Apprenez l'histoire de l'âge du fer aux fours à arc électrique
Cependant, pour les quelques milliers d'années qui suivront, la qualité du fer produit dépendra autant du minerai disponible que des méthodes de production.
Au 17ème siècle, les propriétés du fer étaient bien comprises, mais l'urbanisation croissante en Europe exigeait un métal structural plus polyvalent.
Et au 19ème siècle, la quantité de fer consommée par l'expansion des chemins de fer a incité les métallurgistes à trouver une solution à la fragilité du fer et à des processus de production inefficaces.
Sans aucun doute, cependant, la principale percée dans l'histoire de l'acier est survenue en 1856 quand Henry Bessemer a développé un moyen efficace d'utiliser l'oxygène pour réduire la teneur en carbone dans le fer: L'industrie sidérurgique moderne est née.
L'ère du fer
À des températures très élevées, le fer commence à absorber le carbone, ce qui abaisse le point de fusion du métal, entraînant la fonte (2,5 à 4,5% de carbone). Le développement des hauts fourneaux, utilisés pour la première fois par les Chinois au VIe siècle av. J.-C. mais plus largement utilisés en Europe au Moyen Age, a permis d'accroître la production de fonte.
La fonte brute est du fer fondu sortant des hauts fourneaux et refroidie dans un canal principal et des moules adjacents. Les grands lingots plus petits, centraux et voisins, ressemblaient à une truie et à des porcelets allaités.
La fonte est solide mais souffre de fragilité en raison de sa teneur en carbone, ce qui la rend moins qu'idéal pour le travail et la mise en forme. Comme les métallurgistes se rendaient compte que la teneur élevée en carbone du fer était au cœur du problème de la fragilité, ils expérimentèrent de nouvelles méthodes pour réduire la teneur en carbone afin de rendre le fer plus malléable.
À la fin du XVIIIe siècle, les fabricants de fer ont appris comment transformer la fonte brute en fer forgé à faible teneur en carbone en utilisant des fours à puddler (développé par Henry Cort en 1784). Les fours ont chauffé du fer fondu, qui a dû être agité par les puddlers en utilisant de longs outils en forme d'aviron, permettant à l'oxygène de se combiner avec le carbone et de l'éliminer lentement.
À mesure que la teneur en carbone diminue, le point de fusion du fer augmente, de sorte que des masses de fer s'agglomèrent dans le four. Ces masses seraient enlevées et travaillées avec un marteau de forge par le puddler avant d'être roulées en feuilles ou en rails. En 1860, il y avait plus de 3000 fours à puddler en Grande-Bretagne, mais le processus restait entravé par l'intensité de la main-d'œuvre et du carburant.
L'une des premières formes d'acier, l'acier blister, a commencé sa production en Allemagne et en Angleterre au 17ème siècle et a été produite en augmentant la teneur en carbone dans la fonte liquide en utilisant un processus connu sous le nom de cimentation. Dans ce procédé, des barreaux de fer forgé ont été stratifiés avec du charbon de bois en poudre dans des boîtes en pierre et chauffés.
Après environ une semaine, le fer absorberait le carbone dans le charbon de bois. Un chauffage répété distribuerait le carbone plus uniformément et le résultat, après refroidissement, était l'acier blister. La teneur élevée en carbone a rendu l'acier blister beaucoup plus malléable que la fonte, lui permettant d'être pressé ou roulé.
Dans les années 1740, l'horloger anglais Benjamin Huntsman, alors qu'il essayait de développer un acier de haute qualité pour ses ressorts, découvrit que le métal pouvait être fondu dans des creusets en argile et affiné avec un flux spécial pour éliminer les scories. derrière. Le résultat fut un creuset ou de l'acier coulé. Mais en raison du coût de production, l'acier blister et l'acier moulé n'étaient utilisés que dans des applications spécialisées.
En conséquence, la fonte fabriquée dans les fours à puddler est restée le principal métal de construction dans l'industrialisation de la Grande-Bretagne pendant la plus grande partie du 19ème siècle.
Le processus de Bessemer et la sidérurgie moderne
La croissance des chemins de fer au cours du 19ème siècle en Europe et en Amérique a exercé une forte pression sur l'industrie du fer, qui luttait encore avec des processus de production inefficaces.
Pourtant, l'acier n'était pas encore prouvé en tant que métal de structure et la production était lente et coûteuse. C'était jusqu'en 1856 quand Henry Bessemer a trouvé un moyen plus efficace d'introduire de l'oxygène dans le fer fondu afin de réduire la teneur en carbone.
Connu sous le nom de procédé Bessemer, Bessemer a conçu un réceptacle en forme de poire - appelé «convertisseur» - dans lequel le fer pouvait être chauffé pendant que l'oxygène pouvait être soufflé à travers le métal en fusion. Lorsque l'oxygène traversait le métal en fusion, il réagissait avec le carbone, libérant du dioxyde de carbone et produisant un fer plus pur.
Le processus a été rapide et peu coûteux, en enlevant le carbone et le silicium du fer en quelques minutes mais a souffert d'être trop réussi. Trop de carbone a été enlevé et trop d'oxygène est resté dans le produit final. Bessemer a finalement dû rembourser ses investisseurs jusqu'à ce qu'il puisse trouver une méthode pour augmenter la teneur en carbone et éliminer l'oxygène indésirable.
