Sắt rèn

Sắt rèn là một hợp kim của sắt với hàm lượng cacbon rất thấp (dưới 0,08%) so với gang (từ 2% trở lên). Nó là một khối bán nóng chảy của sắt với các bao thể xỉ dạng sợi (tới 2% theo trọng lượng), tạo cho nó một "thớ" tương tự như thớ gỗ, nhìn thấy được khi khắc mòn hay uốn cong tới điểm gãy. Sắt rèn dai, dễ dát mỏng, dễ kéo, chống ăn mòn và dễ hàn.

Trước khi có sự phát triển của các phương pháp sản xuất thép có hiệu quả và sự sẵn có của một lượng lớn thép thì sắt rèn là dạng sắt dễ dát mỏng phổ biến nhất. Nó được gọi là sắt rèn do nó có thể rèn, cán hay bằng các loại hình gia công khác khi đủ nóng để đẩy bật xỉ nóng chảy ra ngoài. Sản phẩm hiện đại tương đương về chức năng của sắt rèn là thép cacbon thấp. Cả sắt rèn lẫn thép cacbon thấp đều không chứa đủ cacbon để có làm cứng bằng nhiệt và tôi.

Sắt rèn có độ tinh khiết cao, với một lượng nhỏ xỉ được rèn dập thành các sợi. Nó chứa khoảng 99,4% sắt theo trọng lượng. Sự hiện diện của xỉ là có lợi cho các hoạt động rèn dập, tạo cho vật liệu cấu trúc dạng sợi duy nhất của nó. Các sợi silicat của xỉ cũng bảo vệ sắt không bị ăn mòn và giảm bớt tác động của mỏi do va đập và rung động gây ra.

Trong quá khứ, một lượng nhỏ sắt rèn được tinh luyện thành thép và được sử dụng chủ yếu để sản xuất kiếm, dao kéo, chàng đục, rìu và các công cụ có lưỡi khác cũng như lò xo và giũa. Nhu cầu về sắt rèn đạt tới đỉnh cao trong thập niên 1860, với nhu cầu cao trong đóng tàu chiến bọc sắt và sử dụng trong đường sắt. Tuy nhiên, do các tính chất như tính giòn của thép cacbon thấp được cải thiện nhờ luyện kim đen tốt hơn cũng như thép trở nên rẻ tiền hơn nhờ quy trình Bessemer và quy trình Siemens-Martin, nên việc sử dụng sắt rèn đã suy giảm.

Nhiều vật phẩm, trước khi được làm từ thép cacbon thấp, đã từng được sản xuất từ sắt rèn, bao gồm đinh rivê, đinh, dây sắt, xích, đường ray, đầu nối toa tàu, ống nước và ống hơi nước, đai ốc, đinh vít và bu lông, móng ngựa, tay vịn, bánh xe, đai buộc vì kèo mái gỗ và các vật trang trí bằng sắt v.v...

Sắt rèn hiện nay không còn được sản xuất ở quy mô thương mại. Nhiều đồ vật được mô tả như là làm từ sắt rèn, như các lan can bảo vệ, bàn ghế ngoài trời và cổng sắt, trên thực tế hiện nay được làm từ thép cacbon thấp. Chúng vẫn giữ lại mô tả đó là do chúng được làm tương tự như những đồ vật mà trong quá khứ được thợ rèn rèn dập thủ công, mặc dù nhiều đồ vật sắt trang trí, như hàng rào và cổng, thường được đúc chứ không phải được rèn.

Thuật ngữ
Trong tiếng Việt, từ "rèn" có thể được viết bằng một số chữ Hán-Việt hay Hán-Nôm như 鍊 (Hán ngữ thượng cổ theo Baxter–Sagart: /*[r]ˤen-s/, theo Thượng Phương: /*ɡ•reːns/) hay 𨮻, 㷙.

