Thực đơn
Sắt rèn
Sắt rèn đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ, và nó là "sắt" được nói tới trong suốt lịch sử phương Tây. Dạng khác của sắt là gang đúc được sử dụng tại Trung Quốc từ thời cổ đại nhưng đã không du nhập vào Tây Âu cho mãi tới thế kỷ 15; và ngay cả khi đó vì tính giòn nên nó chỉ được sử dụng trong một số mục đích khá hạn hẹp. Trong suốt thời kỳ Trung Cổ sắt được sản xuất bằng hoàn nguyên trực tiếp quặng sắt trong các lò thỏi đúc vận hành thủ công, mặc dù sức nước đã được sử dụng kể từ năm 1104.[21]
Vật liệu thô được sản xuất trong mọi quy trình gián tiếp đều là gang thô. Nó có hàm lượng cacbon cao, vì thế giòn và không thể dùng để sản xuất đồ kim khí. Quy trình Osmond là quy trình gián tiếp đầu tiên, được phát triển khoảng năm 1203, nhưng sản xuất lò thỏi đúc vẫn tiếp tục ở nhiều nơi. Quy trình này phụ thuộc vào sự phát triển của lò cao, với các ví dụ Trung cổ được phát hiện tại Lapphyttan (Thụy Điển) và Đức.
Các quy trình lò thỏi đúc và Osmond dần dần bị thay thế từ thế kỷ 15 bằng các quy trình tinh luyện, trong đó có hai phiên bản là Đức và Walloon. Đến lượt mình, chúng lại bị thay thế vào cuối thế kỷ 18 bằng khuấy luyện, với các biến thể nhất định như quy trình Lancashire ở Thụy Điển. Tất cả chúng hiện nay đều lỗi thời và sắt rèn không còn được sản xuất ở quy mô thương mại nữa.
Dưới thời nhà Hán, các quy trình nấu luyện sắt mới đã dẫn tới việc sản xuất nhiều công cụ mới bằng sắt rèn để sử dụng trong nông nghiệp, như máy gieo hạt nhiều ống và cày sắt.[22] Bổ sung cho các cục sắt rèn thấp cacbon ngẫu nhiên được sản xuất bằng cách thổi dư thừa không khí trong các lò đứng Trung Hoa cổ đại thì người Trung Hoa cổ đại tạo ra sắt rèn bằng cách sử dụng rèn tinh luyện ít nhất từ thế kỷ 2 TCN, với các mẫu vật sớm nhất của gang đúc và gang thô được tinh chế thành sắt rèn và thép được tìm thấy từ đầu thời kỳ nhà Hán (202 TCN – 220) tại các di chỉ như di chỉ sắt rèn Thiết Sinh Câu (铁生沟) ở Củng Nghĩa, Trịnh Châu, Hà Nam.[23][24]:186 Pigott suy đoán rằng rèn tinh luyện đã tồn tại từ thời kỳ Chiến Quốc (403–221 TCN) trước đó, do một thực tế là có những đồ vật làm bằng sắt rèn tại Trung Quốc có niên đại tới thời kỳ này và chưa có chứng cứ nào cho thấy lò thỏi đúc đã từng được sử dụng tại Trung Quốc.[24]:186–187 Quá trình tinh luyện bao gồm nung chảy gang đúc trong lò tinh luyện và loại bỏ cacbon từ gang đúc nóng chảy thông qua phản ứng oxi hóa.[24]:186 Wagner viết rằng ngoài các lò thời Hán được cho là các lò tinh luyện thì cũng có chứng cứ hình ảnh về lò tinh luyện từ một bích họa mồ mả tại Sơn Đông có niên đại tới thế kỷ 1-2, cũng như lời ám chỉ bằng chứng cứ văn bản trong Thái Bình Kinh của Đạo giáo trong thế kỷ 4.[25]
Sắt rèn ban đầu được sản xuất bằng một loạt quy trình nấu luyện, tất cả chúng ngày nay được gọi trong các ngôn ngữ khác nhau như là lò thỏi đúc, lò sắt rèn, lò sắt hoa (tiếng Anh: bloomery), lò thấp (tiếng Pháp: bas fourneau), lò gió ẩm (tiếng Nga: сыродутный горн, сыродутная печь). Các dạng khác nhau của lò thỏi đúc được sử dụng ở những nơi khác nhau và vào những khoảng thời gian khác nhau. Cho dù tên gọi khác nhau, nhưng các lò thỏi đúc đều có cùng một nguyên lý hoạt động là được nạp than củi, quặng sắt và sau đó nhóm lửa. Không khí được thổi vào thông qua ống gió (ống bễ) để nung nóng lò thỏi đúc tới nhiệt độ hơi thấp hơn điểm nóng chảy của sắt. Trong quá trình nấu luyện, xỉ sẽ nóng chảy và được tháo ra, cacbon monoxit từ than củi sẽ khử (hoàn nguyên) quặng sắt thành sắt, tạo thành một khối xốp (gọi là "sắt hoa"/"thỏi đúc") chứa sắt và các khoáng vật silicat nóng chảy (xỉ) từ quặng. Sắt vẫn ở trạng thái rắn. Nếu nhiệt độ lò thỏi đúc được nâng cao đủ để làm nóng chảy sắt thì cacbon sẽ hòa tan vào sắt nóng chảy và tạo thành gang thô (gang thỏi) hay gang đúc, nhưng điều này không phải là mục đích của lò thỏi đúc. Tuy nhiên, thiết kế của lò thỏi đúc làm cho nó khó đạt tới điểm nóng chảy của sắt cũng như ngăn không cho nồng độ của cacbon monoxit trở nên quá cao.[1]:46–57
