Phần 1: Thép trước thế kỷ 18

Hiệp hội thép thế giới đại diện cho khoảng 170 nhà sản xuất thép (bao gồm 17 trong số 20 công ty thép lớn nhất thế giới), các hiệp hội ngành thép quốc gia và khu vực và các viện nghiên cứu thép. Các thành viên của hiệp hội thép thế giới đai diện cho khoảng 85% sản lượng thép trên thế giới. Hiệp hội thép thế giới đóng vai trò là tiêu điểm cho ngành thép, cung cấp lãnh đạo toàn cầu về tất cả các vấn đề chiến lược chính tác động đến ngành, đặc biệt tập trung vào tính bền vững về kinh tế, môi trường và xã hội.

Hiệp hội thép thế giới đã thực hiện tất cả các bước có thể để kiểm tra và xác nhận các sự kiện có trong sách này – tuy nhiên, một số yếu tố không thể tránh việc tiếp nhận diễn giải. Hiệp hội thép thế giới chịu bất kỳ trách nhiệm pháp lý nào về tính chính xác của dữ liệu, thông tin, ý kiến hoặc bất kỳ lỗi in ấn nào.

Chi tiết về Ấn Độ từ bản đồ thế giới của Ptolemy. Sắt lần đầu tiên được tìm thấy trong các thiên thạch (“món quà của thượng đế”), sau đó hàng ngàn năm sau đã được phát triển thành thép, việc khám phá ra sắt này đã giúp định hình thế giới cổ đại (và hiện đại).

Thép tuyệt vời

Thép là một trong những vật liệu thiết yếu nhất của thế giới. Nó là nền tảng cho mọi khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta, từ cơ sở hạ tầng và phương tiện giao thông đến hộp thép mạ thiếc nhỏ bé để bảo quản thực phẩm. Với thép, chúng ta có thể tạo ra các tòa nhà khổng lồ hoặc các bộ phận nhỏ bé cho các thiết bị đo độ chính xác. Nó bền chắc, đa năng và có khả năng tái chế vô hạn.

Sự trỗi dậy của thép bắt đầu từ Cuộc cách mạng công nghiệp thế kỷ 19 ở Châu Âu và Bắc Mỹ.

Tuy nhiên, quá trình sản xuất thép không phải là mới. Các thợ thủ công bậc thầy ở Trung Quốc và Ấn Độ cổ đại đã có tay nghề cao trong chế tạo. tuy nhiên, chỉ trong 200 năm trở lại đây, khoa học mới tiết lộ các bí mật của vật liệu đặc biệt này.

Ngày nay, các nhà sản xuất thép biết cách kết hợp pha trộn sắt chính xác, một tỷ lệ nhỏ cacbon và các nguyên tố đánh dấu để sản xuất ra hàng trăm loại thép. Sau đó các loại thép này được cán, ủ và phủ mạ để mang lại các đặc tính hoàn toàn phù hợp cho vô số ứng dụng.

Cuốn sách này dò theo các mốc quan trọng trong lịch sử thép, nêu rõ một số trong nhiều nhà phá minh, doanh nhân và các công ty đã định hình sự phát triển của thép. 

Thép có một quá khứ thú vị và một tương lai thậm chí còn thú vị hơn. Các nhà sản xuất thép tiếp tục giảm thiểu năng lượng cần thiết để sản xuất thép. Thép cường độ cao hiện đại cung cấp cường độ cao hơn có trọng lượng nhẹ hơn, giúp giảm thiểu lượng phát thải cacbon dioxit của các sản phẩm cuối cùng như ô tô. Và vì thép có thể được tái chế dễ sàng nên nguồn cung sẽ vẫn dồi dào cho các thế hệ sau.

Một khám phá hạnh phúc

Quá trình công nghiệp hóa quá trình sản xuất thép ở thế kỷ 19 đã giúp xây dựng thế giới hiện đại của chúng ta, nhưng nguồn gốc của quá trình sản xuất thép đã có từ hàng ngàn năm trước.

Kể từ khi tổ tiên của chúng ta bắt đầu khai thác và nấu chảy sắt, thì họ đã bắt đầu sản xuất thép.

Hơn 4.000 năm trước, người dân ở Ai Cập và Lưỡng Hà đã khám phá ra sắt thiên thạch và sử dụng món quà của thượng đế này để làm vật trang trí. Nhưng phải mất thêm 2,000 năm nữa con người mới bắt đầu sản xuất sắt từ quặng sắt khai thác được. Những phát hiện mới nhất về sắt lỏng ở Ấn Độ có từ năm 1800 trước Công Nguyên (BCE). Người Hittit ở vùng Anatolia bắt đầu nấu chảy sắt vào khoảng năm 1500 trước Công Nguyên. Khi đế chế của họ sụp đổ vào khoảng năm 1200 trước Công Nguyên, các bộ lạc khác nhau đã mang theo kiến thức về quá trình sản xuất thép, truyền bá nó khắp Châu Âu và Châu Á. Thời kỳ đồ sắt đã bắt đầu.   

