Μεταλλουργία, Χάλυβας

Η ανάπτυξη των σιδηροδρομικών δικτύων και της ατμοπλοΐας στην Ευρώπη και την Αμερική δεν θα ήταν δυνατή χωρίς την ευχέρεια για μαζική παραγωγή σιδήρου και χάλυβα. Η εξόρυξη του μεταλλεύματος ήταν μια γνωστή από πολλούς αιώνες διαδικασία και είχε τυποποιηθεί σε μεγάλο βαθμό. Κατά το 19ο αιώνα μετατρεπόταν το σιδηρομετάλλευμα μέσω μιας διεργασίας δύο βαθμίδων σε ενδιάμεσο προϊόν για την τροφοδοσία χυτηρίων. Ο σίδηρος που παραγόταν κατά την πρώτη βαθμίδα από την κάμινο τήξεως περιείχε μεγάλη ποσότητα άνθρακα, κυρίως από την καύσιμη ύλη (γαιάνθρακας, κοκ) που απαιτείται για την τήξη του μεταλλεύματος. Το παραγόμενο προϊόν (χυτοσίδηρος) είναι σκληρό αλλά εύθραυστο. Έτσι, πρέπει να απομακρυνθεί ο άνθρακας ώστε να απομείνει καθαρός αλλά μαλακός σίδηρος, πράγμα που επιτυγχανόταν με την καύση του άνθρακα με παροχή οξυγόνου και ισχυρή θέρμανση. Στη συνέχεια, στη δεύτερη βαθμίδα επεξεργασίας, πρέπει να προστεθεί συγκεκριμένη ποσότητα άνθρακα, ώστε να διαθέτει ο παραγόμενος χυτοχάλυβας την επιθυμητή σκληρότητα. Αυτή η διαδικασία ήταν πολύπλοκη και πολυδάπανη και γι’ αυτό το κόστος των χαλύβδινων προϊόντων υψηλό. Το 1746 είχε αναπτύξει ο Benjamin Huntsman (Χάντσμαν, 1704-1766) στο Sheffield μέθοδο παραγωγής χυτοχάλυβα, στην οποία χρησιμοποιείτο ένα μίγμα σκόνης άνθρακα. Έτσι έγιναν τα χαλυβουργεία του Sheffield πρωτοπόρα στην παραγωγή φθηνού χάλυβα υψηλής μηχανικής αντοχής. Μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα διαδόθηκε όμως αυτή η μέθοδος σε όλη την Ευρώπη και Αμερική, κυρίως μέσω βιομηχανικής κατασκοπείας, κι έτσι όλοι οι κατασκευαστές ατμομηχανών, οχημάτων, σιδηροτροχιών και εργαλειομηχανών είχαν στη διάθεσή τους χυτοχάλυβα υψηλής ποιότητας.  Στα μέσα του 19ου αιώνα καθιερώθηκαν οι πρώτοι τύποι χάλυβα και οι μέθοδοι ελέγχου της αντοχής τους. Αυτές οι τυποποιήσεις προκάλεσαν και σημαντικές αντιπαραθέσεις μεταξύ χαλυβουργών, κυρίως Γερμανών και Αμερικάνων, όπως συμβαίνει κατά κανόνα με όλες τις τυποποιήσεις βιομηχανικών προϊόντων. Κύριο πρόβλημα κατά την τυποποίηση του χάλυβα ήταν να αντιμετωπιστεί με χαμηλό κόστος ο αυξανόμενος αριθμός αστοχιών του υλικού, όπως εκρήξεις λεβήτων, θραύσεις αξόνων και σιδηροτροχιών κ.ά.  Οι Γερμανοί παραγωγοί επιθυμούσαν να προσδιορίζονται οι ποιότητες χάλυβα από την αντοχή σε εφελκυσμό και τίποτα επιπλέον. ‘Αλλα τυποποιητικά χαρακτηριστικά, όπως η περιεκτικότητα σε άνθρακα ή η καταλληλότητα για ηλεκτροσυγκολλήσεις απορρίπτονταν. Οι Αμερικάνοι, από την άλλη πλευρά ενδιαφέρονταν κυρίως να καθιερωθεί ο χαρακτηρισμός των τύπων του χάλυβα σύμφωνα με την περιεκτικότητα σε άνθρακα.

