alto carbono. Este ritmo mais lento foi uma vantagem, uma vez que permitiu que os fundidores recolhessem amostras, analisassem a química e fizessem adições para atingir especificações exatas. O forno aberto era muito mais versátil do que o conversor Bessemer. Ele poderia lidar com cargas de sucata até 100%, tornando-o economicamente resistente durante a demanda de aço flutuante. No final do século XIX, o forno aberto-chiarte tornou-se a tecnologia dominante de fabricação de aço no mundo, posição que ocupou até os anos 1960.

Hibridização e a morte dos puddling

O processo de abertura do coração gradualmente absorveu os papéis do forno puddling e do cadinho. Produziu aço que era altamente uniforme e confiável, ideal para placas de caldeira, vigas estruturais, cascos de navio e blindagem. A adoção do aberto-calor básico (usando forros de dolomite) na década de 1880 estendeu ainda mais seu alcance, permitindo-lhe processar ferros de porco de alto fósforo, assim como o básico Bessemer fez. O forno puddling, icônico da Revolução Industrial primitiva, ficou obsoleto até o final do século. ( História do forno aberto na Wikipedia] fornece mais detalhes sobre o seu funcionamento.]

Inovações complementares e de apoio

A ascensão da indústria siderúrgica Bessemer e da indústria siderúrgica de corte aberto foi apoiada por uma constelação de outros desenvolvimentos no processamento de laminação, liga e matéria-prima, que asseguraram que o aço produzido pudesse ser moldado, reforçado e aplicado a todo o espectro das necessidades industriais.

Avanços na tecnologia de laminador

A capacidade de produzir grandes lingotes de aço não tinha sentido sem os meios de moldá-los. Os laminadores passaram por uma revolução paralela no século XIX. A invenção da usina de laminação de três altas dimensões permitiu que formas mais pesadas e mais longas fossem produzidas em uma única passagem. O desenvolvimento da usina de chapa universal permitiu o rolamento de placas largas e planas para cascos e caldeiras de navios. A introdução de laminadores estruturais permitidos para a produção de vigas de I-padrão, seções de canal e trilhos. Esta padronização foi fundamental para a construção e indústrias ferroviárias. A indústria siderúrgica dos EUA, por exemplo, não teria sido capaz de fornecer as quantidades maciças de trilhos padronizados necessários para cobrir o continente sem estes avanços de laminação.

O nascimento de aços de liga

O século XIX também viu o primeiro desenvolvimento intencional de aços de liga. Metalurgistas e industriais começaram a experimentar com a adição de elementos específicos ao aço para conferir propriedades especiais. O uso de manganês em spiegelissen por Robert Mushet foi a primeira adição prática de liga. Mais tarde, Robert Hadfield desenvolveu aço manganês (contendo 12-14% manganês) em 1882, que exibiu dureza e tenacidade extraordinárias, tornando-se essencial para máquinas de trituração de rochas e pontos ferroviários. Na década de 1890, a adição de níquel e cromo começou a ser explorada para usos estruturais e armadura, colocando o trabalho de terra para os sistemas de liga complexos do século XX.

O mergulho básico de revestimento Gilchrist-Thomas

O desenvolvimento básico do revestimento merece particular ênfase, pois foi tanto um ponto de viragem metalúrgica e geopolítica. Thomas e Gilchrist visão chave foi que um material básico refratário poderia combinar quimicamente com os óxidos de fósforo ácido produzidos durante o golpe. A escória que se formou foi rica em fósforo e amplamente vendido como um fertilizante agrícola, criando um valioso fluxo de receita secundária para as fábricas de aço. A patente foi amplamente licenciada na Alemanha e França, dando a esses países uma enorme vantagem de custo. Esta inovação química permitiu que a Alemanha rapidamente superar a Grã-Bretanha na produção de aço até o final do século 19, alterando fundamentalmente a paisagem econômica da Europa.

Transformando o Mundo e a Sociedade Construídos

O custo acentuadamente baixo e a qualidade crescente do aço tiveram um impacto direto e tangível no mundo físico. A Segunda Revolução Industrial foi, em muitos aspectos, uma revolução orientada pelo aço. Cada grande projeto de infraestrutura do final do século XIX - desde ferrovias transcontinentais até pontes de suspensão até os primeiros arranha-céus - dependia do material que fluiva de Bessemer e plantas de abertura.