Sau khi quá trình nấu luyện kết thúc, sắt hoa được lấy ra và quá trình này lại có thể bắt đầu một lần nữa. Vì thế lò thỏi đúc là quy trình nấu luyện theo mẻ chứ không phải là một quá trình liên tục như trong lò cao. Sắt hoa cần phải được rèn cơ học để kết đặc và định hình thành thỏi, và trong quá trình này đẩy xỉ ra khỏi nó.[1]:62–66
Trong thời kỳ Trung Cổ, sức nước được áp dụng vào quy trình này, ban đầu có lẽ là để cung cấp năng lượng cho các ống gió, và chỉ sau này mới là cung cấp năng lượng cho các búa rèn các thỏi sắt hoa. Tuy nhiên, điều chắc chắn là sức nước đã được sử dụng nhưng các chi tiết cụ thể thì vẫn không chắc chắn.[1]:75–76 Điều này từng là cực điểm của quá trình trực tiếp sản xuất sắt. Nó kéo dài sự tồn tại ở Tây Ban Nha và miền nam Pháp như là rèn Catalan tới giữa thế kỷ 19, tại Áo như là stuckofen tới năm 1775,[1]:100–101 và gần Garstang ở Anh cho tới khoảng năm 1770;[26][27] nó còn được sử dụng với luồng thổi nóng ở New York trong thập niên 1880.[28] Tại Nhật Bản các lò thỏi đúc tatara cũ cuối cùng được sử dụng trong sản xuất thép tamahagane (玉鋼, ngọc cương) truyền thống, chủ yếu sử dụng trong sản xuất kiếm, chỉ dừng hoạt đọng vào năm 1925, mặc dù vào cuối thế kỷ 20 thì sản xuất được phục hồi ở quy mô nhỏ để cung cấp thép cho những người sản xuất kiếm thủ công.
Sắt Osmond bao gồm các cục sắt rèn, được sản xuất bằng cách nung chảy gang thô và hứng các giọt nhỏ xuống bằng một cây gậy quay tròn trong một luồng gió thổi vào sao cho nó tiếp xúc với không khí càng nhiều càng tốt để oxi hóa thành phần cacbon trong nó.[29] Cục sản phẩm hình cầu thường được rèn thành sắt thỏi trong xưởng rèn búa.
Trong thế kỷ 15, lò cao lan truyền tới khu vực ngày nay là Bỉ, nơi nó được cải tiến. Từ đây nó lan truyền qua Pays de Bray trên ranh giới Normandy và sau đó tới Weald ở Anh. Từ đây rèn tinh luyện lan tỏa rộng. Các lò rèn tinh luyện nấu chảy gang thỏi và đốt cháy thành phần cacbon trong nó, tạo ra khối sắt hoa để sau đó rèn thành sắt thỏi. Nếu cần sắt thanh thì công đoạn cắt dọc được sử dụng.
Quy trình tinh luyện tồn tại dưới hai dạng hơi khác nhau một chút. Tại đảo Anh, Pháp và một số nơi ở Thụy Điển thì quy trình Walloon được sử dụng. Quy trình này sử dụng hai lò khác biệt, là lò tinh luyện để hoàn thiện sắt và lò rèn để nung lại sắt trong quá trình rèn sắt hoa thành thỏi. Lò tinh luyện luôn luôn dùng than củi, nhưng lò rèn có thể đốt bằng than khoáng, do các tạp chất của nó không thể gây hại cho sắt khi nó ở trạng thái rắn. Ngược lại, quy trình Đức được sử dụng ở Đức, Nga và phần lớn các nơi khác tại Thụy Điển lại sử dụng một lò cho tất cả các công đoạn.[30]
Việc đưa than cốc vào sử dụng cho lò cao của Abraham Darby năm 1709 (hoặc có lẽ bởi những người khác hơi sớm hơn một chút) ban đầu ít cs ảnh hưởng tới sản xuất sắt rèn. Chỉ tới thập niên 1750 thì than cốc cộng gang thô mới được sử dụng ở quy mô đáng kể như là nguyên liệu đầu vào cho các lò rèn tinh luyện. Tuy nhiên, than củi vẫn tiếp tục là nhiên liệu cho các lò tinh luyện.
