Une courte histoire de l'acier et du procédé Bessemer

Les hauts fourneaux ont été développés pour la première fois par les Chinois au 6ème siècle avant JC, mais ils ont été plus largement utilisés en Europe au Moyen Âge et ont augmenté la production de fonte. À des températures très élevées, le fer commence à absorber le carbone, ce qui abaisse le point de fusion du métal, entraînant la fonte le fer (2,5% à 4,5% de carbone).

La fonte est solide, mais elle souffre de fragilité en raison de sa teneur en carbone, ce qui la rend peu idéale pour le travail et le façonnage. Comme les métallurgistes ont pris conscience que la haute teneur en carbone du fer était au cœur du problème de fragilité, ils ont expérimenté de nouvelles méthodes pour réduire la teneur en carbone afin de rendre le fer plus réalisable.

Moderne fabrication d'acier a évolué à partir de ces premiers jours de fabrication du fer et des développements technologiques ultérieurs.

À la fin du XVIIIe siècle, les forgerons ont appris à transformer la fonte en fonte forgée à faible teneur en carbone à l'aide de fours à mare, développés par Henry Cort en 1784. La fonte brute est la fonte en fusion qui s'écoule des hauts fourneaux et refroidie dans le canal principal et les moules adjacents. Il a obtenu son nom parce que les gros lingots plus petits, centraux et adjacents ressemblaient à une truie et à des porcelets allaitants.

Pour fabriquer du fer forgé, les fours chauffaient du fer fondu qui devait être remué par des puddlers à l'aide d'outils longs en forme de rame, permettant à l'oxygène de se combiner avec et de retirer lentement le carbone.

À mesure que la teneur en carbone diminue, le point de fusion du fer augmente, de sorte que les 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 3 000 fours à flaque en Grande-Bretagne, mais le processus restait entravé par son intensité de main-d'œuvre et de combustible.

Acier blister - l'une des premières formes de acier—A commencé sa production en Allemagne et en Angleterre au XVIIe siècle et a été produite en augmentant la teneur en carbone de la fonte brute en utilisant un procédé 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 dans le charbon de bois. Un chauffage répété distribuerait le carbone plus uniformément, et le résultat, après refroidissement, était de l'acier blister. La teneur en carbone plus élevée rendait l'acier blister beaucoup plus maniable que la fonte brute, ce qui lui permettait d'être pressé ou laminé.

La production d'acier blister a progressé dans les années 1740 lorsque l'horloger anglais Benjamin Huntsman a découvert que le métal pouvait être fondu dans des creusets en argile et affiné avec un flux spécial pour éliminer les scories laissées par le processus de cimentation. Huntsman essayait de développer un acier de haute qualité pour ses ressorts d'horloge. Le résultat était un creuset - ou coulé - en acier. Cependant, en raison du coût de production, l'acier thermoformé et l'acier moulé n'étaient utilisés que dans des applications spécialisées.

En conséquence, la fonte fabriquée dans les fours à boues est restée le principal métal de construction dans l'industrialisation de la Grande-Bretagne pendant la majeure partie du 19e siècle.

La croissance des chemins de fer au XIXe siècle en Europe et en Amérique a exercé une forte pression sur l'industrie sidérurgique, qui était toujours aux prises avec des processus de production inefficaces. L'acier n'était pas encore prouvé en tant que métal de construction et la production était lente et coûteuse. C'était jusqu'en 1856, lorsque Henry Bessemer a trouvé un moyen plus efficace d'introduire de l'oxygène dans le fer en fusion pour réduire la teneur en carbone.