À peu près au même moment, le métallurgiste britannique Robert Mushet acquiert et commence à tester un composé de fer, de carbone et de manganèse, connu sous le nom de speigeleisen . Le manganèse était connu pour éliminer l'oxygène du fer fondu et la teneur en carbone dans le speigeleisen, s'il était ajouté dans les bonnes quantités, fournirait la solution aux problèmes de Bessemer. Bessemer a commencé à l'ajouter à son processus de conversion avec un grand succès.
Pourtant, un problème subsistait toujours. Bessemer n'avait pas réussi à trouver un moyen d'éliminer le phosphore - une impureté délétère qui rend l'acier fragile - de son produit final. En conséquence, seul le minerai sans phosphore de Suède et du Pays de Galles pourrait être utilisé.
En 1876, le gallois Sidney Gilchrist Thomas a trouvé la solution en ajoutant un flux calcaire chimiquement basique au procédé Bessemer. Le calcaire a attiré du phosphore de la fonte brute dans le laitier, permettant à l'élément indésirable d'être retiré.
Cette innovation signifiait que, finalement, le minerai de fer de n'importe où dans le monde pourrait être utilisé pour fabriquer de l'acier. Sans surprise, les coûts de production de l'acier ont commencé à diminuer de manière significative. Les prix du rail d'acier ont chuté de plus de 80% entre 1867 et 1884, en raison des nouvelles techniques de production de l'acier, qui ont initié la croissance de l'industrie sidérurgique mondiale.
Le processus du foyer ouvert
Dans les années 1860, l'ingénieur allemand Karl Wilhelm Siemens améliora encore la production d'acier en créant sa cheminée. Le procédé à foyer ouvert produisait de l'acier à partir de la fonte dans de grands fours peu profonds.
En utilisant des températures élevées pour brûler l'excès de carbone et d'autres impuretés, le procédé reposait sur des chambres de briques chauffées sous le foyer. Les fours à régénération ont ensuite utilisé les gaz d'échappement du four pour maintenir des températures élevées dans les chambres de briques ci-dessous.
Cette méthode a permis la production de quantités beaucoup plus grandes (50-100 tonnes métriques pourraient être produites dans un même four), des essais périodiques de l'acier fondu afin de pouvoir répondre à des spécifications particulières et l'utilisation de déchets d'acier comme matière première . Bien que le processus lui-même ait été beaucoup plus lent, en 1900 le processus de foyer ouvert avait largement remplacé le processus de Bessemer.
Naissance de l'industrie de l'acier
La révolution dans la production d'acier qui fournissait des matériaux moins chers et de meilleure qualité a été reconnue par de nombreux hommes d'affaires comme une opportunité d'investissement. Les capitalistes de la fin du 19ème siècle, y compris Andrew Carnegie et Charles Schwab, ont investi et fait des millions (milliards dans le cas de Carnegie) dans l'industrie sidérurgique. La US Steel Corporation de Carnegie, fondée en 1901, a été la première entreprise à avoir été lancée, évaluée à plus d'un milliard de dollars.
Fabrication d'acier à arc électrique
Juste après le tournant du siècle, un autre développement a eu lieu qui aurait une forte influence sur l'évolution de la production d'acier. Le four à arc électrique (EAF) de Paul Heroult a été conçu pour faire passer un courant électrique à travers un matériau chargé, entraînant une oxydation exothermique et des températures jusqu'à 1800 ° C (3272 ° F), plus que suffisantes pour chauffer la production d'acier.
Initialement utilisées pour les aciers spéciaux, les EAF ont pris de l'expansion et, à la fin de la Seconde Guerre mondiale, étaient utilisées pour la fabrication d'alliages d'acier. Le faible coût d'investissement associé à la mise en place des aciéries EAF leur a permis de concurrencer les grands producteurs américains tels que US Steel Corp. et Bethlehem Steel, en particulier les aciers au carbone, ou les produits longs.
Parce que les FAE peuvent produire de l'acier à partir de ferraille à 100% ou d'une charge ferreuse froide, il faut moins d'énergie par unité de production. Contrairement aux foyers basiques à oxygène, les opérations peuvent également être arrêtées et démarrées avec un coût faible. Pour ces raisons, la production via les FAE n'a cessé d'augmenter depuis plus de 50 ans et représente aujourd'hui environ 33% de la production mondiale d'acier.
Fabrication d'acier oxygéné
La majorité de la production mondiale d'acier - environ 66% - est maintenant produite dans des installations d'oxygène de base. Le développement d'une méthode pour séparer l'oxygène de l'azote à l'échelle industrielle dans les années 1960 a permis des avancées majeures dans le développement des fours à oxygène basiques.
Les fours à oxygène de base soufflent de l'oxygène dans de grandes quantités de fer fondu et de ferraille et peuvent remplir une charge beaucoup plus rapidement que les méthodes à foyer ouvert. Les grands navires pouvant contenir jusqu'à 350 tonnes de fer peuvent achever la conversion en acier en moins d'une heure.
La rentabilité de la fabrication de l'acier à l'oxygène a rendu les usines à foyer ouvert non compétitives et, à la suite de l'avènement de l'acier à l'oxygène dans les années 1960, les installations à foyer ouvert ont commencé à fermer. La dernière installation à foyer ouvert aux États-Unis a fermé ses portes en 1992 et en Chine en 2001.
Sources:
Spoerl, Joseph S. Une brève histoire de la production de fer et d'acier. Collège Saint Anselm.
L'Association mondiale de l'acier. www.steeluniversity.org
Rue, Arthur. & Alexander, WO 1944. Les métaux au service de l'homme . 11ème édition (1998).