Ο Βρετανός μηχανολόγος και μεταλλουργός Henry Bessemer (Μπέσεμερ, 1813-1898) αναζητούσε μια λιγότερο δαπανηρή μέθοδο για την απομάκρυνση του άνθρακα από το χυτοσίδηρο και την βρήκε το έτος 1855, καταρχάς θεωρητικά, με τη διοχέτευση αέρα ή και οξυγόνο μέσα από τον ρευστό σίδηρο. Αυτός ο συνδυασμός αέρα και άνθρακα του σιδήρου, οδηγούσε σε αύξηση της θερμοκρασίας και όχι σε μείωση, όπως θα πίστευε κάποιος ανυποψίαστος. Το οξυγόνο του αέρα δεσμεύει τον άνθρακα του σιδήρου και δημιουργεί μονοξείδιο (CO), το οποίο καίγεται και διατηρεί υψηλά τη θερμοκρασία. Με έλεγχο του χρώματος του λιωμένου σιδήρου μπορούσε ο εργοδηγός να ελέγξει, πότε είχε ολοκληρωθεί η καύση του άνθρακα, ώστε να διακόψει τη διεργασία. Έτσι, δεν χρειαζόταν να αφαιρεθεί ολοκληρωτικά ο άνθρακας και να προστεθεί στη συνέχεια η απαιτούμενη ποσότητά του με μια χρονοβόρα διαδικασία, ώστε να καταλήξει ο μεταλλουργός στην επιθυμητή ποιότητα χυτοχάλυβα: η αφαίρεση έφτανε μέχρις εκείνου του σημείου ώστε να παραμένει στο λιωμένο υλικό η επιθυμητή ποσότητα άνθρακα. Οι δύο διαδικασίες είχαν ενοποιηθεί σε μία. Καταρχάς πρέπει να σημειωθεί ότι η εμφύσηση αέρα σε λιωμένο σίδηρο δεν είναι μια απλή διαδικασία, όσο εύκολα περιγράφεται. Απαιτούνται ισχυρές δυνάμεις και υλικά με ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Γι’ αυτό το σκοπό κατασκευάζονταν στο εξής ειδικές ατμομηχανές. Πέρα από αυτό, ενώ τα πειράματα στο εργαστήριο έδιναν πολύ καλά αποτελέσματα, η εφαρμογή της μεθόδου Μπέσεμερ σε πραγματικές συνθήκες κατέληξε σε ακατάλληλο προϊόν.Το μυστικό ήταν ότι ο Μπέσεμερ είχε χρησιμοποιήσει στα πειράματά του σουηδικό σιδηρομετάλλευμα, ενώ στην παραγωγή ήταν διαθέσιμο μόνο βρετανικό μετάλλευμα, το οποίο έχει υψηλή περιεκτικότητα σε φωσφόρο που επηρέαζε αρνητικά το αποτέλεσμα. Η λύση σ’ αυτό το πρόβλημα δόθηκε από τους εξαδέλφους μεταλλουργούς S. G. Thomas και P. C. Gilchrist, οι οποίοι υπέδειξαν να επενδυθούν τα δοχεία τήξης του σιδήρου με ασβεστολιθικό τοίχωμα. Αυτό οδήγησε σε άριστα αποτελέσματα και γρήγορα άρχισαν να κατασκευάζονται υψικάμινοι Bessemer σε όλες τις χαλυβουργίες. Όπως συμβαίνει συχνά με τις έρευνες και εφευρέσεις σε μια ανοικτή κοινωνία, με τη δημοσιοποίηση της τεχνικής Μπέσεμερ παρουσιάστηκε ένα μεταλλουργός με όνομα Kelly από τις ΗΠΑ, ο οποίος είχε λάβει εκεί σχετική έγκριση ευρεσιτεχνίας πέντε χρόνια πριν από τον Μπέσεμερ, χωρίς όμως να αντιληφθεί την τεχνική και οικονομική σημασία της επινοήσεώς του. Πιθανότατα ο Κέλυ δεν είχε τις κατάλληλες επαφές με τη χαλυβουργία, ώστε να του δοθεί η ευκαιρία να δοκιμάσει την ιδέα του. Σ’ αυτό το διάστημα ο Μπέσεμερ είχε γίνει ήδη πάμπλουτος με τη δική του ευρεσιτεχνία, οπότε ικανοποίησε τον Αμερικάνο ανταγωνιστή του με κάποιο ικανοποιητικό χρηματικό ποσό, εξαγοράζοντας την ευρεσιτεχνία του.

