Le développement de acier remonte à 4000 ans au début de l'âge du fer. Se révélant plus dur et plus résistant que le bronze, qui était auparavant le métal le plus utilisé, le fer a commencé à déplacer le bronze dans les armes et les outils.
Pour les quelques milliers d'années à venir, cependant, 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 de structure plus polyvalent. Et au 19e siècle, la quantité de fer consommée par l'expansion des chemins de fer fourni métallurgistes avec l'incitation financière à trouver une solution à la fragilité du fer et aux processus de production inefficaces.
Sans aucun doute, cependant, la plus grande percée dans l'histoire de l'acier est survenue en 1856 lorsque Henry Bessemer a développé un moyen efficace d'utiliser l'oxygène pour réduire la teneur en carbone du fer: l'industrie sidérurgique moderne était 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, ce qui donne 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 avant JC mais plus largement utilisés en Europe au Moyen Âge, augmenta la production de fonte.
La fonte brute est de la fonte fondue sortie des hauts fourneaux et refroidie dans le canal principal et les moules adjacents. Les gros lingots centraux et adjacents plus petits ressemblaient à une truie et à des porcelets allaitants.
La fonte est solide mais souffre de fragilité en raison de sa teneur en carbone, ce qui la rend loin d'être idéale pour le travail et le façonnage. Lorsque les métallurgistes ont pris conscience que la teneur élevée en carbone du fer était au cœur du problème de fragilité, ils ont expérimenté de nouvelles méthodes pour réduire la teneur en carbone pour rendre le fer plus réalisable.
À la fin du XVIIIe siècle, les sidérurgistes ont appris à transformer la fonte en fonte en fer forgé à faible teneur en carbone à l'aide de fours à flaques (développés par Henry Cort en 1784). Les fours chauffaient le fer fondu, qui devait être agité par des flaques d'eau à l'aide de longs outils en forme de rame, permettant à l'oxygène de se combiner et d'éliminer lentement le carbone.
Lorsque la teneur en carbone diminue, le point de fusion du fer augmente, de sorte que des masses de fer s'aggloméreraient 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 puddling en Grande-Bretagne, mais le processus restait entravé par son intensité de travail et de carburant.
L'une des premières formes d'acier, l'acier blister, a commencé sa production en Allemagne et en Angleterre au 17e siècle et a été produit en augmentant la teneur en carbone de la fonte en fusion à l'aide d'un processus appelé cimentation. Dans ce processus, des barres de fer forgé ont été recouvertes de charbon de bois en poudre dans des boîtes en pierre et chauffées.
Après environ une semaine, le fer absorberait le carbone du charbon de bois. Un chauffage répété répartirait le carbone plus uniformément et le résultat, après refroidissement, était de l'acier boursouflé. La teneur plus élevée en carbone a rendu l'acier blister beaucoup plus maniable que la fonte brute, ce qui lui permet d'être pressé ou laminé.
La production d'acier blister a progressé dans les années 1740 lorsque l'horloger anglais Benjamin Huntsman essayait de développer de l'acier de haute qualité pour son horloge ressorts, a constaté que le métal pouvait être fondu dans des creusets en argile et raffiné avec un flux spécial pour éliminer les scories laissées par le processus de cimentation derrière. Le résultat était un creuset, ou en acier moulé. Mais en raison du coût de production, l'acier blister et l'acier moulé n'étaient jamais utilisés que dans des applications spécialisées.
En conséquence, la fonte fabriquée dans des fours à puddling est restée le principal métal de construction dans l'industrialisation de la Grande-Bretagne pendant la majeure partie du 19ème siècle.
Le procédé Bessemer et la sidérurgie moderne
La croissance des chemins de fer au cours du 19e siècle en Europe et en Amérique a exercé une pression énorme sur l'industrie du fer, qui se débattait toujours avec des processus de production inefficaces. L'acier n'était pas encore prouvé en tant que métal de construction et la production du produit était lente et coûteuse. C'était jusqu'en 1856, lorsque Henry Bessemer a proposé un moyen plus efficace d'introduire de l'oxygène dans le fer fondu pour réduire la teneur en carbone.
Désormais connu sous le nom de processus Bessemer, Bessemer a conçu un réceptacle en forme de poire, appelé «convertisseur», dans lequel le fer pouvait être chauffé tandis que l'oxygène pouvait être soufflé à travers le métal fondu. Au fur et à mesure que l'oxygène traversait le métal fondu, il réagirait avec le carbone, libérant du dioxyde de carbone et produisant un fer plus pur.