Sắt rèn hay thép rèn  là thuật ngữ chung để chỉ vật phẩm làm từ nó, nhưng cũng được sử dụng cụ thể và hẹp hơn để chỉ những vật phẩm do thợ rèn làm ra. Chẳng hạn tại đảo Anh, các hồ sơ hải quan sử dụng thuật ngữ sắt rèn theo nghĩa hẹp, do sản phẩm làm từ sắt rèn chịu thuế cao hơn so với sản phẩm làm từ sắt "không rèn". Không giống như sắt rèn, gang đúc giòn và không thể gia công nóng hay nguội và nó có thể vỡ khi bị đập bằng búa.

Trong các thế kỷ 17-19, sắt rèn được gọi bằng nhiều tên gọi khác nhau, tùy theo hình dạng, nguồn gốc hay chất lượng của nó.

Trong khi phương pháp lò thỏi đúc sản xuất sắt rèn trực tiếp từ quặng, gang đúc hay gang thô là các nguyên liệu đầu vào được sử dụng trong rèn tinh luyện và lò khuấy luyện. Gang thô và gang đúc có hàm lượng cacbon cao hơn so với sắt rèn, nhưng có điểm nóng chảy thấp hơn so với sắt hay thép. Gang đúc và đặc biệt là gang thỏi có lượng xỉ dư thừa cần phải loại bỏ một phần để sản xuất sắt rèn có chất lượng. Tại các xưởng đúc điều thường thấy là phối trộn sắt rèn phế liệu với gang đúc để cải thiện các tính chất vật lý của vật đúc.

Trong vài năm sau khi có sự xuất hiện của thép sản xuất theo phương pháp Bessemer và lò đáy bằng thì có các ý kiến khác nhau về việc điều gì là sự phân biệt sắt với thép; một số người tin rằng nó là thành phần hóa học còn những người khác thì cho rằng điều đó là việc sắt có được nung đủ nóng để chảy ra và "hợp nhất lại" hay không. Sự nóng chảy cuối cùng được chấp nhận rộng rãi là tương đối quan trọng hơn so với thành phần hóa học từ một hàm lượng cacbon thấp nhất định nào đó trở xuống. Một khác biệt khác là thép có thể làm cứng bằng nhiệt luyện.

Trong quá khứ, sắt rèn từng được biết đến như là "sắt tinh khiết thương mại", tuy nhiên nó không còn được coi là như vậy nữa, do các tiêu chuẩn hiện nay về sắt tinh khiết thương mại đòi hỏi phải có hàm lượng cacbon dưới 0,008 % theo trọng lượng.

Loại và hình dáng
Sắt thỏi là thuật ngữ chung đôi khi được sử dụng để phân biệt nó với gang đúc. Nó là tương đương với một thỏi kim loại đúc, với hình dáng thuận tiện cho việc cầm nắm, lưu giữ, vận chuyển và gia công tiếp theo thành các dạng thành phẩm.

Các thỏi sắt rèn thường là sản phẩm của rèn tinh luyện, nhưng không nhất thiết phải được sản xuất bằng quy trình này.
 Sắt thanh – cắt từ sắt thỏi phẳng trong xưởng cắt dọc cung cấp nguyên liệu để làm các que nhọn và đinh.
 Sắt đai – thích hợp để làm đai thùng, được làm bằng cách cho sắt thanh đi qua khuôn máy cán.
 Sắt tấm – các tấm thích hợp để sử dụng làm tôn nồi hơi.
 Sắt tấm đen – các tấm, có lẽ là mỏng hơn sắt tấm, từ công đoạn cán đen của sản xuất sắt tây.
 'Sắt hành trình' – sắt thỏi phẳng hẹp, được sản xuất hay được cắt thành các thỏi có trọng lượng cụ thể, một mặt hàng để buôn bán tại Tây Phi trong buôn bán nô lệ Đại Tây Dương. Số lượng thỏi trên mỗi tấn tăng dần từ 70 mỗi tấn trong thập niên 1660 tới 75–80 thỏi mỗi tấn vào năm 1685 và "gần 92 thỏi mỗi tấn" năm 1731.

