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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Acier moulé. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Dans l'histoire de la métallurgie du fer, il y a eu trois bouleversements révolutionnaires qui ont marqué profondément tout le cours de l'histoire humaine : le premier a eu lieu dans l'Antiquité, avec l'apparition des fours à sole crue ; la seconde s'est produite au Moyen Âge, après la découverte du processus d'altération ; la troisième s'est produite dans la seconde moitié du XIXe siècle et a été associée au début de la production d'acier moulé. L'acier est resté de tout temps le produit le plus nécessaire et le plus recherché de la métallurgie du fer, car lui seul possédait la dureté et la résistance nécessaires à la fabrication d'outils, d'armes et de pièces de machines. Mais avant de devenir un produit sidérurgique, le métal a dû subir un certain nombre d'opérations à forte intensité de main-d'œuvre. Tout d'abord, le fer a été fondu à partir de minerai. Puis la fonte a été réduite en fer doux. Enfin, par forgeage à long terme d'un anneau de fer, la pièce en acier nécessaire en a été obtenue (ou seulement une ébauche pour celle-ci, qui a ensuite été soumise à une finition finale sur des machines à couper les métaux). La production de fer doux, et en particulier le forgeage, a longtemps été le goulot d'étranglement du processus de traitement du fer. Ils ont pris le plus de temps et d'efforts, et les résultats étaient loin d'être toujours satisfaisants. Ce problème est devenu particulièrement aigu au XIXe siècle, lorsque la demande d'acier bon marché a fortement augmenté. Naturellement, de nombreux scientifiques et inventeurs ont eu une idée, que Bessemer a exprimée plus tard : comment obtenir un métal ayant les propriétés du fer et de l'acier, mais sous forme liquide, afin qu'il puisse être utilisé pour la coulée ? La solution de ce problème a nécessité plusieurs décennies de travail acharné de la part de nombreux métallurgistes. En cours de route, plusieurs découvertes et inventions importantes ont été faites, chacune d'entre elles constituant une époque dans l'histoire de la transformation du fer. Jusqu'à la fin du XVIIIe siècle, la transformation de la fonte en fonte douce malléable ne s'effectuait que dans des fours à fleurons. Cette méthode, cependant, était incommode à bien des égards. Le métal obtenu au cours de celle-ci était hétérogène - par endroits, il se rapprochait dans ses qualités de la fonte malléable, par endroits - de l'acier. De plus, le travail demandait beaucoup de temps et d'efforts physiques. Le combustible (charbon) étant en contact direct avec le fer, des exigences très élevées lui étaient imposées, car toute impureté affectait la qualité du produit final. La consommation de charbon était très élevée (il fallait en moyenne jusqu'à 1 kg de charbon pour restituer 4 kg de fer). Dans les plus grandes forges, il n'était pas possible d'obtenir plus de 24 kg de fer en 400 heures. Pendant ce temps, le marché demandait de plus en plus de fer et d'acier. Pour répondre à ces demandes, il fallait trouver un moyen plus parfait de refaire la fonte. Une avancée significative sur cette voie fut le procédé de puddlage proposé en 1784 par l'Anglais Cort dans un four spécialement conçu.
Le puddlage est le processus métallurgique de conversion de la fonte en fer doux à faible teneur en carbone (fer forgé). L'essence du processus consiste à faire fondre la fonte dans un four spécial sans contact avec le combustible et à agiter le métal en fusion avec des tiges spéciales, sur lesquelles des particules de fer en fusion adhèrent, formant progressivement une croûte pâteuse pesant jusqu'à 40 à 60 kg. A la sortie du four à puddler, le kritsa obtenu est forgé et envoyé pour aplatissement. La fonte pudding se soude bien, a une ductilité élevée, contient peu d'impuretés (phosphore, soufre, inclusions non métalliques). Le dispositif principal du four à pudding était le suivant. Du combustible a été brûlé dans le four. Les produits de combustion à travers le seuil de pierre tombaient dans l'espace de travail du four, où se trouvait le fer chargé de scories ferrugineuses sur le foyer. Le laitier sous l'action de la flamme passe à l'état pâteux et fond partiellement. Avec une augmentation de la température, la fonte a commencé à fondre et ses impuretés ont brûlé en raison de l'oxygène contenu dans les scories. Ainsi, la fonte a été décarburée, c'est-à-dire qu'elle s'est transformée en un cri de fer spongieux. Une différence importante entre un four à puddling et un four à bloomery était qu'il permettait d'utiliser n'importe quel combustible comme combustible, y compris le charbon non raffiné bon marché, et son volume était beaucoup plus important.
