Lò Bessemer, công bố năm 1856, biến gang lỏng thành thép chỉ trong khoảng 15–20 phút bằng cách thổi không khí xuyên qua kim loại, không cần đốt thêm nhiên liệu. Trước đó, thép làm bằng phương pháp nồi nấu chậm, ít và đắt, chỉ đủ cho dao, dụng cụ, lò xo; sau Bessemer, thép trở thành vật liệu rẻ đủ để làm đường ray, cầu, tàu thuỷ và nhà cao tầng. Đó là lý do nhiều sử gia coi nửa sau thế kỷ 19 là lúc thế giới bước vào "thời đại thép".
Trước Bessemer, người ta làm thép thế nào?
Đầu thế kỷ 19, thế giới công nghiệp có nhiều gang và sắt rèn, nhưng rất ít thép. Ba vật liệu này khác nhau chủ yếu ở lượng cacbon: gang khoảng 2–4,5%, thép khoảng 0,1–2%, sắt rèn dưới 0,1%. Lò cao cho ra gang; lò khuấy (puddling) của Henry Cort biến gang thành sắt rèn. Thép thì nằm ở giữa, và khó làm nhất.
- Thép thấm cacbon: xếp thanh sắt rèn với than trong hộp kín, nung nhiều ngày cho cacbon ngấm vào. Thép ra không đều, bề mặt phồng rộp.
- Thép nồi nấu: năm 1740, Benjamin Huntsman ở Sheffield nấu chảy thép thấm cacbon trong nồi đất chịu lửa để cho đồng đều. Thép rất tốt nhưng mỗi nồi chỉ vài chục ký, tốn nhiều than.
Kết quả là thép đắt gấp nhiều lần sắt rèn. Đường ray, cầu, khung máy đều làm bằng sắt rèn hoặc gang, dù biết thép bền hơn nhiều.
Lò Bessemer hoạt động theo nguyên lý nào?
Henry Bessemer (1813–1898) là một nhà phát minh người Anh có hàng trăm bằng sáng chế đủ loại. Giữa thập niên 1850, trong lúc tìm cách làm ra loại sắt thép bền hơn với giá thấp hơn, ông nhận thấy luồng không khí thổi lên bề mặt gang nóng làm cacbon cháy đi. Từ đó, ông nghĩ ra cách thổi thẳng không khí qua cả khối gang lỏng.
Lò Bessemer, thường gọi là lò chuyển (converter), là một bình thép hình quả lê lớn, lót gạch chịu lửa, đặt trên trục để nghiêng được:
- Nghiêng lò, rót gang lỏng từ lò cao vào.
- Dựng lò thẳng, thổi không khí áp lực cao từ đáy lên qua các lỗ nhỏ.
- Ôxy trong không khí đốt cháy silic, mangan, rồi cacbon trong gang. Các phản ứng này toả nhiệt, nên kim loại không nguội đi mà còn nóng thêm — đủ để thép (vốn chảy ở nhiệt độ cao hơn gang) vẫn giữ thể lỏng.
- Miệng lò phun ra ngọn lửa sáng rực và một trận mưa tia lửa. Thợ đứng lò quan sát màu và hình dạng ngọn lửa để biết cacbon đã cháy hết chưa.
- Nghiêng lò, rót thép vào khuôn thỏi.
Cả quá trình mất khoảng 15–20 phút cho vài tấn gang, trong khi lò khuấy cần hàng giờ cho vài trăm ký sắt. Bessemer trình bày phát minh tại hội nghị của Hiệp hội Anh vì Tiến bộ Khoa học ở Cheltenham tháng 8 năm 1856, với bài nói có tựa đề "Sản xuất sắt dẻo và thép không cần nhiên liệu".
Ở Mỹ, William Kelly cũng đã thử nghiệm một ý tưởng tương tự từ trước đó, và về sau được cấp bằng sáng chế. Ai "trước" ai vẫn được các sử gia nhắc tới như một ví dụ về phát minh song song.
Vì sao những mẻ thép Bessemer đầu tiên lại hỏng?