Nguồn gốc
 Sắt than củi – cho tới cuối thế kỷ 18, sắt rèn được nấu luyện từ quặng sắt bằng cách sử dụng than củi trong quy trình lò thỏi đúc. Sắt rèn cũng được sản xuất từ gang thỏi sử dụng rèn tinh luyện hay trong lò Lancashire. Kim loại tạo thành có độ biến động cao cả về thành phần hóa học lẫn hàm lượng xỉ.
 Sắt khuấy luyện - Khuấy luyện là quy trình quy mô lớn đầu tiên để sản xuất sắt rèn. Trong quy trình khuấy luyện, gang thô được tinh chế trong lò phản xạ để ngăn ô nhiễm sắt với lưu huỳnh trong than hay than cốc. Gang thô nóng chảy được khuấy thủ công để sắt tiếp xúc với oxy trong không khí nhằm mục đích khử carbide cho sắt. Trong quá trình khuấy sắt lỏng, các cục sắt rèn được thu thập dưới dạng cục hình cầu bằng que khuấy hay gậy khuấy và chúng được thợ khuấy luyện lấy ra định kỳ. Khuấy luyện được cấp bằng sáng chế năm 1784 và được sử dụng rộng rãi sau năm 1800. Vào năm 1876, sản lượng sắt khuấy luyện hàng năm chỉ tại Vương quốc Anh đã trên 4 triệu tấn. Vào khoảng thời gian đó, lò đáy bằng đã có thể sản xuất thép với chất lượng phù hợp cho các mục đích kết cấu và sản xuất sắt rèn bắt đầu suy giảm.
 Sắt Öregrund – một loại sắt thỏi có độ tinh khiết cao sản xuất từ quặng sắt khai thác từ mỏ Dannemora ở Thụy Điển. Sử dụng quan trọng nhất của nó là làm liệu thô trong quy trình xementit trong sản xuất thép.
 Sắt Danks – sắt nguyên được nhập khẩu vào đảo Anh từ Gdańsk, nhưng trong thế kỷ 18 có lẽ nó là một loại sắt (từ miền đông Thụy Điển) mà một thời bắt nguồn từ Gdańsk.
 Sắt rừng – sắt từ rừng Dean ở Anh, nơi quặng hematit cho phép sản xuất sắt rèn đủ dai.
 Sắt Lukes – sắt nhập khẩu từ Liège, với tên tiếng Hà Lan của nó là "Luik".
 Sắt Ames hay sắt Amys – một loại sắt khác nhập khẩu vào Anh từ tây bắc châu Âu. Nguồn gốc của nó được cho là Amiens, nhưng dường như nó đã được nhập khẩu từ Vlaanderen trong thế kỷ 15 và muộn hơn là từ vùng Hà Lan, gợi ý về nguồn gốc trong thung lũng sông Rhein. Tuy nhiên, nguồn gốc của nó vẫn còn là điều gây tranh cãi.
 Sắt Botolf hay sắt Boutall – từ Bytów (thuộc Gdańsk Pomerania) hay Bytom (thuộc Śląskie), Ba Lan.
 Sắt chồn (hay sắt chồn già) – sắt có chứa nhãn hiệu (là một con chồn zibelin) của các nhà sản xuất sắt thuộc dòng họ Demidov ở Nga, một trong những nhãn hiệu sắt Nga tốt nhất.

Chất lượng
 Sắt dai: Sắt không giòn và đủ bền để sử dụng làm công cụ.
 Sắt phối trộn: Được sản xuất từ phối trộn các loại gang thô khác nhau.
 Sắt tốt nhất: Sắt được gia công qua vài công đoạn xếp chồng và cán để đạt được chất lượng được coi là tốt nhất (trong thế kỷ 19).
 Sắt thỏi dán nhãn: Được các thành viên của Marked Bar Association sản xuất và đánh dấu bằng nhãn hiệu của nhà sản xuất như là dấu hiệu về chất lượng của nó.

