Phần 2: THẾ KỶ 18 ĐẾN THẾ KỶ 19

Cách mạng!

Phát triển quy trình nồi nấu kim loại của Huntsman chỉ là một phát minh của cuộc Cách mạng Công nghiệp, thời điểm của sự sáng tạo công nghệ khổng lồ. Bắt nguồn từ Anh, Cách mạng Công nghiệp đã dẫn đến những thay đổi lớn trong sản xuất, thương mại và xã hội trên toàn thế giới. Khi bắt đầu vào thế kỷ 18, sắt vẫn chiếm ưu thế trong bối cảnh công nghiệp. Vào cuối thế kỷ 20, thép là vua, là kim loại trung tâm của thế giới hiện đại.

Từ cây xanh đến hơi nước

Cuộc cách mạng công nghiệp và ngành sản xuất thép hiện đại bắt đầu với tình trạng thiếu cây xanh. Cho đến những năm 1700, các nhà sản xuất sắt và thép của Anh đã sử dụng than củi trong lò nung của họ và để ‘cacbon hóa’ sắt. Nhưng với sự mở rộng của nông nghiệp và công nghiệp, gỗ ngày càng trở nên thiếu hụt. Vì vậy, những người thợ kim loại đã chuyển sang sử dụng than cốc, làm từ than, làm nhiên liệu cho các lò phản xạ, nơi mà nhiệt tỏa ra từ vách và mái lò để tạo ra nhiệt độ đủ cao để nấu chảy quặng.

Cầu Sắt ở Shropshire, Anh. Cây cầu vòm đầu tiên trên thế giới được làm bằng gang – khánh thành vào năm 1781 và tồn tại cho đến ngày nay

Sau đó vào năm 1709, Abraham Darby đã thành thạo việc sử dụng than cốc trong lò cao để sản xuất gang thỏi để làm nồi và ấm nước. Kỹ thuật mới này đã giúp thúc đẩy sản xuất, làm cho nhu cầu về than và than cốc tăng cao. Nhưng khai thác than có một vấn đề: làm thế nào để cho các mỏ dưới lòng đất không bị ngập lụt.

Thomas Newcomen đã phát triển một giải pháp mang tính cách mạng, ‘động cơ khí quyển’, tiền thân của động cơ hơi nước, vào năm 1712 và nó đã thay đổi thế giới. Đến năm 1775, James Watt đã tạo ra một động cơ hơi nước cải tiến; đến năm 1804, tuyến đường sắt đầu tiên được xây dựng. Nơi mà các ngành công nghiệp như dệt từng dựa vào lao động thủ công, cối xay nước và ngựa, thì hơi nước đã mang lại sự cơ giới hóa và sản xuất hàng loạt.

Xây dựng bằng kim loại

Máy bơm hơi nước giúp cung cấp năng lượng cho bánh xe nước, cho phép các nhà sản xuất sắt thép vận hành lò cao của mình, ngay cả trong thời kỳ ít mưa. Gang thỏi than cốc trở nên dồi dào và sắt ngày càng thay thế gỗ làm vật liệu xây dựng. Vào năm 1778, cháu trai của Darby đã xây dựng Cây cầu Sắt nổi tiếng ở Shropshire, Anh, một trong những công trình kiến trúc sáng tạo nhất của thời đại, hiện vẫn còn hoạt động và trong tình trạng rất tốt.

Trong khi đó, thép cung cấp các cạnh cứng, sắc bén cho nhiều công cụ cần thiết cho kỷ nguyên mới của sức mạnh máy móc này. Nó là vật liệu được lựa chọn cho mũi khoan, cưa và lưỡi cắt các loại. Những ứng dụng ngày càng tăng của sắt và thép đã khuyến khích sự đổi mới hơn nữa. Chẳng bao lâu sau, một nhà phát minh khác, Henry Cort, đã thiết lập bối cảnh cho một quy trình sản xuất quan trọng - cán sắt và thép tấm.

