Than cốc và Abraham Darby: cú đổi nhiên liệu mở đường cách mạng công nghiệp

Năm 1709, ở thung lũng Coalbrookdale (vùng Shropshire, nước Anh), Abraham Darby I là người đầu tiên luyện gang thành công trong lò cao bằng than cốc thay cho than củi. Cú đổi nhiên liệu tưởng nhỏ này gỡ được cái nút thắt lớn nhất của ngành sắt châu Âu thời đó — rừng không đủ gỗ đốt than — và mở đường cho gang rẻ, nhiều, đủ để đúc xi lanh máy hơi nước, đường ray và cầu sắt của cách mạng công nghiệp.

Vì sao ngành sắt nước Anh cần một nhiên liệu mới?

Trước thế kỷ 18, mọi lò cao ở châu Âu đều chạy bằng than củi. Than củi tốt: cháy nóng, gần như không có lưu huỳnh. Nhưng nó tốn gỗ khủng khiếp. Để có một tấn gang, lò cao thời đó cần nhiều tấn than củi, tức là đốt cả một khoảnh rừng.

Nước Anh thế kỷ 17 thiếu gỗ: rừng bị chặt cho đóng tàu, xây nhà, đun nấu, đốt than. Than củi đắt dần, lò cao phải dựng ở nơi còn rừng, chạy theo mùa, nghỉ khi hết than. Một phần lớn sắt dùng ở Anh phải nhập từ Thuỵ Điển và Nga, nơi rừng còn dồi dào. Mức độ "khủng hoảng gỗ" thời đó còn được các sử gia tranh luận, nhưng than củi rõ ràng là giới hạn của ngành.

Trong khi ấy, nước Anh nằm trên những vỉa than đá rất lớn. Than đá đã được dùng sưởi ấm, nấu bia, nung vôi, làm thuỷ tinh. Vấn đề là: đưa thẳng than đá vào lò cao thì hỏng sắt.

Than cốc là gì và vì sao than đá thường không dùng được cho lò cao?

Than đá có hai thứ gây hại cho luyện sắt:

• Lưu huỳnh: đi vào gang, làm sắt sau này giòn khi rèn nóng — thợ gọi là sắt "giòn nóng".
• Chất bốc: nhựa, khí, hơi nước. Khi nung, than đá mềm ra, dính bết, bít kín lòng lò, gió không lưu thông được.

Than cốc là than đá đã được nung kỹ trong môi trường thiếu không khí để đuổi hết chất bốc, giống như gỗ được đốt yếm khí thành than củi. Sản phẩm là một khối xám bạc, xốp, cứng, gần như toàn cacbon. Than cốc có hai đức tính quý cho lò cao:

1. Cháy rất nóng và đều.
2. Cứng, không bị nghiền nát dưới sức nặng của cột quặng phía trên, giữ cho khí đi lên được qua các khe hở.

Ý tưởng luyện sắt bằng than đá đã có nhiều người thử ở Anh trong thế kỷ 17, kể cả xin bằng sáng chế, nhưng không ai thành công ổn định. Than cốc thì đã được dùng trong nghề nấu mạch nha làm bia. Darby, vốn từng học việc trong ngành xay mạch nha ở Birmingham, có lẽ đã quen với than cốc từ đó.

Abraham Darby là ai và ông làm gì ở Coalbrookdale?

Abraham Darby I sinh năm 1678, mất năm 1717, là một người theo giáo phái Quaker. Ông bắt đầu với nghề đúc đồng thau ở Bristol. Năm 1707, ông được cấp bằng sáng chế về cách đúc nồi sắt trong khuôn cát — trước đó nồi gang thường đúc trong khuôn đất sét, chậm và đắt.

Năm 1708, ông thuê một lò cao cũ ở Coalbrookdale, bên bờ sông Severn. Chỗ này có đủ thứ cần thiết: quặng sắt, đá vôi, than đá ngay quanh vùng, dòng suối quay bánh xe nước kéo bễ, và con sông để chở hàng. Năm 1709, lò của ông chạy bằng than cốc và cho ra gang.