Nhược điểm
Sắt rèn là dạng sắt thương mại chứa dưới 0,10% cacbon, dưới 0,25% tổng các tạp chất khác như lưu huỳnh, phosphor, silic và mangan, và dưới 2% xỉ theo trọng lượng.

Sắt rèn bị giòn nóng hay giòn đỏ nếu nó chứa quá nhiều lưu huỳnh. Nó có độ dai vừa đủ khi nguội, nhưng bị nứt khi uốn cong hay khi được hoàn thiện ở mức nhiệt độ nóng đỏ. Sắt giòn nóng được coi là không thể tiêu thụ được.

Sắt giòn nguội, còn được biết đến như là sắt đứt nguội, sắt gãy nguội, là sắt chứa quá nhiều phosphor. Nó rất giòn khi nguội và bị nứt khi bị uốn cong. Tuy nhiên nó có thể gia công ở nhiệt độ cao. Trong quá khứ, sắt giòn nguội từng được coi là có chất lượng đủ để sản xuất đinh.

Phosphor không nhất thiết là có hại cho sắt. Các lò rèn Cận Đông cổ đại không thêm vôi vào lò của họ. Sự thiếu vắng calci oxit trong xỉ và sử dụng có chủ ý các loại gỗ chứa nhiều phosphor trong quá trình nấu luyện đã tạo ra hàm lượng phosphor thường ở mức < 0,3%, cao hơn so với sắt thép hiện đại (< 0,02-0,03%). Phân tích cột sắt Delhi cho thấy hàm lượng phosphor là 0,11% trong sắt. Xỉ bao gồm trong sắt rèn cũng truyền cho nó khả năng chống ăn mòn.

Sự hiện diện của phosphor (không có cacbon) tạo ra loại sắt dẻo thích hợp cho kéo rút dây để làm dây đàn piano.

Lịch sử
Thế giới phương Tây
nhỏ|Quy trình khuấy luyện trong nấu luyện quặng sắt để sản xuất sắt rèn từ gang thô, với hình bên phải minh họa thợ đang vận hành lò cao, trong bách khoa thư Thiên công khai vật của Tống Ứng Tinh (宋應星,1587–1666), in năm 1637.

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.

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.

Trung Quốc
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. 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. 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. 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 oxy hóa. 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.

Phương pháp lò thỏi đúc

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.

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.

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. 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, và gần Garstang ở Anh cho tới khoảng năm 1770; nó còn được sử dụng với luồng thổi nóng ở New York trong thập niên 1880. 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.

Quy trình Osmond

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 oxy hóa thành phần cacbon trong nó.H. R. Schubert, History of the British Iron and Steel Industry from 450 BC to AD 1775. Routledge and Kegan Paul, London, 1957. tr 299–304. Cục sản phẩm hình cầu thường được rèn thành sắt thỏi trong xưởng rèn búa.

Quy trình tinh luyện

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.A. den Ouden, 'The production of wrought iron in Finery Hearths' Historical Metallurgy 15(2): 63–87 (năm 1981) và 16(1): 29–32 (năm 1982).

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.

Nồi nung và dập vỡ
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. Một quy trình khác được anh em nhà Cranage phát triển cho công ty Coalbrookdale. Một quy trình quan trọng khác là của John Wright và Joseph Jesson ở West Bromwich.

Phương pháp khuấy luyện

nhỏ|Bản vẽ phác họa lò khuấy luyện
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.R. A. Mott (P. Singer biên tập), Henry Cort, The Great Finer. The Metals Society, London, 1983. 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 oxy hóa như hematit và sắt oxit. 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, thông qua các cửa làm việc. Không khí, sự khuấy đảo và "sự sôi" của kim loại giúp các tác nhân oxy hóa nói trên oxy hóa các tạp chất và rút cacbon ra khỏi gang thô. Các tạp chất bị oxy 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.

