Histoire de la civilisation occidentale II

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25.4.3 : La production d’acier

Avant 1860, l’acier était cher et produit en petites quantités, mais le développement de la technique de l’acier en creuset par Benjamin Huntsman dans les années 1740,le procédé Bessemer dans les années 1850 et le procédé Siemens-Martin dans les années 1850-1860 ont abouti à la production de masse de l’acier, l’une des avancées clés derrière la deuxième révolution industrielle.

Objectif d’apprentissage

Postuler les effets de l’amélioration de la production d’acier sur la progression de l’industrie.

Points clés

  • L’acier est un alliage de fer et d’autres éléments, principalement du carbone, qui est largement utilisé dans la construction et d’autres applications en raison de sa résistance élevée à la traction et de son faible coût. Le métal de base de l’acier est le fer. Il a été produit pour la première fois dans l’Antiquité, mais deux décennies avant la révolution industrielle, une amélioration a été apportée à la production de l’acier, qui était à l’époque une marchandise coûteuse utilisée uniquement là où le fer ne ferait pas l’affaire.
  • Benjamin Huntsman a développé sa technique d’acier en creuset dans les années 1740. Il a pu fabriquer de l’acier coulé satisfaisant dans des creusets de pots d’argile, chacun contenant environ 34 livres d’acier blister. Un fondant était ajouté, puis ils étaient couverts et chauffés au coke pendant environ trois heures. L’acier fondu était ensuite coulé dans des moules et les creusets réutilisés. Pendant longtemps, Huntsman a exporté toute sa production en France car les producteurs locaux refusaient de travailler avec un acier plus dur que celui qu’ils utilisaient déjà.
  • L’acier est souvent cité comme le premier de plusieurs nouveaux domaines de production industrielle de masse qui caractérisent la deuxième révolution industrielle. Avant 1860 environ, l’acier était encore un produit coûteux. Le problème de la production de masse d’un acier bon marché a été résolu en 1855 par Henry Bessemer avec l’introduction du convertisseur Bessemer dans son aciérie de Sheffield, en Angleterre. D’autres expériences menées par Göran Fredrik Göransson et Robert Forester Mushet ont permis à Bessemer de perfectionner ce qui sera connu sous le nom de procédé Bessemer.
  • Bien qu’au départ Bessemer se soit heurté à des rebuffades et ait été contraint d’entreprendre lui-même l’exploitation de son procédé, les licences ont fini par être demandées en si grand nombre que Bessemer a reçu des redevances dépassant le million de livres sterling. En 1870, l’acier Bessemer est largement utilisé pour les tôles de navires. Le procédé Bessemer permet également aux chemins de fer en acier d’être compétitifs en termes de prix. L’expérience a rapidement prouvé que l’acier avait une résistance et une durabilité bien supérieures et qu’il pouvait supporter les moteurs et les wagons plus lourds et plus rapides.
  • Après 1890, le procédé Bessemer a été progressivement supplanté par la fabrication de l’acier à foyer ouvert. Carl Wilhelm Siemens a développé le four régénératif Siemens dans les années 1850. Ce four fonctionnait à une température élevée en utilisant le préchauffage régénératif du combustible et de l’air pour la combustion. En 1865, Pierre-Émile Martin a pris une licence de Siemens et a utilisé son four à régénération pour fabriquer de l’acier. Le procédé Siemens-Martin était plus lent et donc plus facile à contrôler. Il permettait également de fondre et d’affiner de grandes quantités de ferraille, ce qui réduisait encore les coûts de production de l’acier et recyclait un déchet autrement gênant.
  • Le procédé Siemens-Martin est devenu le principal procédé de fabrication de l’acier au début du XXe siècle. La disponibilité d’un acier bon marché a permis de construire des ponts, des chemins de fer, des gratte-ciel et des navires plus grands. D’autres produits sidérurgiques importants étaient le câble d’acier, la tige d’acier et la tôle d’acier, qui permettaient de fabriquer de grandes chaudières à haute pression et de l’acier à haute résistance à la traction pour les machines. L’équipement militaire s’est également considérablement amélioré.

