Henry Bessemer: Quy trình sản xuất thép giá rẻ

Quy trình sản xuất thép của Bessemer vào thế kỷ 19 đã giúp giảm giá thành thép từ 80–95 USD/tấn xuống 9–11 USD/tấn, cũng như làm tăng đáng kể quy mô và tốc độ sản xuất thép. Dầm thép cho cầu, cao ốc, đường sắt, tòa nhà chọc trời,…sẽ không thể trở thành hiện thực nếu không có phát minh của Bessemer. Vật liệu thép cũng là thành phần không thể thiếu của động cơ hơi nước, các tàu thép thế hệ mới, dây thép, nồi hơi cao áp và tuabin trong nhà máy phát điện. Đó là một danh sách dài những đồ dùng và máy móc tạo ra cuộc sống hiện đại của chúng ta ngày nay.

Bessemer sinh ra tại Hertfordshire, Vương quốc Anh vào năm 1813. Anthony – cha của Bessemer – đã có một thời gian dài làm việc cho công ty Paris Mint, nơi ông chịu trách nhiệm phát triển một cỗ máy sản xuất khuôn thép được dùng để đúc huy chương. Mặc dù không có ghi chép nào về việc Bessemer đã học thêm các kiến thức nâng cao về thép từ Anthony, nhưng nhiều khả năng ông đã tích lũy một số kinh nghiệm về luyện kim trong xưởng đúc của cha mình.

Bessemer là một nhà phát minh tài ba. Trong suốt sự nghiệp nghiên cứu khoa học của mình, ông sở hữu ít nhất 117 bằng sáng chế. Các sáng chế của ông chủ yếu xoay quanh những quy trình sản xuất bao gồm sắt, thép, đường, thủy tinh, vũ khí và thậm chí cả một con tàu với thiết kế cabin đặc biệt để hành khách không bị say sóng.

Nổi bật nhất trong số những phát minh đầu tiên của ông là một cỗ máy có khả năng tạo ra bột đồng thau rất mịn [loại bột được sử dụng để làm sơn] với chi phí bằng 1/40 quy trình sản xuất tiêu chuẩn khi đó. Ông cũng nghĩ ra cách nén bột than chì thành dạng rắn để cho vào ruột bút chì, chế tạo một máy đùn trục vít để chiết xuất đường từ mía. Tuy nhiên, không phải tất cả các phát minh của ông đều thành công về mặt thương mại, chẳng hạn như quy trình sản xuất các tấm kính chất lượng cao vào năm 1848.

Sự quan tâm của Bessemer đối với việc sản xuất thép bắt nguồn từ sự bùng nổ của Chiến tranh Krym năm 1853. Cuộc chiến này diễn ra giữa hai lực lượng quân sự châu Âu, phe đồng minh gồm Pháp, Anh, Thổ Nhĩ Kỳ và Sardinia chống lại Nga.

Phát minh đầu tiên của Bessemer liên quan đến vũ khí là đạn pháo chứa các rãnh có thể bắn từ súng nòng trơn. Ông giới thiệu sáng chế của mình với một chỉ huy người Pháp, nhưng sĩ quan này nói rằng đạn pháo của ông quá nặng để có thể bắn ra an toàn từ súng gang, vốn nổi tiếng là dễ vỡ. Bessemer biết rằng vật liệu thép không có hạn chế này, nhưng giá thành của thép lúc đó quá cao nên không được sử dụng trong quá trình sản xuất vũ khí hàng loạt.

Vào thời điểm đó, thép khá khan hiếm nên chỉ được dùng để chế tạo các đồ vật nhỏ như dao, kéo, lò xo và những thứ tương tự. Người ta sản xuất thép bằng cách nung nóng sắt rèn [một hợp kim của sắt với hàm lượng carbon rất thấp] chứa ít tạp chất giữa các lớp than đá trong khoảng thời gian lên tới sáu tuần. Quá trình này bổ sung đủ lượng carbon để sản xuất thép nhưng rất tốn thời gian và công sức. Do đó, các kỹ sư thường sử dụng vật liệu gang để xây dựng cầu, đường ray xe lửa và các con tàu.

