Thép từng là vật liệu quý: bền hơn sắt rèn nhưng khó làm, chậm và đắt. Các thanh kiếm, lò xo và dụng cụ tốt có thể bằng thép, còn cầu, ray tàu và khung nhà phần lớn vẫn phải dùng sắt. Khi Henry Bessemer thổi không khí qua gang nóng chảy và thấy tạp chất cháy rực thành lửa, bài toán đổi chiều: thép không còn là món hàng thủ công, mà trở thành sản phẩm có thể nấu theo mẻ lớn trong vài chục phút.

Nguồn gốc và bước ngoặt ra đời

Giữa thế kỷ 19, đường sắt và chiến tranh cùng đòi hỏi kim loại bền hơn. Sắt rèn dai nhưng sản xuất chậm; gang đúc chứa nhiều carbon nên giòn. Henry Bessemer nhận ra điểm mấu chốt: nếu đưa không khí vào gang lỏng, oxy có thể đốt bỏ silicon, mangan và phần carbon dư. Phản ứng tỏa nhiệt mạnh đến mức kim loại còn nóng thêm, giữ trạng thái lỏng để rót thành thỏi.

Bessemer nộp các bằng sáng chế liên quan từ năm 1855 và công bố quy trình năm 1856 trước Hiệp hội Anh vì sự tiến bộ của khoa học. Gần như cùng thời, William Kelly ở Kentucky, Mỹ, cũng phát triển ý tưởng thổi khí tương tự và về sau được công nhận ưu tiên trong một phần tranh chấp tại Mỹ.

Khó khăn đến nhanh sau màn ra mắt. Nhiều xưởng dùng quặng chứa phosphorus thấy thép giòn và kém chất lượng, trong khi quặng Bessemer dùng ban đầu lại ít phosphorus một cách may mắn. Quy trình trong lò lót axit không khử được phosphorus và lưu huỳnh. Phải đến cuối thập niên 1870, Sidney Gilchrist Thomas và Percy Gilchrist dùng lớp lót kiềm dolomite mới xử lý tốt hơn quặng giàu phosphorus. Trước đó, Robert Forester Mushet cũng góp phần quan trọng khi dùng hợp kim sắt-mangan để khử oxy dư sau thổi.

Nguyên lý và cách hoạt động

Thiết bị trung tâm là lò chuyển Bessemer: một thùng thép hình quả lê hoặc hình trứng, lót vật liệu chịu lửa, có thể nghiêng để nạp gang lỏng và rót thép ra. Đáy lò có nhiều lỗ tuyère. Khi lò dựng đứng, máy thổi ép không khí từ dưới lên xuyên qua khối gang nóng chảy. Cảnh tượng rất dữ dội: tia lửa bắn ra, ngọn lửa ở miệng lò thay đổi màu theo từng giai đoạn cháy của silicon, mangan và carbon.

Về hóa học, đây là quá trình oxy hóa có kiểm soát. Oxy trong không khí phản ứng với silicon tạo silica, với mangan tạo oxit mangan, với carbon tạo khí carbon monoxide và carbon dioxide thoát ra. Các oxit nhẹ nổi lên thành xỉ. Nhiệt sinh ra từ chính các phản ứng ấy thay thế phần lớn nhiên liệu ngoài, khiến một mẻ gang vài tấn đến vài chục tấn có thể chuyển thành thép trong thời gian rất ngắn so với luyện puddling truyền thống.

Vấn đề là quá trình thổi có thể đi quá đà. Nếu thổi lâu, carbon bị lấy gần hết và oxy hòa tan còn lại làm thép xốp, giòn. Thợ luyện phải đọc ngọn lửa và kinh nghiệm để dừng đúng lúc, sau đó thêm hợp kim chứa mangan và carbon để “chốt” thành phần mong muốn. Lò Bessemer vì thế vừa là máy, vừa là sân khấu của giác quan nghề nghiệp.