Termes clés

Deuxième révolution industrielle Phase d’industrialisation rapide dans le dernier tiers du XIXe siècle et au début du XXe, également connue sous le nom de révolution technologique. Bien qu’un certain nombre de ses événements caractéristiques puissent être attribués à des innovations antérieures dans le domaine de la fabrication, telles que l’établissement d’une industrie de la machine-outil, le développement de méthodes de fabrication de pièces interchangeables et l’invention du procédé Bessemer, elle est généralement datée entre 1870 et 1914, jusqu’au début de la Première Guerre mondiale. Procédé Bessemer Premier procédé industriel peu coûteux pour la production de masse d’acier à partir de fonte brute en fusion, avant le développement du four à foyer ouvert. Le principe de base consiste à éliminer les impuretés du fer par oxydation à l’aide d’air soufflé à travers le fer en fusion. L’oxydation augmente également la température de la masse de fer et la maintient en fusion. acier de creuset Terme qui s’applique à l’acier fabriqué par deux méthodes différentes à l’ère moderne et produit dans divers endroits au cours de l’histoire. Il est fabriqué en faisant fondre du fer et d’autres matériaux. Il était produit en Asie du Sud et centrale à l’époque médiévale, mais les techniques de production d’un acier de haute qualité ont été mises au point par Benjamin Huntsman en Angleterre au 18e siècle. Toutefois, le procédé de Huntsman utilisait le fer et l’acier comme matières premières plutôt que la conversion directe à partir de la fonte comme dans le procédé Bessemer ultérieur. La structure cristalline homogène de cet acier moulé a amélioré sa résistance et sa dureté par rapport aux formes d’acier précédentes. cémentation Une technologie obsolète de fabrication de l’acier par carburation du fer. Contrairement à la fabrication moderne de l’acier, elle augmentait la quantité de carbone dans le fer. Elle a apparemment été développée avant le 17e siècle. Le four à acier de Derwentcote, construit en 1720, est l’exemple le plus ancien d’un four utilisant cette technologie. carburation Procédé de traitement thermique dans lequel le fer ou l’acier absorbe du carbone pendant que le métal est chauffé en présence d’une matière carbonée, comme le charbon de bois ou le monoxyde de carbone. L’objectif est de rendre le métal plus dur. Contrairement à la fabrication moderne de l’acier, ce procédé augmentait la quantité de carbone dans le fer.

L’acier est un alliage de fer et d’autres éléments, principalement du carbone, qui est largement utilisé dans la construction et d’autres applications en raison de sa résistance élevée à la traction et de son faible coût. Le métal de base de l’acier est le fer, qui est capable de prendre deux formes cristallines, cubique centrée sur le corps (BCC) et cubique centrée sur la face (FCC), en fonction de sa température. C’est l’interaction de ces allotropes avec les éléments d’alliage, principalement le carbone, qui confère à l’acier et à la fonte leur gamme de propriétés uniques. Dans l’arrangement BCC, il y a un atome de fer au centre de chaque cube, et dans le FCC, il y en a un au centre de chacune des six faces du cube. Le carbone, d’autres éléments et des inclusions dans le fer agissent comme des agents de durcissement qui empêchent le mouvement des dislocations qui se produisent autrement dans les réseaux cristallins des atomes de fer.

L’acier (dont la teneur en carbone est inférieure à celle de la fonte brute mais supérieure à celle du fer forgé) a été produit pour la première fois dans l’Antiquité, mais deux décennies avant la révolution industrielle, une amélioration a été apportée à la production de l’acier, qui était à l’époque une marchandise coûteuse utilisée uniquement là où le fer ne ferait pas l’affaire, comme pour les outils de pointe et les ressorts. Benjamin Huntsman a développé sa technique d’acier en creuset dans les années 1740. Après de nombreuses expériences, Huntsman est parvenu à fabriquer de l’acier moulé satisfaisant dans des creusets en argile, contenant chacun environ 34 livres d’acier blister. Un fondant était ajouté, puis ils étaient couverts et chauffés au coke pendant environ trois heures. L’acier fondu était ensuite coulé dans des moules et les creusets réutilisés. Les fabricants de coutellerie locaux refusaient d’acheter l’acier moulé de Huntsman, car il était plus dur que l’acier allemand qu’ils avaient l’habitude d’utiliser. Pendant longtemps, Huntsman a exporté toute sa production en France. L’acier blister utilisé par Huntsman comme matière première était fabriqué par le procédé de cémentation ou par carburation du fer. La carburation est un procédé de traitement thermique, dans lequel le fer ou l’acier absorbe du carbone pendant que le métal est chauffé en présence d’une matière carbonée, comme le charbon de bois ou le monoxyde de carbone. L’objectif est de rendre le métal plus dur. Contrairement à la fabrication moderne de l’acier, le processus augmentait la quantité de carbone dans le fer.