Từ cuối thập niên 1750, những nhà sản xuất sắt bắt đầu phát triển các quy trình sản xuất sắt thỏi không sử dụng than củi. Có một loạt các quy trình được cấp bằng sáng chế cho công việc này, mà ngày nay được gọi chung như là nồi nung và dập vỡ. Quy trình sớm nhất trong số này được John Wood (1701-1771/1779?) ở Wednesbury và em trai ông là Charles Wood (1702-1774) ở Lowmill tại Egremont, được cấp bằng sáng chế năm 1763.[31]:723–724 Một quy trình khác được anh em nhà Cranage phát triển cho công ty Coalbrookdale.[32] Một quy trình quan trọng khác là của John Wright và Joseph Jesson ở West Bromwich.[31]:725–726
Một số quy trình sản xuất sắt rèn không sử dụng than củi đã được nghĩ ra khi cách mạng công nghiệp bắt đầu vào nửa sau thế kỷ 18. Thành công nhất trong số này là khuấy luyện với việc sử dụng lò khuấy luyện (một loại lò phản xạ), được Henry Cort phát minh năm 1784.[33] Sau này nó được những người khác cải tiến, trong đó bao gồm Joseph Hall, người đầu tiên thêm sắt oxit vào liệu nạp lò. Trong kiểu lò này thì kim loại không tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu và vì thế không bị ô nhiễm bởi các tạp chất có trong nhiên liệu. Nhiệt từ các sản phẩm cháy truyền trên bề mặt của khối khuấy luyện còn mái của lò thì phản xạ nhiệt vào khối kim loại khuấy luyện trên cầu lửa của lò.
Trừ khi nguyên liệu thô được sử dụng là gang trắng thì gang thô hay sản phẩm thô khác của khuấy luyện trước tiên phải được tinh chế thành sắt tinh chế hay kim loại tinh. Điều này có thể thực hiện trong lò tinh chế, nơi than được sử dụng để loại bỏ silic và chuyển hóa cacbon trong nguyên liệu thô, được tìm thấy dưới dạng graphit, thành một tổ hợp với sắt gọi là cementit.
Trong quy trình phát triển đầy đủ của Hall thì kim loại này được đặt trong lòng lò khuấy luyện nơi nó được nấu chảy. Nhiệt được điều chỉnh với các tác nhân oxi hóa như hematit và sắt oxit.[34] Hỗn hợp này nằm trong luồng không khí mạnh và được khuấy bằng các thanh dài, gọi là thanh khuấy luyện hay gậy khuấy luyện,[35]:165[36] thông qua các cửa làm việc.[37]:236–240 Không khí, sự khuấy đảo và "sự sôi" của kim loại giúp các tác nhân oxi hóa nói trên oxi hóa các tạp chất và rút cacbon ra khỏi gang thô. Các tạp chất bị oxi hóa tạo thành xỉ lỏng hay bị thoát ra dưới dạng khí trong khi sắt còn lại hóa cứng thành sắt rèn xốp nổi lên trên đỉnh phần lòng lò khuấy luyện và được rút ra khỏi khối nóng chảy như là các cục sắt khuấy luyện bằng việc sử dụng các thanh khuấy luyện.[34]
Vẫn còn một ít xỉ đọng lại trong các cục sắt khuấy luyện, vì thế khi còn nóng thì chúng phải được đánh xỉ[38] để loại bỏ phần xỉ sót lại và cứt sắt.[34] Điều này đạt được bằng cách rèn các cục sắt bằng búa hay bằng cách nén ép chúng trong máy. Vật liệu thu được khi kết thúc đánh xỉ là thỏi đúc.[38] Các thỏi đúc dưới hình dạng này là không hữu dụng, vì thế chúng được cán thành thành phẩm.