Le processus était rapide et peu coûteux, éliminant le carbone et silicium du fer en quelques minutes mais a souffert d'un trop grand succès. Trop de carbone a été éliminé 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 a acquis et a commencé à tester un composé de fer, de carbone et manganèse, connu sous le nom de spiegeleisen. Le manganèse était connu pour éliminer l'oxygène du fer fondu et la teneur en carbone du spiegeleisen, si elle était ajoutée 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.
Un problème demeure. Bessemer n'avait pas réussi à trouver un moyen d'éliminer le phosphore, une impureté délétère qui rend l'acier cassant, de son produit final. Par conséquent, seul le minerai sans phosphore de Suède et du Pays de Galles pouvait être utilisé.
En 1876, le Gallois Sidney Gilchrist Thomas a trouvé la solution en ajoutant un flux chimiquement basique, du calcaire, au procédé Bessemer. Le calcaire a attiré le phosphore de la fonte dans le laitier, ce qui a permis d'éliminer l'élément indésirable.
Cette innovation signifiait que, enfin, le minerai de fer de n'importe où dans le monde pouvait être utilisé pour fabriquer de l'acier. Sans surprise, les coûts de production de l'acier ont commencé à baisser considérablement. Les prix du rail en acier ont chuté de plus de 80% entre 1867 et 1884, en raison des nouvelles techniques de production d'acier, qui ont initié la croissance de l'industrie sidérurgique mondiale.
Le processus de foyer ouvert
Dans les années 1860, l'ingénieur allemand Karl Wilhelm Siemens a encore amélioré la production d'acier en créant le procédé à foyer ouvert. Le procédé à foyer ouvert a produit de l'acier à partir de fonte brute dans de grands fours peu profonds.
Le processus, utilisant des températures élevées pour brûler l'excès de carbone et d'autres impuretés, reposait sur des chambres en briques chauffées sous le foyer. Les fours à régénération utilisaient plus tard les gaz d'échappement du four pour maintenir des températures élevées dans les chambres en briques ci-dessous.
Cette méthode a permis la production de quantités beaucoup plus importantes (50-100 tonnes métriques pourraient être produites dans un four), périodique essai de l'acier fondu afin qu'il puisse être fabriqué pour répondre à des spécifications particulières et l'utilisation de ferraille comme brut Matériel. Bien que le processus lui-même ait été beaucoup plus lent, en 1900, le processus à foyer ouvert avait principalement remplacé le processus Bessemer.
Naissance de l'industrie sidérurgique
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 de l'époque comme une opportunité d'investissement. Les capitalistes de la fin du 19e siècle, dont Andrew Carnegie et Charles Schwab, ont investi et gagné des millions (des milliards dans le cas de Carnegie) dans l'industrie sidérurgique. La US Steel Corporation de Carnegie, fondée en 1901, a été la première société jamais lancée d'une valeur de plus d'un milliard de dollars.
Fabrication d'acier au four à arc électrique
Juste après le début du siècle, un autre développement s'est produit qui aurait une forte influence sur l'évolution de la production d'acier. Le four électrique à arc (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 allant jusqu'à 3272°F (1800°C), plus que suffisant pour chauffer la production d'acier.
Initialement utilisés pour les aciers spéciaux, les FEA ont augmenté et, par la Seconde Guerre mondiale, étaient utilisés pour la fabrication d'alliages d'acier. Le faible coût d'investissement impliqué dans la mise en place d'usines EAF leur a permis de concurrencer les principaux producteurs américains comme US Steel Corp. et Bethlehem Steel, en particulier dans les aciers au carbone ou les produits longs.
Étant donné que les FEA peuvent produire de l'acier à partir de 100% de ferraille ou d'aliments ferreux froids, moins d'énergie par unité de production est nécessaire. Contrairement aux foyers à oxygène de base, les opérations peuvent également être arrêtées et démarrées avec un faible coût associé. Pour ces raisons, la production via les FEA augmente régulièrement depuis plus de 50 ans et représente désormais environ 33% de la production mondiale d'acier.
Fabrication d'acier à l'oxygène
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 progrès majeurs dans le développement de l'oxygène basique fours.
Les fours à oxygène de base soufflent de l'oxygène dans de grandes quantités de fer fondu et de ferraille d'acier et peuvent effectuer une charge beaucoup plus rapidement que les méthodes à foyer ouvert. Les grands navires contenant jusqu'à 350 tonnes métriques de fer peuvent terminer la conversion en acier en moins d'une heure.
La rentabilité de la fabrication d'acier à l'oxygène a rendu les usines à foyer ouvert non compétitives et, à la suite de l'avènement de la fabrication d'acier à l'oxygène dans les années 1960, les opérations 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.