Désormais connu sous le nom de processus Bessemer, Bessemer a conçu un récipient en forme de poire - appelé convertisseur - dans lequel le fer pourrait être chauffé tandis que l'oxygène pourrait être soufflé à travers le métal en fusion. À mesure que l'oxygène traversait le métal en fusion, 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 le 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 trouve 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 commencé à tester un composé de fer, de carbone et de manganèse—Connu comme spiegeleisen. Le manganèse était connu pour éliminer l'oxygène du fer en fusion, et la teneur en carbone dans le spiegelele, s'il était ajouté en quantité suffisante, fournirait la solution aux problèmes de Bessemer. Bessemer a commencé à l'ajouter à son processus de conversion avec un grand succès.

Un problème subsiste. Bessemer n'avait pas trouvé de moyen d'éliminer le phosphore - une impureté délétère qui rend l'acier fragile - de son produit final. Par conséquent, seuls les minerais sans phosphore de Suède et du Pays de Galles ont pu être utilisés.

En 1876, le Gallois Sidney Gilchrist Thomas a trouvé une solution en ajoutant un flux chimiquement basique - du calcaire - au procédé Bessemer. Le calcaire a attiré le phosphore de la fonte brute dans le laitier, ce qui a permis d'éliminer l'élément indésirable.

Cette innovation signifiait que le minerai de fer de n'importe où dans le monde pouvait enfin 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 en acier ont chuté de plus de 80% entre 1867 et 1884, ce qui a déclenché la croissance de l'industrie mondiale de l'acier.

Dans les années 1860, l'ingénieur allemand Karl Wilhelm Siemens a encore amélioré la production d'acier en créant le procédé à foyer ouvert. Cela produisait de l'acier à partir de fonte brute dans de grands fours peu profonds.

Utilisant des températures élevées pour brûler l'excès de carbone et d'autres impuretés, le processus 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 en briques situées en dessous.

Cette méthode a permis la production de quantités beaucoup plus importantes (50-100 tonnes métriques dans un four), des tests périodiques de l'acier fondu afin qu'il puisse être fabriqué pour répondre à des spécifications particulières, et l'utilisation de ferraille comme matière première Matériel. 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.

La révolution de la production d'acier qui a fourni 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 XIXe siècle, dont Andrew Carnegie et Charles Schwab, a investi et fait 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 évaluée à plus d'un milliard de dollars.

Juste après le début du siècle, le four à arc électrique (EAF) de Paul Heroult a été conçu pour faire passer un courant électrique à travers des matériaux chargés, entraînant une oxydation exothermique et des températures allant jusqu'à 3272 degrés Fahrenheit (1800 degrés Celsius), plus que suffisant pour chauffer l'acier production.

Initialement utilisés pour les aciers spéciaux, les FEA se sont développés et, pendant la Seconde Guerre mondiale, étaient utilisés pour la fabrication d'alliages d'acier. Le faible coût d'investissement impliqué dans la mise en place des usines EAF leur a permis de rivaliser avec 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 ferraille à 100% ou de fer ferreux froid, 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 peu de coûts associés. Pour ces raisons, la production via les FEA a augmenté régulièrement depuis plus de 50 ans et représentait environ 33% de la production mondiale d'acier, en 2017.

La majorité de la production mondiale d'acier - environ 66 pour cent - est 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 de base.

Les fours à oxygène de base soufflent de l'oxygène dans de grandes quantités de fer fondu et de ferraille et peuvent effectuer une charge beaucoup plus rapidement que les méthodes à foyer ouvert. Les gros 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 de l'acier à oxygène a rendu les usines à foyer ouvert non compétitives et, après l'avènement de la fabrication de l'acier à oxygène dans les années 1960, les opérations à foyer ouvert ont commencé à fermer. Le dernier établissement à foyer ouvert aux États-Unis a fermé ses portes en 1992 et en Chine, le dernier a fermé ses portes en 2001.

_Sources:

_{Spoerl, Joseph S. Une brève histoire de la production de fer et d'acier. Collège Saint Anselm.}

_{Disponible: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{Association mondiale de l'acier. Site Internet: www.steeluniversity.org}

_{Rue, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Les métaux au service de l'homme. 11e édition (1998).}