Les fours à pudding rendaient le fer moins cher. Dans le même temps, contrairement aux cornes hurlantes, le four de Kort ne nécessitait pas de soufflage forcé. L'accès à l'air et un bon tirage ont été obtenus grâce à un tuyau haut. C'est l'une des raisons pour lesquelles les fours à pudding se sont répandus dans le monde entier. Cependant, un inconvénient important de ces fours était que l'air ne soufflait que la partie supérieure de la fonte. Pour que la réduction du fer se déroule de manière uniforme et dans tout le volume, il était nécessaire d'ouvrir périodiquement le four et d'agiter la fonte. C'était un dur labeur manuel. De plus, comme la force et les capacités de l'ouvrier étaient limitées, le four ne pouvait pas être trop grand. (Pour permettre l'agitation, Kort a fourni deux tuyaux, dont l'un était sous le four et le second - à la fin du four. Il a été ouvert au moment où il était nécessaire de réduire la température.) Au milieu du XIXe siècle, les fours à puddler ne répondent plus aux nouveaux besoins de l'industrie. Pour répondre à la demande, plusieurs fours ont dû être construits pour chaque grand haut fourneau (en moyenne, dix fours à puddler desservaient un haut fourneau). Cela augmentait le coût et rendait la production plus difficile. De nombreux inventeurs ont réfléchi à la manière de remplacer la formation de flaques par une meilleure façon de récupérer le fer. Avant d'autres, ce problème a été résolu par l'ingénieur anglais Bessemer. Bessemer est venu à la métallurgie après de nombreuses années de travail sur l'amélioration des pièces d'artillerie et des obus. Il s'est fixé pour objectif de trouver un moyen de produire de l'acier coulé de haute qualité à partir duquel des canons pourraient être coulés. Observant à plusieurs reprises la fonte de la fonte, il s'aperçoit que le fer réduit solide se forme d'abord près des tuyaux de soufflage. Cela l'a amené à l'idée d'obtenir de l'acier en soufflant intensément de l'air à travers de la fonte en fusion. Bessemer a mené ses premières expériences dans un creuset fermé, qu'il a chauffé dans une forge avec du coke. Le résultat a dépassé les attentes les plus folles. En moins d'une heure de soufflage, il a transformé le fer en acier de première classe. De plus, d'autres expériences ont montré qu'il n'est pas nécessaire d'introduire de la chaleur dans le processus métallurgique depuis l'extérieur. Le fait est que la fonte contient ses propres matières combustibles sous forme d'impuretés: silicium, manganèse, carbone - au total environ 45 kg de matières combustibles pour chaque tonne de fonte. Par leur cuisson, ils ont permis d'augmenter significativement la température de fusion et d'obtenir de l'acier à l'état liquide. En 1856, Bessemer fait une démonstration publique du convertisseur fixe qu'il a inventé. Le convertisseur avait la forme d'un poêle vertical bas, fermé sur le dessus par une voûte avec un trou pour la sortie des gaz. Sur le côté du four, il y avait un deuxième trou pour couler la fonte. L'acier fini a été libéré par un trou dans la partie inférieure du four (pendant le fonctionnement du convertisseur, il était bouché avec de l'argile). Des tubes soufflants (tuyères) étaient situés près du foyer du four. Le convertisseur étant à l'arrêt, la purge a commencé avant que le fer ne soit versé. Sinon, le métal inonderait les tuyères. Pour la même raison, il a fallu souffler jusqu'à ce que tout le métal soit libéré. L'ensemble du processus n'a pas pris plus de 20 minutes. Le moindre retard dans la sortie donnait un mariage. Cet inconvénient, ainsi qu'un certain nombre d'autres défauts du convertisseur stationnaire, ont forcé Bessemer à passer à un four rotatif. En 1860, il a déposé un brevet pour une nouvelle conception de convertisseur, qui a survécu en termes généraux jusqu'à ce jour.
La méthode Bessemer a été une véritable révolution dans le domaine de la métallurgie. En 8 à 10 minutes, son convertisseur transformait 10 à 15 tonnes de fonte en fonte ductile ou en acier, ce qui aurait nécessité auparavant plusieurs jours de fonctionnement d'un four de puddlage ou plusieurs mois de fonctionnement de l'ancienne bloomerie. Cependant, après que la méthode Bessemer a commencé à être appliquée dans des conditions industrielles, ses résultats se sont avérés pires qu'en laboratoire et l'acier est sorti de très mauvaise qualité. Pendant deux ans, Bessemer a tenté de résoudre ce problème et a finalement découvert que, dans ses expériences, la fonte contenait peu de phosphore, tandis qu'en Angleterre, la fonte fondue à partir de minerais de fer à haute teneur en phosphore était largement utilisée. Pendant ce temps, le phosphore et le soufre n'ont pas brûlé avec d'autres impuretés; de fonte, ils sont tombés dans l'acier et ont considérablement réduit sa qualité. Ceci, et outre le coût élevé du convertisseur, a conduit au fait que la méthode Bessemer a été introduite très lentement dans la production. Et 15 ans plus tard en Angleterre, la majeure partie de la fonte a été fondue dans des fours à flaques. Les convertisseurs sont beaucoup plus largement utilisés en Allemagne et aux États-Unis.