Quy trình này hợp nhất với gang không phosphorus trong giai đoạn đầu. Khi lớp lót kiềm ra đời, phạm vi quặng dùng được mở rộng. Về sau, lò thổi oxy đáy kiềm hiện đại kế thừa ý tưởng cốt lõi của Bessemer nhưng thay không khí bằng oxy tinh khiết và kiểm soát bằng cảm biến, máy tính.

Tác động và quá trình phát triển

Tác động đầu tiên là giá. Khi thép được sản xuất nhanh theo mẻ lớn, giá của nó tiến gần tới sắt rèn trong nhiều ứng dụng. Đường ray là nơi thay đổi nhìn thấy rõ: ray sắt mòn và nứt nhanh dưới tải trọng tàu ngày càng nặng; ray thép bền hơn nhiều, cho phép tàu chạy nhanh, chở nặng và giảm chi phí thay thế.

Tiếp theo là cầu, tàu và kiến trúc. Cầu treo và cầu dàn thép có thể vượt nhịp lớn hơn; thân tàu thép nhẹ và bền hơn; nồi hơi, máy móc và vũ khí hưởng lợi từ vật liệu đồng đều. Trong xây dựng, dầm và cột thép tạo thành khung chịu lực, để tường không còn phải gánh toàn bộ tòa nhà. Các tòa nhà cao tầng ở Chicago và New York cuối thế kỷ 19 đã mở đường cho ý tưởng chất nhiều tầng lên một diện tích đất nhỏ.

Bessemer cũng làm thay đổi địa lý công nghiệp. Sheffield ở Anh, vùng Ruhr ở Đức, Pittsburgh ở Mỹ và nhiều trung tâm luyện kim khác phình to quanh quặng, than cốc, đường sắt và cảng. Nghề luyện thép trở thành ngành quy mô lớn, kéo theo lao động nhập cư, công đoàn, tai nạn lao động và ô nhiễm.

Đến đầu thế kỷ 20, lò Martin hở linh hoạt hơn trong việc dùng phế liệu và kiểm soát thành phần nên dần vượt Bessemer ở nhiều nơi. Sau Chiến tranh thế giới thứ hai, quy trình oxy kiềm thay thế mạnh hơn. Dù vậy, Bessemer vẫn là bước ngoặt: lần đầu tiên thép rẻ trở thành mặc định mới của công nghiệp nặng.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Bessemer công bố quy trình năm 1856 với bài nói về chế tạo sắt dẻo và thép “không cần nhiên liệu”, vì nhiệt chủ yếu sinh ra từ phản ứng cháy tạp chất trong gang.
  • Lò Bessemer đời đầu có sức chứa khoảng từ 8 đến 30 tấn kim loại lỏng, biến thép thành sản phẩm công nghiệp thực sự.
  • Thép Bessemer ban đầu thất bại ở nhiều xưởng vì quặng chứa phosphorus, yếu tố mà lò lót axit không loại bỏ được.
  • William Kelly ở Mỹ phát triển quy trình tương tự độc lập; tranh chấp ưu tiên cho thấy nhiều phát minh công nghiệp lớn thường chín cùng lúc ở nhiều nơi.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Bessemer phát minh ra thép." Thép đã tồn tại hàng nghìn năm trước Bessemer, từ thép Wootz đến thép lò nồi. Đóng góp của ông là quy trình sản xuất hàng loạt nhanh và rẻ từ gang lỏng, đưa thép từ vật liệu chọn lọc thành vật liệu xây dựng đại trà.

Hiểu lầm: "Lò Bessemer thổi oxy tinh khiết như lò luyện thép hiện đại." Lò Bessemer cổ điển thổi không khí. Nitơ trong không khí đi qua kim loại và có thể ảnh hưởng xấu tới tính chất thép; các lò oxy hiện đại là hậu duệ cải tiến, dùng oxy tinh khiết và kiểm soát chặt hơn nhiều.

Nguồn tham khảo