Sau buổi công bố, nhiều xưởng mua quyền dùng phương pháp và nhanh chóng thất vọng: thép của họ giòn, nứt khi cán. Có hai vấn đề:
Ôxy dư và lưu huỳnh
Thổi không khí để lại nhiều ôxy hoà tan trong thép, làm thép giòn khi gia công nóng. Robert Mushet, một nhà luyện kim người Anh, đề xuất thêm vào cuối mẻ một lượng gang giàu mangan (gọi là spiegeleisen). Mangan kéo ôxy và lưu huỳnh ra, đồng thời bù lại lượng cacbon mong muốn. Bước "khử ôxy" này đến nay vẫn là chuẩn trong luyện thép.
Phốt pho
Vấn đề lớn hơn. Bessemer thử nghiệm với gang ít phốt pho nên không gặp. Nhưng phần lớn quặng sắt ở Anh và châu Âu lục địa nhiều phốt pho, mà lò Bessemer lót gạch silic (axit) không khử được phốt pho. Thép giàu phốt pho giòn, đặc biệt khi trời lạnh. Một thời gian dài, lò Bessemer chỉ dùng được với quặng ít phốt pho như ở Thuỵ Điển, Tây Ban Nha hay vùng Cumberland (Anh).
Năm 1878, hai anh em họ Sidney Gilchrist Thomas và Percy Gilchrist giải quyết vấn đề bằng cách lót lò bằng vật liệu kiềm (đôlômit) và thêm vôi vào mẻ. Phốt pho bị kéo vào xỉ. Xỉ này, gọi là xỉ Thomas, giàu phốt phát, được nghiền làm phân bón — một sản phẩm phụ có ích hiếm hoi. Nhờ cải tiến này, những vùng quặng nhiều phốt pho như Lorraine (Pháp) và vùng Ruhr (Đức) mới phát triển mạnh ngành thép.
Lò Siemens – Martin và lò thổi ôxy đã thay Bessemer ra sao?
Lò Bessemer nhanh nhưng khó kiểm soát chính xác thành phần, và không thổi được sắt vụn tái chế nhiều. Gần như cùng thời, một công nghệ khác ra đời:
- Lò Siemens – Martin (lò bằng, lò mở): Carl Wilhelm Siemens phát triển lò tái sinh nhiệt — dùng khí thải nóng hâm nóng không khí và khí đốt trước khi đưa vào lò, nên đạt nhiệt độ rất cao. Năm 1865, Pierre-Émile Martin ở Pháp dùng lò kiểu này để luyện thép từ gang và sắt vụn. Một mẻ mất nhiều giờ, nhưng kiểm soát thành phần tốt, dùng được nhiều sắt vụn. Đến đầu thế kỷ 20, lò Siemens – Martin vượt lò Bessemer về sản lượng.
- Lò thổi ôxy (lò LD): năm 1952, ở các nhà máy tại Linz và Donawitz (Áo), người ta thổi ôxy tinh khiết từ trên xuống bằng ống phun làm nguội bằng nước vào gang lỏng. Ôxy tinh khiết không mang theo nitơ như không khí, nên thép sạch hơn; một mẻ vài trăm tấn chỉ mất khoảng nửa giờ đến bốn mươi phút. Đây thực chất là người thừa kế trực tiếp ý tưởng của Bessemer.
Theo số liệu của Hiệp hội Thép Thế giới, những năm gần đây khoảng 70% thép thế giới đi theo đường lò cao – lò thổi ôxy, phần lớn còn lại theo đường lò điện hồ quang nấu chảy sắt vụn. Lò Siemens – Martin gần như đã biến mất; lò Bessemer chỉ còn trong bảo tàng.
Thép rẻ đã đổi bộ mặt thế giới như thế nào?