Tuy nhiên, sắt không phải là thép. Các kỹ nghệ sắt Thời kỳ đồ sắt gần như chắc chắn đã phá hiện ra thép là sản phẩm phụ tình cờ trong các hoạt động luyện sắt của mình. Các thợ rèn đầu tiên này đã nung quặng sắt trong lửa than gỗ, tạo ra một khối sắt xốp tương đối nguyên chất gọi là “phôi bloom” mà sau đó có thể được rèn thành hình.

Những thợ rèn đầu tiên này đã nhận thấy rằng khi sắt để lại trong lò than củi lâu hơn thì nó sẽ thay đổi, trở nên cứng hơn và bền hơn: chất lượng mà họ chắc chắn công nhận là có giá trị. Họ cũng đã nhận thấy rằng các chất lượng này đã được cải thiện khi được gia nhiệt, tạo uốn nếp và dập vật liệu lặp đi lặp lại khi họ rèn sắt.

Cảng của Công ty Đông Ấn ở Bombay, Ấn Độ vào thế kỷ 18.

Thợ thủ công cổ đại

Một trong những tài liệu tham khảo sớm nhất về quá trình sản xuất thép là từ Nhà sử học Hy Lạp, Herodotus, đề cập đến một bát do Glaucus of Chios khảm vào thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên: Một chiếc bát lớn bằng bạc nguyên chất, với một mâm bằng thép được khảm một cách kỳ lạ. Glaucus, người Chian, đã làm ra nó, người đầu tiên phát minh ra nghệ thuật khảm thép.

Các kỹ thuật mới

Sau khi khám phá ra thép và các chất lượng vượt trội của thép, thợ thủ công thời kỳ đồ sắt đã biến nó thành các công cụ và vũ khí như dao. Ngay sau đó, các kỹ thuật mới đã được phát triển, chẳng hạn tôi cứng – làm mát nhanh chóng bằng nước hoặc dầu cho thép được gia công để tăng độ cứng của thép. Một phát hiện khảo cổ học ở Síp chỉ ra rằng thợ thủ công đã chế tạo ra các dao thép được tôi cứng ngay từ năm 1100 trước Công Nguyên.

Tuy nhiên, trong thế giới cổ đại, quá trình sản xuất thép vẫn là một quá trình lâu dài và khó khăn, và các mặt hàng thép quý hiếm được chế tạo sẽ được đánh giá cao.

Các kỹ nghệ sắt thời kỳ đồ sắt gần như chắc chắn đã phá hiện ra thép là sản phẩm phụ tình cờ trong các hoạt động luyện sắt của mình

Chuông chùa Phật giáo Nhật Bản

Một ngành công nghiệp toàn cầu bắt đầu

Các nhà sản xuất thép thời kỳ đồ sắt đã không hiểu về thành phần hóa học của thép. Qúa trình tạo ra nó chứa đựng nhiều huyền bí và kết quả cuối cùng phụ thuộc vào kỹ năng của từng kỹ nghệ. Đầu tiên trong số này là thợ thủ công ở Nam Ấn Độ. Ngay từ đầu thế kỷ thứ 3 TCN, họ đã sử dụng các nồi để nấu luyện sắt rèn bằng than củi để sản xuất thép “woots” – một loại vật liệu mà đến ngày hôm nay vẫn được ngưỡng mộ vì chất lượng của nó.

Thợ thủ công của Trung Quốc cũng đã sản xuất thép chất lượng cao. Dường như là người Trung Quốc đã có một quy trình gì đó tương tự như quy trình lò Bessemer ngay từ đầu thế kỷ thứ 2 TCN, quy trình này chỉ được phát triển ở Châu Âu vào thế kỷ thứ 19. Các công cụ nông nghiệp bằng thép đã được sử dụng rộng rãi vào Thời nhà Đường, khoảng năm 600-900 SCN.

Hơn nữa, khi bí quyết chuyên môn đã được thương mại. Các kỹ năng của thương gia ở Ấn Độ và Trung Quốc đã tạo ra một thị trường thép quốc tế. Nhiều nhà lịch sử tin rằng nhà khoa học tự nhiên và nhà văn nổi tiếng người Mã Lai ông Pliny mà Elder đã đề cập đến Trung Quốc khi ông ấy mô tả “Seres” là nguồn thép tốt nhất trên thế giới. Và những thanh kiếm Damascus, nổi tiếng vì chất lượng vượt trội, đã được làm bằng thép wootz của Ấn Độ.

Sắt được gia nhiệt để giảm độ giòn

Các thanh kiếm huyền thoại

Phần lớn nhu cầu về thép thời kỳ đầu là do chiến tranh. Quân đội đế quốc, bao gồm cả quân đội của Trung Quốc, Hy Lạp, Ba Tư và La Mã, rất mong muốn có được vũ khí và áo giáp mạnh và bền. Trong số đó, người La Mã đã học cách tôi thép được tôi khi gia công để giảm độ giòn của nó bằng cách gia nhiệt và để nguội chậm hơn.