Đánh xỉ

Vẫn còn một ít xỉ đọng lại trong các cục sắt khuấy luyện, vì thế khi còn nóng thì chúng phải được đánh xỉ để loại bỏ phần xỉ sót lại và cứt sắt. 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. 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.

Cán

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 hay thỏi khuấy luyện. 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. 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.

Quy trình Lancashire

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.

Phương pháp Aston
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. 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.

Suy giảm
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, phosphor dư thừa nhiệt độ quá cao trong quá trình cán hoặc tốc độ cán quá nhanh. 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.

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. Tại Hoa Kỳ, nhà máy sắt rèn cuối cùng đã đóng cửa vào năm 1969. 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. 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.

Tính chất
nhỏ|Cấu trúc tế vi của sắt rèn, chỉ ra các thể bao xỉ sẫm màu trong ferrit.

Các thể bao xỉ hay sợi xỉ trong sắt rèn tạo cho nó những tính chất không có ở các dạng khác của kim loại sắt. Có khoảng 250.000 sợi xỉ trên mỗi inch vuông. Vết gẫy mới cho thấy màu ánh lam rõ ràng với ánh lụa mượt và bề ngoài dạng sợi.

Sắt rèn chứa quá ít cacbon để có thể làm cứng bằng nhiệt luyện, nhưng trong các khu vực mà thép là không phổ biến hay không được biết đến thì các công cụ đôi khi được gia công nguội (vì thế gọi là sắt nguội) nhằm làm cứng chúng. Một ưu thế của hàm lượng cacbon thấp là khả năng hàn tuyệt vời của nó. Ngoài ra, các tấm sắt rèn không thể uốn cong nhiều như các tấm thép (khi gia công nguội). Sắt rèn có thể nung chảy và đúc, tuy nhiên sản phẩm không còn là sắt rèn nữa, do các sợi xỉ đặc trưng của sắt rèn biến mất khi nung chảy, vì thế sản phẩm là tương tự như thép Bessemer đúc không tinh khiết. Sắt rèn không có ưu thế công nghệ nào khi so sánh với gang đúc hay thép, do chúng đều rẻ hơn.

Do các biến động về nguồn gốc quặng sắt và trong sản xuất sắt, nên sắt rèn có thể tốt hơn hoặc kém hơn các hợp kim sắt khác khi so về khả năng chống ăn mòn.Hudson J. C., 1931–1943, Reports of the Corrosion Committee's Field Tests, Iron and Steel institute. Có nhiều cơ chế phía sau khả năng chống ăn mòn đó. Chilton và Evans thấy rằng các dải làm giàu niken làm giảm sự ăn mòn.Chilton & Evens, Journal of the Iron and Steel Institute, 1955 Họ cũng nhận thấy rằng trong sắt khuấy luyện, sắt rèn và sắt xếp chồng thì việc gia công kim loại làm phân tán các tạp chất đồng, niken và thiếc, tạo ra các điều kiện điện hóa làm chậm sự ăn mòn. Các thể bao xỉ được chứng minh là phân tán sự ăn mòn thành một màng phẳng, cho phép sắt chống lại rỗ mòn. Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng các thể bao xỉ là các con đường dẫn tới sự ăn mòn.Harvey L., 1996. The role of Slag Inclusions in the corrosion of wrought iron, luận văn tại Đại học Bradford. Các nghiên cứu khác chỉ ra rằng tạp chất lưu huỳnh trong sắt rèn làm giảm khả năng chống ăn mòn, nhưng phosphor lại làm tăng khả năng này. Các môi trường với nồng độ ion chloride cao cũng làm giảm khả năng chống ăn mòn của sắt rèn.