Bessemer bắt đầu tìm ra cách chế tạo thép từ gang giòn chứa một lượng carbon đáng kể. Trong các thí nghiệm ban đầu, ông sử dụng một lò phản xạ có khả năng cô lập kim loại sắt ra khỏi nhiên liệu cháy. Nhưng trong một cuộc thử nghiệm, nhiều miếng gang nằm nghiêng một bên trong luồng khí nóng không chịu tan chảy, ngay cả khi Bessemer tăng nhiệt độ. Sau một thời gian, Bessemer phát hiện khi các miếng gang tiếp xúc với không khí nóng, mặt ngoài của chúng biến đổi thành thép. Bessemer viết trong cuốn tự truyện: “Tôi chợt nảy ra một hướng suy nghĩ mới. Sau khi cân nhắc kỹ lưỡng, tôi tin rằng nếu không khí có thể tiếp xúc với một bề mặt đủ lớn của sắt thô nóng chảy, nó sẽ nhanh chóng chuyển đổi thành thép dễ uốn”.

Bessemer đã thiết kế lại lò phản ứng để tạo luồng không khí lạnh đi thẳng qua sắt nóng chảy, nhưng nhiều người nói với ông rằng ý tưởng này thật ngu ngốc vì không khí lạnh sẽ làm nguội sắt. Thực tế đã chứng minh Bessemer hoàn toàn đúng. Luồng không khí làm cho cả silic và carbon trong lò bị oxy hóa, phản ứng tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ.

Lần đầu tiên thử quy trình mới, Bessemer nhận thấy phản ứng xảy ra khá dữ dội. Một loạt các vụ nổ nhẹ xảy ra, bắn các mảnh kim loại nóng chảy tung tóe lên không trung. Lò phản ứng giống như một ngọn núi lửa đang phun trào. Tuy nhiên, vụ phun trào chấm dứt sau khoảng mười phút, ngọn lửa tắt và sản phẩm thu được là thép dễ uốn.

Tất cả những nỗ lực của Bessemer để làm cho phản ứng bớt dữ dội hơn đều thất bại. Ông kết luận rằng nhiệt độ cực cao và phun trào dữ dội là tất cả những yếu tố cần thiết để sản xuất thép thành công. Thay vào đó, ông dành thời gian thiết kế lại lò phản ứng để nó có thể vận hành một cách an toàn.

Sau vô số thử nghiệm, ông đã tạo ra lò phản ứng mới giống như hình quả trứng với nhiều khoảng trống để chứa kim loại nóng chảy bắn ra mà không rời khỏi lò. Nó có khả năng sản xuất từ 8 đến 30 tấn thép cùng lúc.

Quy trình sản xuất thép của Bessemer được cấp bằng sáng chế vào năm 1855. Ban đầu các công ty áp dụng quy trình này không sản xuất được loại thép chất lượng cao mà họ mong đợi. Lượng oxy dư thừa làm cho thép trở nên giòn và khó giữ được lượng carbon phù hợp (từ 0,2–2,1% trọng lượng) trong thép. Giải pháp Bessemer đưa ra là ngăn chặn luồng không khí trước khi tất cả carbon bị chuyển hóa.

Nhà luyện kim Robert Mushet đã đề xuất một giải pháp dễ dàng hơn, đó là đốt cháy tất cả carbon và bổ sung thêm một lượng chính xác Spiegeleisen, hợp kim của sắt-carbon-mangan. Cách làm này có thể đảm bảo thép chứa lượng carbon phù hợp, trong khi mangan loại bỏ oxy dư thừa ra khỏi thép.

Năm 1859, Bessemer thành lập công ty sản xuất thép Henry Bessemer & Co ở Sheffield. Công ty nhanh chóng trở nên nổi tiếng trên toàn thế giới về chuyên môn sản xuất thép của mình. Quy trình sản xuất thép của Bessemer tồn tại trong hơn 100 năm trước khi được thay thế bằng lò luyện thép hồ quang điện.