Sau Bessemer, thép rẻ đi nhiều lần trong vài thập kỷ, và sản lượng tăng vọt. Hệ quả lan khắp đời sống:
| Lĩnh vực | Trước thép rẻ | Sau thép rẻ |
|---|---|---|
| Đường sắt | Ray sắt rèn mòn nhanh, phải thay sau vài năm ở đoạn đông tàu | Ray thép bền gấp nhiều lần, tàu nặng và nhanh hơn |
| Cầu | Gang, sắt rèn, nhịp hạn chế | Cầu thép nhịp dài, ví dụ cầu Forth (Scotland, 1890) |
| Nhà cửa | Tường gạch chịu lực, ít tầng | Khung thép, nhà chọc trời ở Chicago, New York từ cuối thế kỷ 19 |
| Tàu thuỷ | Vỏ gỗ, vỏ sắt rèn | Vỏ thép, tàu lớn hơn, nhẹ hơn |
| Đồ dùng | Thép cho dao, lò xo, dụng cụ quý | Thép cho đinh, dây thép, đồ gia dụng thường ngày |
Sheffield, Pittsburgh, vùng Ruhr thành những trung tâm công nghiệp khổng lồ. Thép trở thành thước đo sức mạnh công nghiệp của một nước suốt hơn một thế kỷ.
Hôm nay còn thấy lò Bessemer ở đâu?
Một chiếc lò chuyển Bessemer cỡ lớn được trưng bày ngoài trời tại Đảo Kelham (Kelham Island Museum) ở Sheffield, Anh — thành phố gắn với cả thép nồi nấu của Huntsman lẫn thép Bessemer. Ở Mỹ, Station Square (Pittsburgh) cũng có một lò chuyển Bessemer trưng bày.
Trong nhà máy thép hiện đại, khi nhìn lò thổi ôxy nghiêng để rót thép, ta thấy rõ hình dáng quả lê và cơ cấu xoay giống hệt lò Bessemer thế kỷ 19. Ngọn lửa và tia lửa bắn ra từ miệng lò vẫn là cảnh tượng của nghề. Và nguy hiểm vẫn vậy: thép lỏng khoảng 1.600 °C, nếu gặp nước hay vật liệu ẩm thì hơi nước giãn nở đột ngột có thể làm bắn thép ra xa. Khu vực lò chỉ dành cho người đã được đào tạo, mang đầy đủ đồ bảo hộ chịu nhiệt.
Đọc thêm: tự truyện của Henry Bessemer (xuất bản sau khi ông mất), các chương về thép trong sách lịch sử công nghệ, và báo cáo hằng năm của Hiệp hội Thép Thế giới để biết bức tranh luyện thép hôm nay.
Câu hỏi thường gặp
Lò Bessemer là gì?
Lò Bessemer là bình thép hình quả lê, lót gạch chịu lửa, dùng để biến gang lỏng thành thép bằng cách thổi không khí qua kim loại. Ôxy đốt cháy cacbon và tạp chất, tự sinh nhiệt nên không cần nhiên liệu. Phương pháp được Henry Bessemer công bố năm 1856.
Lò Bessemer ra đời năm nào?
Henry Bessemer công bố phương pháp vào tháng 8 năm 1856 tại Cheltenham, Anh, và được cấp bằng sáng chế cùng thời gian đó. Ở Mỹ, William Kelly đã thử nghiệm ý tưởng tương tự từ trước. Phương pháp chỉ thật sự hoàn chỉnh sau các cải tiến của Mushet và Thomas – Gilchrist.
Vì sao lò Bessemer không dùng được với quặng nhiều phốt pho?
Lớp lót lò ban đầu là gạch silic có tính axit, không giữ được phốt pho trong xỉ, nên phốt pho ở lại trong thép làm thép giòn. Năm 1878, Thomas và Gilchrist lót lò bằng đôlômit kiềm và thêm vôi, kéo phốt pho vào xỉ.
Ngày nay còn dùng lò Bessemer không?
Không, lò Bessemer gần như không còn dùng trong sản xuất. Người thừa kế của nó là lò thổi ôxy ra đời năm 1952, thổi ôxy tinh khiết thay cho không khí. Phần lớn thép thế giới hiện nay vẫn làm theo đường lò cao – lò thổi ôxy.
Lò Siemens – Martin khác lò Bessemer thế nào?
Lò Siemens – Martin là lò bằng dùng khí đốt và tái sinh nhiệt, luyện một mẻ trong nhiều giờ, dễ kiểm soát thành phần và dùng được nhiều sắt vụn. Lò Bessemer nhanh hơn nhiều nhưng khó điều chỉnh chính xác. Đầu thế kỷ 20, Siemens – Martin vượt Bessemer về sản lượng.