Seconde révolution industrielle

L’acier est souvent cité comme le premier de plusieurs nouveaux domaines de production industrielle de masse qui caractérisent la seconde révolution industrielle à partir de 1850 environ, bien qu’une méthode de fabrication de masse de l’acier n’ait pas été inventée avant les années 1860 et soit devenue largement disponible dans les années 1870 après que le processus ait été modifié pour produire une qualité plus uniforme.

Avant environ 1860, l’acier était un produit coûteux, fabriqué en petites quantités et utilisé principalement pour les épées, les outils et les couverts. Toutes les grandes structures métalliques étaient en fer forgé ou en fonte. Le problème de la production en masse d’acier bon marché a été résolu en 1855 par Henry Bessemer avec l’introduction du convertisseur Bessemer dans son aciérie de Sheffield, en Angleterre. Dans le procédé Bessemer, la fonte brute en fusion provenant du haut fourneau était chargée dans un grand creuset, et de l’air était soufflé par le bas à travers le fer en fusion, enflammant le carbone dissous du coke. À mesure que le carbone brûlait, le point de fusion du mélange augmentait, mais la chaleur du carbone en combustion fournissait l’énergie supplémentaire nécessaire pour maintenir le mélange en fusion. Une fois que la teneur en carbone de la masse fondue a atteint le niveau souhaité, le tirage d’air est coupé. Un convertisseur Bessemer typique pouvait transformer un lot de 25 tonnes de fonte brute en acier en une demi-heure. Bessemer a fait la démonstration du procédé en 1856 et avait une opération réussie en 1864.

Convertisseur Bessemer, imprimé publié en 1867 en Grande-Bretagne.

Bessemer Bien que le procédé Bessemer ne soit plus utilisé commercialement, à l’époque de son invention, il revêtait une énorme importance industrielle car il abaissait le coût de production de l’acier, ce qui a conduit à substituer largement l’acier à la fonte.L’attention de Bessemer a été attirée sur le problème de la fabrication de l’acier dans le but d’améliorer la construction des canons.

Bessemer a accordé une licence pour le brevet de son procédé à cinq maîtres de forges, mais dès le début, les entreprises ont eu de grandes difficultés à produire un acier de bonne qualité. Göran Fredrik Göransson, un maître de forges suédois, utilisant la fonte au charbon de bois plus pure de ce pays, fut le premier à fabriquer un bon acier par le procédé, mais seulement après de nombreux essais. Ses résultats incitèrent Bessemer à essayer un fer plus pur obtenu à partir de l’hématite de Cumberland, mais il n’eut qu’un succès limité car la quantité de carbone était difficile à contrôler. Robert Forester Mushet, après des milliers d’expériences à Darkhill Ironworks, avait montré que la quantité de carbone pouvait être contrôlée en l’éliminant presque entièrement du fer, puis en ajoutant une quantité exacte de carbone et de manganèse sous forme de spiegeleisen (un alliage de ferromanganèse). Cela améliorait la qualité du produit fini et augmentait sa malléabilité.

Lorsque Bessemer essaya d’inciter les fabricants à adopter son système amélioré, il se heurta à des rebuffades générales et fut finalement poussé à entreprendre lui-même l’exploitation du procédé. Il érigea des aciéries à Sheffield en partenariat commercial avec d’autres, comme W & J Galloway & Sons, et commença à fabriquer de l’acier. Au début, la production est insignifiante, mais progressivement, l’ampleur de l’opération s’accroît jusqu’à ce que la concurrence devienne effective et que les négociants en acier prennent conscience que la firme de Henry Bessemer & Co. les sous-estime de 10 à 15 livres sterling la tonne. Cet argument à la poche eut rapidement son effet, et les licences furent demandées en si grand nombre que, en redevances pour l’utilisation de son procédé, Bessemer reçut une somme dépassant largement le million de livres sterling. En 1870, l’acier Bessemer était largement utilisé pour les tôles de navires. Dans les années 1850, la vitesse, le poids et la quantité du trafic ferroviaire étaient limités par la résistance des rails en fer forgé utilisés. La solution consistait à se tourner vers les rails en acier, que le procédé Bessemer rendait compétitifs en termes de prix. L’expérience a rapidement prouvé que l’acier avait une résistance et une durabilité bien supérieures et pouvait supporter les moteurs et les wagons plus lourds et plus rapides.