Một số xưởng sắt châu Âu bỏ qua công đoạn đánh xỉ mà cán luôn các cục sắt khuấy luyện. Hạn chế duy nhất của điều này là các rìa của các thỏi sắt thô không được nén đều. Khi thỏi sắt thô được nung nóng trở lại thì các rìa này có thể tách ra và bị mất trong lò nung.[38]
Thỏi đúc được chuyển qua máy cán để sản xuất sắt thỏi. Các thỏi sắt rèn này có chất lượng kém, được gọi là thỏi tạp[35]:137[38] hay thỏi khuấy luyện.[34] Để cải thiện chất lượng của chúng, các thỏi này được cắt ra, xếp chồng và trói buộc với nhau bằng dây, một quy trình gọi là đóng bó hay xếp chồng.[38] Sau đó chúng được nung nóng trở lại tới trạng thái hàn, được hàn rèn và cán một lần nữa thành các thỏi. Quá trình này có thể lặp lại một vài lần để tạo ra sắt rèn với chất lượng mong muốn. Sắt rèn được cán nhiều lần được gọi là thỏi thương mại hay sắt thương mại.[36][39]
Ưu điểm của khuấy luyện là ở chỗ nó sử dụng than chứ không phải than củi làm nhiên liệu. Tuy nhiên, điều này ít có ưu thế tại Thụy Điển, nơi không có than. Gustaf Ekman đã quan sát các lò tinh luyện tại Ulverston, mà chúng là hoàn toàn khác biệt với bất kỳ lò nào tại Thụy Điển. Sau khi trở lại Thụy Điển trong thập niên 1830, ông thực nghiệm và phát triển một quy trình tương tự như khuấy luyện nhưng sử dụng củi và than củi, một công nghệ được chấp nhận rộng rãi tại Bergslagen trong các thập niên sau.[13]:282–285[40]
Năm 1925, James Aston ở Hoa Kỳ phát triển một quy trìnhsản xuất sắt rèn nhanh và kinh tế. Nó bao gồm việc múc thép lỏng từ lò chuyển Bessemer và rót nó vào xỉ lỏng nguội hơn. Nhiệt độ của thép lỏng là khoảng 1.500 °C và xỉ lỏng được duy trì ở nhiệt độ khoảng 1.200 °C. Thép nóng chảy chứa một lượng lớn khí hòa tan nên khi thép lỏng tiếp xúc với bề mặt lạnh hơn của xỉ lỏng thì các khí được giải thoát. Thép nóng chảy sau đó đông lại tạo ra một khối xốp có nhiệt độ khoảng 1.370 °C.[34] Khối xốp này sau đó sẽ dược hoàn thiện bằng đánh xỉ và cán như đã mô tả tại phần khuấy luyện nói trên. Từ 3 đến 4 tấn có thể được chuyển mỗi mẻ bằng phương pháp này.[34]
Thép bắt đầu thay thế cho sắt để làm ray đường sắt kể từ khi quy trình Bessemer để sản xuất thép được chấp nhận (từ năm 1865 trở đi). Sắt vẫn chiếm ưu thế trong các ứng dụng kết cấu cho tới thập niên 1880, do các vấn đề với thép giòn,gây ra bởi sự xâm nhập của nitơ, hàm lượng cacbon cao, photpho dư thừa nhiệt độ quá cao trong quá trình cán hoặc tốc độ cán quá nhanh.[8]:144–151[note 1] Vào năm 1890 thì thép đã thay thế phần lớn sắt trong các ứng dụng kết cấu.
Sắt tấm (Armco 99,97% Fe) có các tính chất tốt để sử dụng trong các dụng cụ, do nó khá thích hợp để tráng men và hàn nối, cũng như khả năng chống gỉ tốt.[8]:242
Trong thập niên 1960, giá cả sản xuất thép sụt giảm do tái chế, và ngay cả khi sử dụng phương pháp Aston thì sản xuất sắt rèn vẫn là tốn công lao động. Người ta ước tính rằng chi phí sản xuất sắt rèn cao gấp đôi so với sản xuất thép cacbon thấp.[7] Tại Hoa Kỳ, nhà máy sắt rèn cuối cùng đã đóng cửa vào năm 1969.[7] Nhà máy sắt rèn cuối cùng trên thế giới là Atlas Forge của Thomas Walmsley and Sons ở Bolton, Vương quốc Anh, đóng cửa năm 1973. Thiết bị máy móc kỷ nguyên 1860 của nó được chuyển tới Blists Hill Victorian Town của Bảo tàng Hẻm núi Ironbridge để bảo tồn.[41] Một lượng nhỏ sắt rèn vẫn còn được sản xuất phục vụ cho mục đích phục hồi di sản, nhưng chỉ là công việc tái chế phế liệu.
Thực đơn
Sắt rènLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Sắt rèn