Caminhos-de-ferro, pontes e a espinha dorsal da infra-estrutura

A indústria ferroviária era o maior consumidor inicial de aço. Os trilhos de aço duraram de dez a vinte vezes mais tempo do que os trilhos de ferro forjado, o que significava custos de manutenção mais baixos e a capacidade de suportar locomotivas mais pesadas e mais rápidas. A ferrovia transcontinental americana, concluída em 1869, dependia de trilhos de aço produzidos por conversores no Oriente. A Ponte Forth, na Escócia, concluída em 1890, marcou simbolicamente o triunfo do aço na engenharia estrutural; seus maciços cantilers foram construídos quase inteiramente a partir de corte aberto e aço Bessemer. Aço também permitiu pontes de suspensão mais longas, como a Ponte Brooklyn (1883), que usou fio de aço para seus cabos principais.

O esqueleto de aço e a ascensão da cidade

A cidade moderna de arranha-céus nasceu da estrutura de aço. Antes do desenvolvimento de esqueletos de aço, a altura de construção foi limitada pela resistência à compressão da alvenaria. O edifício de seguros em casa em Chicago, concluído em 1885, é amplamente considerado o primeiro arranha-céus, porque ele usou uma estrutura de aço estrutural para suportar o seu peso. Esta inovação permitiu que as cidades se expandem para cima, em vez de apenas para fora, concentrando a atividade comercial em núcleos densas centrais. Aço também permitiu a proliferação de ferrovias elevadas, sistemas de metrô, e salas de exposição de grande escala como o Palácio de Cristal.

Poder Naval e Poder Industrial

As aplicações militares de aço barato foram imediatas. O primeiro navio de guerra de ferro fundido, o Warrior (1860), usado ferro em vez de madeira, mas na década de 1870, o aço tornou-se o padrão para a construção naval. Placas de armadura de aço poderiam ser enroladas para espessuras e forças muito maiores do que placas de ferro, levando a uma corrida armamentista em artilharia naval e armadura. A capacidade de produzir grandes quantidades de aço de alta qualidade tornou-se uma medida direta do poder militar nacional. Peças de artilharia de aço substituiu bronze e armas de ferro, ea produção em massa de rifles padronizados tornou-se uma marca dos exércitos modernos. ( Leia mais sobre a história do aço em Britannica ).

Conclusão: Fundação da Sociedade Industrial Moderna

As inovações na produção de ferro e aço ao longo do século XIX representam um exemplo de como as inovações técnicas e químicas conectadas podem remodelar completamente uma civilização. O processo de Bessémer introduziu velocidade e escala; o processo de abertura do coração introduziu qualidade e controle; o processo Gilchrist-Thomas resolveu a crise do fósforo e mudou o equilíbrio global da indústria. Estas não eram invenções isoladas, mas parte de uma contínua onda de progresso industrial e científico. A estrutura econômica e social do mundo moderno – suas cidades, suas redes de transporte, seu padrão de vida – repousa diretamente sobre a fundação de aço barato e de alta qualidade, possibilitada por esses métodos do século XIX.

Em 1900, a produção global de aço atingiu 28 milhões de toneladas, um volume impensável apenas cinquenta anos antes. Os processos desenvolvidos nesta era evoluíram diretamente para a fabricação básica de aço oxigênio (um derivado de Bessemer) e o forno elétrico de arco (um derivado dos princípios cadinhos e do aberto-calor) que dominam a produção de aço hoje. Compreender os imensos desafios técnicos superados por Bessemer, Siemens, Martin, Thomas e Gilchrist fornece mais do que a visão histórica: ilumina como as restrições materiais impulsionam a inovação, e como um único material pode tornar-se o esqueleto invisível de uma sociedade. (Para uma visão mais ampla da Segunda Revolução Industrial que este boom de aço possibilitou, ] o ASME fornece um excelente resumo das inovações mecânicas relacionadas].)