Cependant, Mushet n’a rien reçu et, en 1866, il était sans ressources et en mauvaise santé. Cette année-là, sa fille de 16 ans, Mary, se rendit seule à Londres pour affronter Bessemer dans ses bureaux, arguant que son succès était basé sur les résultats du travail de son père. Bessemer décida de verser à Mushet une pension annuelle de 300 £, une somme très considérable, ce qu’il fit pendant plus de 20 ans, peut-être pour préserver les Mushet d’une action en justice.

Après 1890, le procédé Bessemer fut progressivement supplanté par la fabrication de l’acier à foyer ouvert. Sir Carl Wilhelm Siemens a développé le four régénérateur Siemens dans les années 1850 et a affirmé en 1857 récupérer suffisamment de chaleur pour économiser 70 à 80% du combustible. Ce four fonctionnait à une température élevée en utilisant le préchauffage régénératif du combustible et de l’air pour la combustion. Dans le préchauffage régénératif, les gaz d’échappement du four sont pompés dans une chambre contenant des briques, où la chaleur est transférée des gaz aux briques. Le flux du four est ensuite inversé de sorte que le combustible et l’air traversent la chambre et sont chauffés par les briques. Grâce à cette méthode, un four à ciel ouvert peut atteindre des températures suffisamment élevées pour faire fondre l’acier, mais Siemens ne l’utilisait pas initialement à cette fin. En 1865, l’ingénieur français Pierre-Émile Martin a pris une licence de Siemens et a été le premier à utiliser son four à régénération pour la fabrication de l’acier. La caractéristique la plus séduisante du four régénératif de Siemens est la production rapide de grandes quantités d’acier de base, utilisé par exemple pour construire des immeubles de grande hauteur.

Fourneau Siemens de 1895

La caractéristique la plus attrayante du four régénératif de Siemens était la production rapide de grandes quantités d’acier de base, utilisé par exemple pour construire des immeubles de grande hauteur. Grâce à la méthode de Siemens, un four à foyer ouvert pouvait atteindre des températures suffisamment élevées pour faire fondre l’acier, mais Siemens ne l’a pas utilisé initialement pour cela. C’est Martin qui a été le premier à appliquer le four à régénération pour fabriquer de l’acier.

Le procédé Siemens-Martin complétait le procédé Bessemer au lieu de le remplacer. Il était plus lent et donc plus facile à contrôler. Il permettait également de fondre et d’affiner de grandes quantités de ferraille, ce qui réduisait encore les coûts de production de l’acier et recyclait un déchet autrement gênant. Son pire inconvénient était et reste le fait que la fusion et l’affinage d’une charge prennent plusieurs heures. En outre, l’environnement de travail autour d’un four à foyer ouvert était et reste extrêmement dangereux.

Le procédé Siemens-Martin est devenu le principal procédé de fabrication de l’acier au début du 20e siècle. La disponibilité d’un acier bon marché a permis de construire des ponts, des chemins de fer, des gratte-ciel et des navires plus grands. Other important steel products—also made using the open hearth process—were steel cable, steel rod, and sheet steel which enabled large, high-pressure boilers and high-tensile strength steel for machinery, creating much more powerful engines, gears, and axles than were previously possible. With large amounts of steel, it also became possible to build much more powerful guns and carriages, tanks, armored fighting vehicles, and naval ships.

Attributions

  • Steel Production
    • « Carburizing. » https://en.wikipedia.org/wiki/Carburizing. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Industrial Revolution. » https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Second Industrial Revolution. » https://en.wikipedia.org/wiki/Second_Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Benjamin Huntsman. » https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Huntsman. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Crucible steel. » https://en.wikipedia.org/wiki/Crucible_steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Open hearth furnace. » https://en.wikipedia.org/wiki/Open_hearth_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Ferrous metallurgy. » https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrous_metallurgy. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « History of the steel industry (1850–1970). » https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_steel_industry_(1850%E2%80%931970). Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Cementation process. » https://en.wikipedia.org/wiki/Cementation_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Spiegeleisen. » https://en.wikipedia.org/wiki/Spiegeleisen. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Bessemer process. » https://en.wikipedia.org/wiki/Bessemer_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Henry Bessemer. » https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Bessemer. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Steel. » https://en.wikipedia.org/wiki/Steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « Reverberatory furnace. » https://en.wikipedia.org/wiki/Reverberatory_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • « ConverterB.jpg. » https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConverterB.jpg. Wikimedia Commons Public domain.
    • « Siemensmartin12nb.jpg. » https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Siemensmartin12nb.jpg. Wikimedia Commons Public domain.