Thép cùng hơi nước cho phép sự phát triển quan trọng của đường sắt

Nền móng của thế giới hiện đại

Khi cuộc Cách mạng Công nghiệp tiến triển, nhu cầu về sắt và thép cũng tăng theo. Hai loại kim loại này đóng vai trò rất quan trọng đối với ngành+ thương mại và vận chuyển. Sẽ không có đường sắt nếu không có kim loại. Và các công ty đóng tàu cũng đòi hỏi các chi tiết bằng kim loại có chất lượng ngày càng cao. Là nhà cung cấp cho ngành đóng tàu, Henry Cort đã phát triển hai kỹ thuật đột phá để đáp ứng những nhu cầu này, được cấp bằng sáng chế vào năm 1783 và 1784.

Kỹ thuật thứ nhất liên quan đến việc cải thiện chất lượng của gang thỏi bằng cách khuấy bể kim loại nóng chảy trong lò luyện putlinh. Điều này làm giảm hàm lượng cacbon, từ đó kim loại sẽ cứng hơn và ít giòn hơn. Kỹ thuật thứ hai liên quan đến việc cán kim loại nóng sẵn sàng để sản xuất thành các sản phẩm cuối cùng. Nhẹ nhàng hơn so với kỹ thuật dùng búa truyền thống, điều này càng làm tăng thêm độ bền của kim loại.

Với sự kết hợp này, Cort đã tạo tiền đề cho việc sản xuất hàng loạt các chi tiết quan trọng cho thế giới công nghiệp mới, chẳng hạn như đường ray cho đường sắt. Nó đã mở đường cho các nhà máy cán quy mô công nghiệp và tạo ra sắt và thép tấm cho các ứng dụng mới, chẳng hạn như đóng tàu sắt.

Thép tạo nên dấu ấn của chính mình

Đến những năm 1800, công nghiệp hóa quy mô lớn đã lan rộng khắp châu Âu. Những người tiên phong đã mang những kỹ thuật và công nghệ mới nhất ra nước ngoài, tạo ra sự công nghiệp hóa cho Bắc Mỹ, Nhật Bản và phần còn lại của thế giới.

Vào thời điểm này, thép vẫn chưa được sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, nó đã tạo ra một tác động lớn trong các lĩnh vực như nông nghiệp. Không nơi nào điều này rõ ràng hơn Bắc Mỹ, nơi những người nông dân đang biến đất nguyên sinh thành đất có thể canh tác được.

Trên tất cả, thép đóng một vai trò quan trọng trong việc mở ra các thảo nguyên ở Trung Tây. Những chiếc máy cày bằng sắt rèn chỉ dễ dàng bị gãy trong đất thịt, vì vậy một thợ rèn trẻ tuổi nhanh trí tên là John Deere đã tạo ra một chiếc máy cày bằng lưỡi thép. Trong 50 năm tới, máy cày thép và thiết bị chạy bằng hơi nước đã thay đổi ngành nông nghiệp, không chỉ ở Mỹ mà còn ở châu Âu. Cơ giới hóa đã đến trên đất liền.

Lò luyện putlinh vào thế kỉ 18

Cầu thép Eiserner Steg xây dựng năm 1868 tại Frankfurt, Đức

 Ống và chi tiết hàn

Năm 1815, kỹ sư người Scotland William Murdock được cho là đã nối các nòng súng hỏa mai không sử dụng lại với nhau để tạo thành một mạng lưới đường ống cho hệ thống chiếu sáng bằng than đốt của ông ở London. Sáng kiến của ông đánh dấu sự khởi đầu của đường ống thép, hiện là yếu tố cơ bản trong cơ sở hạ tầng dầu, khí đốt và nước. Các đường ống ngày nay hoặc là đường ống đúc liền, trong đó phần trung bị ép ra ngoài trong quá trình sản xuất, hoặc là đường ống có đường hàn dọc theo chiều dài ống, công nghệ mà có từ quy trình Mannesmann, dựa trên phương pháp đột lỗ cán ngang mà trong nhiều thập kỷ đã được sử dụng kết hợp với phương pháp cán pilger (phương pháp cán bước răng cưa). Cả hai kỹ thuật cán này đều được phát minh bởi anh em người Đức Reinhard và Max Mannesmann vào cuối thế kỷ 19. Vào những năm 1880, khi đang cán nguyên liệu ban đầu cho nhà máy dũa của gia đình, anh em nhà Mannesmann nhận thấy rằng các cuộn được sắp xếp nghiêng với nhau có thể làm lỏng lõi của thỏi và khiến nó bị vỡ. Dựa trên ý tưởng táo bạo là đưa hiện tượng này vào sử dụng một cách có hệ thống, họ đã tạo ra được một vật thể rỗng liền mạch từ một thỏi rắn – ban đầu chỉ bằng phương pháp cán. Tuy nhiên, rất nhanh sau đó, họ đã tối ưu hóa quy trình cán bằng cách sử dụng một chốt để đảm bảo khả năng đột lỗ đồng đều hơn và bề mặt bên trong nhẵn hơn. Nhu cầu về các đường ống phải được hàn kín một cách hoàn hảo đã giúp thúc đẩy các kỹ thuật hàn, cũng như sự phát triển của các loại thép có thể chịu được nhiệt độ hàn cao mà không bị nứt hoặc yếu đi.

