המהפכה התעשייתית
התפתחות טכנולוגית > תעשיית הברזל > חידושים בתהליך הפקת הברזל

אחד השינויים המרכזיים בתעשיית הברזל במהלך המהפכה התעשייתית היה ההחלפה של עץ וביו-דלקים אחרים בפחם. עבור הפקת אותה כמות של חום, כריית פחם מצריכה כוח עבודה קטן יותר מאשר חטיבת עצים והפיכתם לפחם עץ. בנוסף, פחם היה מצוי בשפע יותר מעץ, שהאספקה שלו נעשתה מצומצמת לפני העלייה האדירה בייצור הברזל במהלך סוף המאה ה-18. בסביבות 1750 קוק החליף בדרך כלל את פחם העץ בהיתוך של נחושת ועופרת והתפשט בצורה רחבה בהכנת זכוכית. הברזל שנוצר על ידי היתוך וזיקוק עם פחם וקוק היה נחות בהשוואה לברזל שנוצר עם פחם עץ בגלל תכולת הגופרית של הפחם. התעשייה הכירה פחמים דלי-גופרית, אבל גם הם הכילו כמות מזיקה של גופרית. המרה של פחם לקוק הפחיתה רק במעט את כמות הגופרית, ורק מיעוט מהפחמים הפכו לקוק.
גורם אחר שהגביל את תעשיית הברזל לפני המהפכה התעשייתית היה המחסור בכוח מים הנדרש כדי להפעיל את מפוחי הכבשנים. מגבלה זו נפתרה על ידי המצאת מנוע הקיטור.
השימוש בפחם להיתוך ברזל התחיל מעט לפני המהפכה התעשייתית, בעקבות החידושים של סר קלמנט קלרק ואחרים בשנת 1678, בשימוש בכבשני הדף מוזנים בפחם, שנודעו בכינוי "כיפה". כבשני הדף הם כבשנים בהם חומרי הבעירה ועפרות המתכת נמצאים בתאים נפרדים, והגזים הנפלטים מחומרי הבעירה עוברים לתא העפרות דרך חלל הנמצא מעל הקיר המפריד בין התאים. בכבשנים אלו הבעירה פעלה על תערובת של עפרות ופחם או פחם עץ, וחמזרה את התחמוצת למתכת. היתרון של טכנולוגיה זאת הוא שזיהומים בפחם (כמו אפר גופרית) לא חודרים לתוך המתכת. טכנולוגיה זו יושמה על עופרת החל מ-1678 ועל נחושת החל מ-1687. הטכנולוגיה יושמה גם לבית יציקת ברזל בשנות ה-90 של המאה ה-17 אבל במקרה כזה כבשן ההדף היה ידוע ככבשן אוויר.
בשנת 1709 אברהם דרבי הצליח להשתמש בקוק כדי להפעיל את תנור הרם שלו בקולברוקדייל. הברזל הגולמי שהוא ייצר מקוק לא התאים להכנת ברזל חשיל, אלא רק להכנת מוצרים מברזל יצוק כמו סירים וקומקומים. הסירים שנוצקו בתהליך שדרבי רשם עליו פטנט היו דקים יותר וזולים יותר מהסירים שיצרו מתחריו.
כמעט ולא נעשה שימוש בברזל גולמי שהוכן על ידי קוק ליצירת ברזל חשיל עד השנים 1755–1756, כשהבן של דרבי, אברהם דרבי השני, בנה כבשנים בהורסהיי ובקטליי, מקומות בהם היה זמין פחם דל בגופרית (והם לא היו רחוקים מקולברוקדייל). הכבשנים החדשים האלו, צוידו במפוחים מונעים במים, כאשר המים נשאבו לגובה בעזרת מנוע הקיטור של ניוקומן. המנועים לא חוברו ישירות לצילינדרי הניפוח מכיוון שהמנועים לבדם לא היו יכולים לייצר משב אוויר יציב. גם אברהם דרבי השלישי השתמש במפוחים מונעים במים שנשאבו בעזרת קיטור בחברת דייל, עליה הוא קיבל בעלות בשנת 1768. חברת דייל השתמשה במנועים לניקוז המכרות בבעלותה, וייצרה חלקי מנועים שנמכרו ברחבי המדינה.
השימוש במנועי קיטור הפך את השימוש בכבשנים בעלי נפח ולחץ גבוהים יותר לאפשרי. עם זאת, העור בו נעשה שימוש למפוחים היה יקר להחלפה. בשנת 1757 אמן הברזל ג'ון ווילקינסון רשם פטנט על מנוע ניפוח הידראולי לתנורי רם. צילינדר הניפוח לתנורי רם הומצא בשנת 1760, וצילינדר הניפוח שעוצב על ידי ג'ון סמיטון והוצב בקרינגטון בשנת 1768 נחשב לצילינדר הניפוח הראשון העשוי מברזל יצוק. צילינדרים מברזל יצוק שנועדו לפעול עם בוכנה היו קשים לייצור: הצילינדר צריך להיות חלק וישר ללא חורים או עיוותים. בשנת 1774 ג'ון ווילקינסון, שבנה צילינדר ניפוח מברזל יציקה לצורך מפעל הברזל שלו, המציא מכונת קידוח מדויקת לצילינדרי קידוח. מנוע הקיטור הסיבובי, אותו המציא ג'יימס וואט ב-1782, נכנס לשימוש נרחב להפעלת מפוחים, פטישים, לערגול ולחיתוך.