Đến thế kỷ thứ 15, thép đã được thiết lập tốt trên toàn thế giới. Đặc biệt là các thanh kiếm đã tận dụng tối đa các đặc tính độc đáo của thép, lưỡi kiếm cứng, linh hoạt và dễ mài sắc. Từ các thanh kiếm Damascus và Toledo đến những thanh kiếm katanas được sử dụng bởi các samurai Nhật Bản, thép đã là vật liệu được chọn cho những vũ khí tốt nhất trong thời đại của họ.

Việc sử dụng thép không chỉ giới hạn cho các mục đích quân sự. Nhiều công cụ như rìu, cưa và cái chàng đã bắt đầu lắp các đầu thép để làm cho chúng bền hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, mặc dù việc sử dụng ngày càng tăng, như quá trình sản xuất thép vẫn là một quá trình chậm chạp, tốn thời gian và tốn kém.

Lưỡi lê được nhắc đến đầu tiên vào đầu năm 1611, và nó được đặt tên  Thanh kiếm Ba Tư truyền thống (shamshir): từ này có nghĩa là cong như móng sư tử

Đây là một lưỡi lê Tây Ban Nha.

Thanh kiếm katana của Nhật Bản: theo truyền thống được làm từ thép Nhật Bản chuyên dụng có tên là “Tamahagane”, bao gồm sự kết hợp thép cacbon cao cứng và thép cacbon thấp bền dai.

Những điều huyền bí Damascene

Một huyền thoại trong thời đại của họ, thanh kiếm Damascus nổi tiếng về độ sắc bén và bề mặt có hoa văn gợn song. Chúng được làm từ thép wootz, có lẽ có nguồn gốc từ Trung Á hoặc Nam Ấn Độ.  Cho đến hôm nay, không có ai có thể tái tạo các đặc tính của loại thép đặc biệt này.

    The Great Exhibition, Crystal Palace, London (1851)

Sự trỗi dậy của thép nồi hơi

Qua nhiều thế kỷ, bản chất thực sự của thép Damascus hoặc wootz và cách nó được tạo ra đã thu hút sự quan tâm của các kỹ nghệ và các học giả trên khắp châu Á và châu Âu. Nhiều nhà khoa học Hồi giáo thời kỳ đầu đã viết các nghiên cứu về thanh kiếm và thép với nhiều cuộc thảo luận về thép Damascus. Và từ giữa thế kỷ 17, ngày càng nhiều du khách châu Âu chẳng hạn như Jean-Baptiste Tavernier người pháp đã kết hợp các chuyến thăm đến địa điểm sản xuất thép ở Ấn Độ trong hành trình đến Phương Đông của mình, đưa ra những mô tả chi tiết về những gì mình chứng kiến được trong các cuốn sách và tạp chí của mình.

Sự quan tâm này phản ảnh sự tăng trưởng liên tục quá trình sản xuất gang và thép trên khắp Châu Âu. Ngay từ thế kỷ thứ 12, các công nghệ như lò cao, được biết đến ở Châu Á, đã bắt đầu xuất hiện. Phần còn lại của một trong những ví dụ sớm nhất về các công nghệ này được biết đến ở Lapphytan, Thụy Điển. Thật vậy, nhờ có trữ lượng quặng sắt phong phú, các kỹ thuật sản xuất tiến tiến và độ tinh khiết của sắt rèn, Thụy Sĩ đã trở thành nhà cung cấp chính sắt chất lượng cao cho các nhà sản xuất thép trên khắp lục địa.

Tốc độ sản xuất nóng dần lên Hầu hết các nhà sản xuât thép của thời này đều sản xuất thép bằng quy trình thấm cacbon, trong đó các thanh sắt rèn được xếp từng lớp trong than bột và được nung nóng trong thời gian dài để tăng hàm lượng cacbon trong hợp kim. Đây là quy trình có thể kéo dài vài ngày hoặc vài tuần. Sau đó, vào năm 1749, một thanh niên người Anh kín tiếng nhưng có óc sáng tạo tên là Benjamin Huntsman đã tiết lộ kỹ thuật nồi nấu kim loại mới của mình cho những thợ chế tạo dao kéo bậc thầy ở miền bắc nước Anh. Sử dụng nồi bằng đất sét, gọi là nồi nấu kim loại, anh ấy có thể đạt được nhiệt độ đủ cao để nấu chảy các thanh sắt được tạo ra từ quy trình thấm cacbon và ‘đúc’ (rót) thép lỏng sinh ra để tạo các thỏi thép có chất lượng cao đồng đều và với số lượng tương đối cao – ít nhất là khi so với những gì đã làm được trước đó. Phát minh của Huntsman không phải là bước cuối cùng hướng tới việc sản xuất thép chất lượng cao với khối lượng lớn và chi phí thấp. Sẽ cần những nhà phát minh khác để có thể đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, ông đã tạo ra động lực cho một trong những trung tâm sản xuất thép của thế kỷ 19 và 20 – Sheffield, Anh.

Những người thợ rèn bên trong một lò rèn – trích từ tờ Illustrated London News, khoảng năm 1740

Những lò cao vào thế kỷ 19 ở Lancashire, Anh

Hết phần 1