Sắt rèn có thể hàn theo kiểu giống như đối với thép cacbon thấp, nhưng sự có mặt của oxit hay các thể bao sẽ tạo ra các kết quả khiếm khuyết. Vật liệu này có bề mặt thô nhám nên nó có thể giữ các lớp mạ hay tráng phủ tốt hơn. Chẳng hạn, lớp kẽm mạ hoàn thiện trên sắt rèn thường dày hơn 25–40% so với lớp kẽm mạ hoàn thiện trên thép. Trong Bảng 1 dưới đây, thành phần hóa học của sắt rèn được so sánh với thành phần hóa học của gang thô và thép cacbon. Mặc dù thoạt nhìn thì thành phần hóa học của sắt rèn và thép cacbon thường là tương tự, nhưng điều này là đánh lừa. Phần lớn mangan, lưu huỳnh, phosphor và silic hợp lại trong các sợi xỉ có trong sắt rèn, vì thế trên thực tế thì sắt rèn tinh khiết hơn so với thép cacbon thường.

+Bảng 1: So sánh thành phần hóa học của gang thô, thép cacbon thường và sắt rèn Vật liệu  Sắt  Cacbon  Mangan  Lưu huỳnh  Phosphor  Silic Gang thô  91–94  3,5–4,5  0,5–2,5  0,018–0,1  0,03–0,1  0,25–3,5 Thép cacbon  98,1–99,5  0,07–1,3  0,3–1,0  0,02–0,06  0,002–0,1  0,005–0,5 Sắt rèn  99–99,8  0,05–0,25  0,01–0,1  0,02–0,1  0,05–0,2  0,02–0,2 Tất cả các đơn vị tính theo phần trăm trọng lượng.Nguồn:

+ Bảng 2: Thuộc tính của sắt rèn Thuộc tính  Giá trị Cường độ kéo tới hạn (psi/MPa)34.000–54.000/234–372 Cường độ nén tới hạn (psi/MPa)34.000–54.000/234–372 Cường độ chống cắt tới hạn (psi/MPa)28.000–45.000/193–310 Độ bền chảy (psi/MPa)23.000–32.000/159–221 Suất đàn hồi (kéo căng) (psi/MPa)28.000.000/193.100 Điểm nóng chảy (°F/°C)2.800/1.540Tỷ trọng riêng7,6–7,97,5–7,8

Trong số các tính chất khác của nó, sắt rèn trở thành mềm khi nóng đỏ, dễ rèn và hàn rèn. Nó có thể được sử dụng để tạo các nam châm tạm thời, nhưng không thể từ hóa vĩnh cửu, và là dẻo, dễ uốn và dai.

Độ dẻo
Đối với phần lớn các mục đích thì độ dẻo là đo lường quan trọng hơn về chất lượng của sắt rèn so với cường độ kéo. Tong thử nghiệm kéo, các loại sắt tốt nhất có thể trải qua sự kéo dài đáng kể trước khi đứt gãy. Tuy nhiên, sắt rèn độ bền kéo cao lại giòn.

Do một lượng lớn các vụ nổ nồi hơi trên các tàu thủy hơi nước, Quốc hội Hoa Kỳ đã ban hành luật vào năm 1830 để phê chuẩn các quỹ phục vụ cho việc sửa chữa vấn đề này. Ngân khố đã trao một hợp đồng trị giá $1.500 cho Viện Franklin để tiến hành nghiên cứu. Là một phần của nghiên cứu này, Walter R. Johnson và Benjamin Reeves đã tiến hành các thử nghiệm cường độ trên các loại sắt nồi hơi khác nhau bằng việc sử dụng thiết bị thử nghiệm mà họ chế tạo năm 1832 dựa theo thiết kế của một thiết bị của Lagerhjelm tại Thụy Điển. Thật không may, do hiểu sai về cường độ kéo và độ dẻo nên công việc của họ đã không làm được gì nhiều để giảm các hư hỏng nồi hơi.