Than đá vùng Coalbrookdale có một lợi thế tình cờ: lượng lưu huỳnh tương đối thấp. Nhờ vậy gang luyện bằng than cốc ở đây đủ tốt để đúc nồi, chảo, đồ gia dụng — sản phẩm chính của Darby. Một vài nhà sử học cho rằng nếu đặt lò ở nơi than nhiều lưu huỳnh hơn, thí nghiệm có thể đã thất bại.

Vì sao than cốc lan rộng rất chậm sau năm 1709?

Đây là điều ít người biết: suốt khoảng bốn mươi năm sau 1709, lò cao than cốc gần như chỉ có ở Coalbrookdale và vài nơi gần đó. Phần lớn lò cao ở Anh vẫn chạy than củi.

Lý do chính: gang luyện bằng than cốc thời đó chứa nhiều silic và tạp chất, hợp để đúc nhưng không tốt lắm khi đem luyện thành sắt rèn — mà sắt rèn mới là thứ thị trường cần nhiều nhất cho đinh, dụng cụ, móng ngựa. Phải đến thời con trai ông, Abraham Darby II, vào khoảng thập niên 1750, lò than cốc mới làm được gang hợp cho luyện sắt rèn, nhờ lò lớn hơn và bễ mạnh hơn. Từ đó lò cao than cốc mới lan nhanh khắp nước Anh.

Những đột phá nào nối tiếp than cốc trong thế kỷ 18–19?

Ba đời nhà Darby — ông, con, cháu cùng tên Abraham — gắn với hầu hết các bước lớn của Coalbrookdale. Riêng cầu Iron Bridge sẽ được bàn kỹ hơn trong bài về thời đại kết cấu sắt thép.

Than cốc đã thay đổi thế giới ra sao, và cái giá là gì?

Than cốc cắt mối dây giữa sắt và rừng. Sản lượng sắt không còn phụ thuộc vào diện tích rừng mà vào trữ lượng than đá — thứ nước Anh có rất nhiều. Gang và sắt rẻ đi, nhiều lên, trở thành vật liệu của máy móc, đường ray, tàu thuỷ, nhà xưởng. Có thể nói cách mạng công nghiệp chạy trên hai chân: máy hơi nước và sắt rẻ, và cả hai đều cần than đá.

Hơn ba thế kỷ sau, than cốc vẫn là nhiên liệu và chất khử chính của lò cao trên toàn thế giới. Phần lớn thép hiện nay vẫn đi theo con đường lò cao – than cốc.

Cái giá cũng rõ ràng. Lò cốc thải khói và khí độc, vùng than – sắt thế kỷ 19 ở Anh từng nổi tiếng với bầu trời đen kịt. Ngày nay, luyện thép bằng than cốc là một trong những nguồn phát thải CO₂ lớn của công nghiệp. Ngành thép đang thử thay than cốc bằng khí hyđrô để khử quặng — về bản chất là một cú đổi nhiên liệu nữa, giống điều Darby làm năm 1709, nhưng lần này vì khí hậu thay vì vì rừng.

Đến Coalbrookdale hôm nay có gì để xem?

Thung lũng sông Severn quanh Coalbrookdale và Ironbridge được UNESCO công nhận là Di sản Thế giới năm 1986, với tên Ironbridge Gorge. Ở đây có một cụm bảo tàng:

• Bảo tàng Sắt (Museum of Iron) ở Coalbrookdale, giữ phần còn lại của lò cao cũ nơi Darby luyện gang bằng than cốc, nay được che mái bảo vệ.
• Cầu Iron Bridge, đi bộ qua được, ngắm được các mối ghép gang.
• Làng tái hiện thời Victoria Blists Hill, nơi có xưởng sắt, lò cao nhỏ được dựng lại, thợ mặc trang phục xưa.

Nếu chỉ đọc sách, có thể tìm các tài liệu về lịch sử Coalbrookdale của Ironbridge Gorge Museum Trust, hoặc các chương về sắt trong sách lịch sử cách mạng công nghiệp. Khi đọc, để ý những chỗ sách cũ viết "Darby phát minh ra than cốc" — không đúng: than cốc đã có trước, Darby là người đưa nó vào lò cao thành công.