Parallèlement à la méthode Bessemer de production d'acier, la méthode à foyer ouvert a rapidement acquis un rôle énorme. Son essence était que la fonte était fusionnée avec de la ferraille dans un four spécial de régénération. Ce four fut inventé et construit en 1861 par les ingénieurs allemands Friedrich et William Siemens pour les besoins de l'industrie verrière, mais il fut surtout utilisé en métallurgie. La composition du four comprenait des producteurs de gaz (ou générateurs de gaz), le four lui-même avec des régénérateurs de chaleur (ou régénérateurs) pour chauffer le gaz et l'air, et un compartiment de fonderie (cour).
Les générateurs et les régénérateurs étaient interconnectés par un système spécial de canaux pour le gaz, l'air et les produits de combustion. Ces derniers étaient évacués dans une cheminée jusqu'à 40 m de haut, qui fournissait le tirage nécessaire. Les générateurs étaient situés sous le foyer ou sur les côtés du four. Les régénérateurs étaient des chambres spéciales pour le chauffage du gaz et de l'air. Des vannes variables spéciales dirigeaient le gaz et l'air dans une chambre ou une autre, et les produits de combustion étaient évacués dans le tuyau. La combustion s'est déroulée de la manière suivante. Le gaz et l'air étaient chacun chauffés dans leur propre chambre, puis pénétraient dans l'espace de fusion, où la combustion avait lieu. Les produits de combustion, ayant traversé le fond du foyer, se sont précipités dans les régénérateurs et ont cédé ici l'essentiel de leur chaleur à la pose des régénérateurs, puis sont allés dans la cheminée. Pour que le processus se déroule en continu, à l'aide de vannes, l'air et le gaz ont d'abord été dirigés vers une paire de régénérateurs, puis vers une autre. À la suite d'un tel échange de chaleur réfléchi, la température dans le four a atteint 1600 degrés, c'est-à-dire qu'elle a dépassé la température de fusion du fer pur sans carbone. La création de fours à haute température ouvre de nouveaux horizons à la métallurgie. Au milieu du XIXe siècle, tous les pays industriels disposaient d'énormes stocks de ferraille. En raison de son caractère réfractaire élevé, il ne pouvait pas être utilisé en production. Les ingénieurs français Émile et Pierre Martin (père et fils) ont proposé de fusionner cette ferraille avec de la fonte dans un four régénératif et d'obtenir ainsi de l'acier. En 1864, à l'usine de Sireil, sous la direction de Siemens, ils réalisent la première fonderie réussie. Ensuite, cette méthode a commencé à être appliquée partout. Les fours à foyer ouvert étaient moins chers que les convertisseurs et étaient donc plus largement utilisés. Cependant, ni le Bessemer ni la méthode à foyer ouvert ne permettaient d'obtenir de l'acier de haute qualité à partir de minerai contenant du soufre et du phosphore. Ce problème est resté sans solution pendant une décennie et demie, jusqu'à ce qu'en 1878, le métallurgiste anglais Sidney Thomas ait l'idée d'ajouter jusqu'à 10 à 15% de chaux au convertisseur. Dans ce cas, des scories se sont formées qui pouvaient retenir le phosphore dans des composés chimiques forts. En conséquence, le phosphore a brûlé avec d'autres impuretés inutiles et la fonte s'est transformée en acier de haute qualité. L'importance de l'invention de Thomas était énorme. Il a permis de produire de l'acier à grande échelle à partir de minerais phosphorés, extraits en grande quantité en Europe. En général, l'introduction des procédés Bessemer et à foyer ouvert a permis de produire de l'acier en quantités illimitées. L'acier moulé a rapidement gagné sa place dans l'industrie et, depuis les années 70 du XIXe siècle, le fer forgé est presque complètement tombé en désuétude. Déjà au cours des cinq premières années après l'introduction de la production à foyer ouvert et de Bessemer, la production mondiale d'acier a augmenté de 60 %. Auteur : Ryzhov K.V.
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