Tầm quan trọng của độ dẻo được một số người công nhận từ rất sớm trong phát triển các nồi hơi ống, như trong bình luận của Thurston:

Các điều tra khác nhau trong thế kỷ 19 về các vụ nổ nồi hơi, đặc biệt là do các công ty bảo hiểm tiến hành, đã tìm thấy các nguyên nhân phổ biến nhất là kết quả của việc vận hành nồi hơi trên ngưỡng áp suất an toàn, hoặc là do để thu được nhiều năng lượng hơn hoặc là do các van giảm áp nồi hơi có khuyết tật và các khó khăn trong việc thu được chỉ số có thể tin cậy về áp suất và mức nước. Gia công chế tạo nồi hơi kém cũng là một vấn đề phổ biến. Bên cạnh đó, độ dày của sắt trong các trống hơi nước là thấp theo các tiêu chuẩn hiện đại.

Vào cuối thế kỷ 19, khi các nhà luyện kim hiểu tốt hơn về việc những tính chất và quy trình nào để làm ra sắt tốt thì nó đã đang trong quá trình bị thép thay thế. Bên cạnh đó, các nồi hơi hình trụ cũ với các ống lửa đã bị thay thế bằng các nồi hơi ống nước về bản chất nội tại là an toàn hơn.

Độ tinh khiết
Năm 2010 tiến sĩ Gerry McDonnell chứng minh bằng phân tích rằng thỏi sắt rèn từ nấu luyện truyền thống ở Anh, có thể gia công thành sắt độ tinh khiết 99,7% mà không có dấu vết của cacbon. Người ta cũng tìm thấy rằng các sợi xỉ phổ biến với các loại sắt rèn khác lại không có trong sắt rèn ở Anh, điều này làm cho nó rất dễ uốn đối với nghề rèn để gia công nóng hay nguội.

Ứng dụng
Đồ đạc bằng sắt rèn có lịch sử lâu đời, từ thời La Mã cổ đại. Tu viện Westminster ở London có những chiếc cổng sắt rèn từ thế kỷ 13. Độ phổ biến của đồ đạc bằng sắt rèn dường như đã đạt đỉnh cao tại Anh trong thế kỷ 17, dưới thời trị vì của William III và Mary II. Tuy nhiên, gang đúc và thép rẻ tiền hơn đã làm cho sản xuất sắt rèn dần dần suy giảm; xưởng sản xuất sắt rèn cuối cùng ở Anh đã đóng cửa vào năm 1974.

Sắt rèn cũng từng được sử dụng để làm ra những đồ vật trang trí trong nhà, như các loại giá để đồ đạc, để rượu vang, để nồi niêu xoong chảo, bàn, ghế, cổng, giường, chân nến, thanh treo rèm.

Phần lớn sắt rèn sẵn có ngày nay là từ các vật liệu tái sinh. Các cầu cũ và dây xích mỏ neo là nguồn chính. Khả năng chống ăn mòn tốt của sắt rèn là do các tạp chất gốc silic (có tự nhiên trong quặng sắt), cụ thể là silicat sắt (III).

Sắt rèn trong nhiều thập kỷ từng là tên gọi chung trong sản xuất cổng và hàng rào, mặc dù thép cacbon thấp là vật liệu được sử dụng để làm ra các cổng "sắt rèn" này. Điều này chủ yếu là do nguồn cung sắt rèn thật sự là rất hạn chế. Thép cũng có thể được mạ kẽm nhúng nóng để ngăn chặn sự ăn mòn, nhưng điều này lại không thể thực hiện được với sắt rèn.

Xem thêm
 Gang đúc
 Gang thô
 Bán thép đúc

Ghi chú

Tham khảo

Đọc thêm




 Liên kết ngoài 


Thể loại:Cấu kiện kiến trúc
Thể loại:Vật liệu xây dựng
Thể loại:Phát minh của Trung Quốc
Thể loại:Nhà Hán
Thể loại:Đồ sắt
Thể loại:Gia công kim loại
Thể loại:Thành phần kiến trúc
Thể loại:Hợp kim của sắt
Thể loại:Sắt
Thể loại:Kỹ thuật làm đồ sắt
Thể loại:Gia công cơ khí