Ο Jacob Mayer (Μάγιερ, 1813-1875) παρήγαγε χυτοχάλυβα από το 1842 και μετά από οκτώ περίπου χρόνια προσέφερε τα προϊόντα του στις βιομηχανίες της μηχανολογίας σε διάφορες μορφές (ράβδους, σιδηροτροχιές κ.ά.) με χρήση κατάλληλων καλουπιών. Ο Alfred Krupp (Κρουπ, 1812-1887) στο Essen παρήγαγε επίσης όμοια προϊόντα αλλά μετά από εξέλαση (μηχανική επεξεργασία). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποίησε ο Κρουπ από το 1860 μία ειδική μονάδα εξελάσεως χυτοχάλυβα. Η εύρυθμη παραγωγή σ’ αυτές τις μονάδες παραγωγής προϊόντων χυτοσιδήρου απαιτούσε, μέσα σε περιβάλλον πολύ υψηλής θερμοκρασίας και εκκωφαντικών θορύβων, μεγάλη πειθαρχία και ετοιμότητα του εργατικού δυναμικού, ώστε η χύτευση και εξέλαση των προϊόντων να πραγματοποιείται σε περίπου σταθερές θερμοκρασίες και να μην επηρεάζεται η ποιότητα. Η εμπορική επιτυχία αυτών των βιομηχανιών ήταν συνέπεια του βαθμού αποδοχής των μέτρων πειθαρχίας από το προσωπικό, για το οποίο είχε προβλεφτεί κατάλληλη εκπαίδευση.  Ο Robert F. Mushet (Μάσετ, 1811-1891) ήταν από τους σημαντικότερους μεταλλουργούς της Βρετανίας, όπως και ο πατέρας του εξ άλλου και συνέβαλλε σημαντικά στην ανάπτυξη της μεθόδου Bessemer. Επίσης ανακάλυψε με συνεχείς δοκιμές διάφορα πρόσθετα υλικά, τα οποία σε μικροποσότητες βελτίωναν τα χαρακτηριστικά του χυτοχάλυβα. Τέτοια κράματα χάλυβα περιείχαν τιτάνιο, βολφράμιο, μαγκάνιο, χρώμιο κ.ά., με αποτέλεσμα να πετυχαίνονται κατά περίπτωση μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, οξείδωση, εφελκυσμό κλπ. Από αυτά τα πρόσθετα σημαντικότερο ρόλο έπαιξε το μαγκάνιο (Mn), το οποίο δέσμευε υπόλοιπα οξυγόνου και έτσι δεν δημιουργούνταν φυσαλίδες στο χυτοχάλυβα.  Επίσης σημαντικό ρόλο στις μελέτες και τα πειράματα για την παραγωγή και επεξεργασία του χυτοχάλυβα έπαιζε η διαδικασία σκλήρυνσης (βαφή), η οποία γινόταν, άλλοτε με σταδιακή ψύξη στον αέρα, άλλοτε με εμβάπτιση σε νερό ή λάδι και άλλοτε με ενδιάμεσες θερμικές επεξεργασίες (χαλάρωση κ.ά.) Το έτος 1883 πειραματίστηκε ο Βρετανός μεταλλουργός Robert A. Hadfield (Χάτφιλντ, 1858-1940) με μεγάλες προσμίξεις μαγγανίου στο χυτοχάλυβα, μέχρι 12%. Όταν στη συνέχεια θέρμαινε το κράμα στους 1000 οC έπαυε αυτό να είναι εύθραυστο, αλλά με ψύξη σε ειδικό λουτρό βαφής, γινόταν ιδιαίτερα σκληρό. Έτσι κατάφερε ο Χάτφιλντ να κατασκευάσει με το κράμα του σιδηροδρομικές τροχιές, οι οποίες είχαν διάρκεια ζωής άνω των 20 ετών, ενώ οι μέχρι τότε χρησιμοποιούμενες δεν έφταναν τον ένα χρόνο. Με τον χάλυβα Hadfield άρχισε η εποχή των κραμάτων με διάφορες προσμίξεις και συνδυασμούς.  Στις ΗΠΑ αναπτύχθηκε σημαντικά η χαλυβουργία κατά την επέκταση του σιδηροδρομικού δικτύου προς τη Δύση της χώρας (Far West). Επειδή δε δεν επαρκούσε η αμερικάνικη παραγωγή, κυρίως αυτή των μεγάλων χαλυβουργείων του Pittsburgh, γίνονταν εισαγωγές από την Ευρώπη, το έτος 1860 περί τους 20.000 τόνους. Ο εμφύλιος πόλεμος βορείων-νοτίων (1861-1865) και η επακόλουθη ανοικοδόμηση των κατεστραμμένων γεφυρών, σιδηροδρομικών γραμμών κλπ. δημιούργησε νέα αύξηση στη ζήτηση χαλυβουργικών προϊόντων, οπότε η πολιτική ηγεσία κατέφυγε στη λύση της βελτίωσης της παραγωγής με εισαγωγή τεχνογνωσίας και δεξιοτήτων.