Tháp Eiffel ở Paris, Pháp: Kiệt tác lưới sắt mang tính biểu tượng của Gustave Eiffel chứa 18.038 mảnh sắt sản xuất bằng phương pháp putlinh và 2,5 triệu đinh tán

 Đưa vào sản xuất hàng loạt

Trong nhiều thế kỷ, thép vẫn là một kim loại ‘có chỗ đứng’, được đánh giá cao về độ dẻo dai và khả năng tạo ra các cạnh sắc bén, nhưng sản xuất lại chậm và tốn kém. Vào những năm 1850 và 1860, các kỹ thuật mới đã xuất hiện giúp cho việc sản xuất hàng loạt trở nên khả thi.

Sự biến đổi này phần lớn gắn liền với công trình của một nhà phát minh người Anh, Henry Bessemer. Có thể cho rằng bước tiến có ảnh hưởng nhất của cuộc Cách mạng Công nghiệp sau này, quy trình Bessemer đã hình thành nên trái tim của ngành sản xuất thép trong hơn 100 năm. Được giới thiệu vào năm 1856, nó đã cách mạng hóa ngành công nghiệp bằng phương pháp nhanh chóng, chỉ phí thâp để sản xuất thép với số lượng lớn.

Đồng thời, Carl Wilhelm Siemens, một công dân Đức đã dành phần lớn cuộc đời của mình ở Anh, đã phát triển lò tái sinh của mình. Bằng cách tái chế khí thải nóng từ mẻ nấu chảy trước đó, quy trình của Siemens có thể tạo ra nhiệt độ đủ cao để nấu chảy thép. Và đến năm 1865, Pierre-Emile Martin - người Pháp đã áp dụng công nghệ của Siemens để tạo ra quy trình lò bằng Siemens-Martin. Mặc dù không nhanh bằng quy trình Bessemer, nhưng các kỹ thuật lò bằng cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn, tạo ra thép chất lượng tốt hơn. Hiện nay trên thế giới chỉ còn lại bảy lò tái sinh loại này.

Kỹ thuật cổ xưa, thành tựu hiện đại

Bessemer không phải là người đầu tiên phát minh ra quy trình phun khí để tạo ra thép. Những kỹ thuật như vậy đã được sử dụng ở Trung Quốc cổ đại. William Kelly, một nhà phát minh người Mỹ, đã độc lập nghĩ ra một quy trình như vậy vào những năm 1850, có thể là lấy cảm hứng từ bí quyết của Trung Quốc. Kelly sau đó bị phá sản, và ngay cả Bessemer cũng phải vật lộn để làm cho quy trình của mình hoạt động. Robert Mushet, một người thợ kim loại lão luyện người Anh, đã đưa ra lời khuyên là thổi bay tất cả các tạp chất rồi bổ sung cacbon trở lại vào kim loại, điều này cuối cùng đã tạo ra một sản phẩm có chất lượng cao, dễ uốn (cán được).