Ματιά σε σύγχρονο χυτήριο Οι βιομήχανοι προσέλκυσαν 'Αγγλους χαλυβουργούς από το Sheffield, οι οποίοι είχαν μεν σημαντικές δεξιότητες και γνώσεις, αλλά τελείως διαφορετική εργασιακή νοοτροπία. Οι μετανάστες είχαν συνηθίσει στην Αγγλία σε ρυθμούς εργασίας με «τσαγκαροδευτέρα», αυξημένο αριθμό αργιών, πολλά διαλείμματα (tea time), μειωμένη ετοιμότητα για προσαρμογή στις εντολές των εργοδηγών κ.ά. Ήδη εκείνη την εποχή γινόταν εύκολα αντιληπτό το διαφορετικό κλίμα εργασίας μεταξύ των αμερικάνικων και των ευρωπαϊκών βιομηχανικών μονάδων. Στις ΗΠΑ κυριαρχούσαν συνθήκες αυστηρής πειθαρχίας, ενιαίας ένδυσης του προσωπικού και αναντίρρητης υπακοής στις εντολές των προϊσταμένων. Ένας από τους γνωστότερους εργοδηγούς στο χαλυβουργείο Edgar-Thomson του Pittsburgh, ο R. Jones, είχε γίνει διαβόητος στους εργαζόμενους και περιζήτητος στους βιομηχάνους για τις σκληρές μεθόδους επιβολής που είχε εισαγάγει στους χώρους εργασίας. Η εταιρία του είχε το έτος 1880 κέρδη περί τα 1,6 εκατομμύρια δολάρια και θεωρείται ότι η συμβολή του Jones σ’ αυτά τα κέρδη ήταν σημαντική. Ο συγκεκριμένος εργοδηγός είχε άδοξο τέλος, όταν περιλούστηκε με ρευστό σίδηρο και σκοτώθηκε μαζί με πολλούς άλλους εργάτες κατά την έκρηξη ενός κάδου, ο οποίος φαίνεται ότι δεν άντεξε στις εντατικές μεθόδους του Jones. Το πείραμα με την εισαγωγή 'Αγγλων εργατών κατέληξε λοιπόν σε αποτυχία.  Το έτος 1856 δήλωσαν οι αδελφοί Friedrich και Wilhelm-William Siemens μία ευρεσιτεχνία για υψικάμινο με πολύ υψηλές θερμοκρασίες μέσω προθέρμανσης αερίου και αέρα που διοχετεύεται στο ρευστό σίδηρο. Η μέθοδός τους δεν ήταν δυνατόν όμως να λειτουργήσει σε πραγματικές συνθήκες, γιατί στους 1600 oC άρχιζαν να λιώνουν τα τοιχώματα της υψικαμίνου. Η μέθοδος αυτή αποδείχθηκε όμως επιτυχής για την κατασκευή γυαλιού με αποτέλεσμα να γίνει ο Friedrich Siemens ο μεγαλύτερος παραγωγός γυαλιού στην Ευρώπη. Την ίδια εποχή πειραματίζονταν οι Pierre και Emile Martin, πατέρας και γιος πάνω στην ευρεσιτεχνία των αδελφών Siemens και πέτυχαν να κατασκευάσουν υψικάμινο με ανθεκτικά τοιχώματα. Στην παγκόσμια έκθεση του Παρισιού το έτος 1867 παρουσιάστηκε χάλυβας άριστης ποιότητας που είχε παραχθεί με τη μέθοδο Siemens-Martin. Η μέθοδος αυτή διαθόθηκε σε όλο τον κόσμο και χρησιμοποιείτο για περισσότερα από 100 χρόνια, μέχρι τη δεκαετία του 1980, οπότε αντικαταστάθηκε με άλλες νεότερες και αποδοτικότερες.