Một cảnh quan công nghiệp thế kỷ 19 ở Wales do Penry Williams thực hiện

Chỉ trong hai thập kỷ, những nhà phát minh này đã định hình ngành công nghiệp thép hiện đại. Giờ đây, thép chất lượng tốt nhất quán đã có sẵn với số lượng lớn, hình dạng và kích cỡ nhất quán, hoàn hảo cho phần lớn các ứng dụng công suất cao, quy mô lớn.

Thép nhanh chóng thay thế sắt trong các tuyến đường sắt mới xuất hiện và tất cả các loại công trình xây dựng từ cầu cho đến các tòa nhà. Nó cũng cho phép sản xuất các tua-bin và máy phát điện lớn và mạnh mẽ, khai thác sức mạnh của nước và hơi nước để thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa hơn nữa và mở ra thời đại năng lượng điện.

Tuabin hơi nước: Thép là thành phần không thể thay thế

 Xây dựng tương lai

Với sự ra đời của quy trình Bessemer, thép đã trở thành một trong những nền tảng của nền kinh tế công nghiệp thế giới. Có sẵn với số lượng lớn và giá cả cạnh tranh, thép sớm thay thế sắt trong các tòa nhà nơi khung thép và bê tông cốt thép có thể tạo ra kiến trúc ‘tường - màn che’, tạo ra những tòa nhà chọc trời đầu tiên. Và trong ngành đóng tàu, thép bắt đầu thay thế các tấm sắt rèn. Cunard's SS Servia là một trong những tàu lót thép đầu tiên - hoàn chỉnh với một cải tiến khác, đèn điện.

Kết cấu thép ở Nhà ga xe lửa trung tâm của Antwerp (1905)

Anh đã trở thành nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới. Phần lớn ngành công nghiệp thép của Vương quốc Anh nằm ở Sheffield, nơi John Deere ban đầu cung lấy nguồn thép cho máy cày của mình. Nhưng vào thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 19, Mỹ đã vượt qua Anh để trở thành nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới, chủ yếu nhờ vào nỗ lực của một người: Andrew Carnegie.

Là con trai của một thợ dệt đến từ Scotland, Andrew Carnegie đã là một doanh nhân thành đạt trong ngành đường sắt và điện báo khi Nội chiến Hoa Kỳ bắt đầu năm 1861. Sau chiến tranh, Hoa Kỳ chứng kiến sự bùng nổ trong lĩnh vực xây dựng. Đường sắt đã mở ra ‘Miền Tây hoang dã’ và các thành phố ở bờ biển phía đông của Mỹ đã phát triển nhanh chóng.

Và Carnegie đã ở đó để đáp ứng nhu cầu về sắt, và sau này là thép. Carnegie là một bậc thầy về hiệu suất. Ông đã nhanh chóng áp dụng và cải thiện những đổi mới như quy trình Bessemer. Ông cũng được ghi nhận sự tích hợp theo chiều dọc tất cả các nhà cung cấp nguyên liệu và đã tham gia vào một số dự án thép ban đầu. Ví dụ, Công ty Cầu Keystone của ông đã cung cấp thép cho một trong những cây cầu thép đầu tiên trên thế giới, Cầu Eads bắc qua Mississippi tại St Louis, được hoàn thành vào năm 1874 và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Nhà máy thép Carnegie cũng mang lại công việc đầu tiên cho Charles Schwab, người sau đó điều hành Công ty Thép Bethlehem, một trong những nhà sản xuất thép lớn nhất và nổi tiếng nhất của Hoa Kỳ trong thế kỷ 20. Và trên khắp Hoa Kỳ, đây là thời đại của những công trình xây dựng bằng thép ‘đầu tiên’. Cầu Brooklyn của New York, cây cầu treo bằng dây thép đầu tiên, khánh thành vào năm 1883. Tòa nhà chọc trời có khung thép đầu tiên trên thế giới, Tòa nhà Bảo hiểm Gia đình ở Chicago được xây dựng bởi William Le Baron Jenney vào năm 1884-1885. Thời đại đồ sắt đã kết thúc và thời đại thép đã thực sự bắt đầu.

Cadillac Eldorado Chrome Grille thập niên 1950 ở San Francisco, California, Hoa Kỳ

Hết phần 2...