בעיית הגופרית נפתרה על ידי שימוש בכמות מספיקה של אבני גיר, שהפכו את הגופרית לסיגים, או בשימוש בפחם דל בגופרית. השימוש בגיר או באבני גיר הצריך כבשנים בעלי טמפרטורות גבוהות יותר, כדי ליצור סיגים בזרימה חופשית. העלייה בטמפרטורת הכבשנים, שנהפכה לאפשרית בזכות המפוחים המשופרים, הגדילה את הקיבולת של תנורי רם ואפשרה העלאה בגובה הכבשנים. בנוסף לעלות נמוכה יותר ולזמינות גבוהה יותר, הקוק קשה יותר מפחם העץ, דבר שאפשר לשורה של חומרים (עפרת ברזל, דלק, סיגים) לחלחל למטה בתנור הרם בצורה יותר חלקה בלי שחומר הדלק נמחץ בכבשנים הגבוהים מאוד של סוף המאה ה-19.
כאשר הברזל היצוק נהפך לזול ונגיש יותר, התחילו להשתמש בו לבניית גשרים ובניינים. דוגמה מוקדמת מפורסמת לכך היא גשר הברזל, שנבנה בשנת 1779 מברזל יצוק שיוצר על ידי אברהם דרבי השלישי ונפתח לתנועה בשנת 1781. למרות זאת, רוב הברזל היצוק הומר לברזל חשיל.
אירופה הסתמכה על הבלומרי עבור רוב הברזל החשיל שלה עד להתחלת ייצור ברזל היציקה בכמויות גדולות. המרת ברזל היציקה נעשתה במפחות (finery forge – בית מלאכה בו הברזל היצוק הותך מחדש בתוך תנור מיוחד כדי להסיר ממנו את הפחמן על ידי חימצון, וחושל בעזרת קורנסים), כמו שנעשה זמן רב לפני תחילת המהפכה התעשייתית. לצורך ייצור ברזל חשיל ללא פחם עץ, פותח תהליך זיקוק משופר שכונה "חימום וריקוע" (בתהליך הברזל הותך באטמוספירה מחומצנת, קורר ורוקע. הברזל המרוקע הונח בקדירות שחוממו בכבשן הדף, ובסוף התהליך התקבל בלום שהיה ניתן לעבד בדרכים הרגילות) אבל הוא הוחלף על ידי תהליך המירוס שפיתח הנרי קורט. קורט פיתח שני תהליכי ייצור ברזל משמעותיים: ערגול בשנת 1783 ומירוס בשנת 1784. תהליך המירוס יוצר ברזל עמיד בעלות נמוכה יחסית.
מירוס משמעותו דה-פיחמון של הברזל הגולמי המותך על ידי חימצון איטי בכבשן הדף כאשר הברזל מעורבב באופן ידני בעזרת מוטות ארוכים. הברזל נטול הפחמן, שיש לו טמפרטורת התכה גבוהה יותר מברזל יצוק, נאסף לגושים על ידי הממרס. כאשר הגוש היה גדול מספיק, הממרס היה מוציא אותו. מירוס הייתה עבודה מפרכת וחמה באופן קיצוני. ממרסים מעטים הגיעו לגיל 40. מכיוון שהמירוס בוצע בכבשן הדף, הדלק בו נעשה שימוש היה פחם או קוק. תהליך המירוס היה בשימוש עד העשורים האחרונים של המאה ה-19, כאשר הברזל הוחלף בפלדה. מכיוון שתהליך המירוס הצריך מיומנות אנושית בזיהוי גושי הברזל, הוא מעולם לא מוכן בצורה מוצלחת. ערגול היה חלק חשוב מתהליך המירוס מפני שהמכבשים המחורצים הוציאו את רוב הסיגים המותכים ומיצקו את המסה של הברזל החשיל החם. הערגול ביצע את הפעולות האלו פי 15 מהר יותר מחישול הברזל על ידי קורנס. סוג אחר של ערגול, שנעשה בטמפרטורות נמוכות יותר מאשר ערגול להוצאת סיגים, נעשה כדי לייצר לוחות ברזל, ומאוחר יותר צורות מבניות כמו קורות, ברזל זוויתי וגדרות ברזל.
תהליך המירוס שופר בשנת 1818 על ידי בלדווין רוג'רס, שהחליף חלק מהחול שריפד את תחתית כבשן ההדף בתחמוצת ברזל. בשנת 1838 ג'ונתן הל רשם פטנט על שימוש בסיגים מחוממים (סיליקת ברזל) לתחתית הכבשן, דבר שהפחית מאוד את אובדן הברזל הנגרם מיצירת סיגים על ידי התחתית החולית של הכבשן. התהליך של הל השתמש גם בקשקשי ברזל או חלודה שהגיבו לפחמן בברזל המותך. התהליך של הל, שכונה מירוס רטוב, הפחית את אובדן הברזל הנגרם מסיגים מכמעט 50% לסביבות 8%.
המירוס נכנס לשימוש נרחב אחרי 1800. עד הזמן הזה, יצרני ברזל בריטיים השתמשו בכמויות ניכרות של ברזל שיובא משוודיה ורוסיה כתוספת לאספקה המקומית. בגלל הגידול בייצור הברזל הבריטי, היבוא החל לדעוך בשנת 1785 ובסביבות שנות ה-90 של המאה ה-18 בריטניה חיסלה את היבוא והפכה ליצואן מרכזי של ברזל מחושל.
משב אוויר חם (hot blast), שנרשם כפטנט על ידי ג'יימס ביאומונט נילסון ב-1828, היה ההתפתחות החשובה ביותר במאה ה-19 בחיסכון באנרגיה לייצור ברזל גולמי. על ידי חימום מוקדם של האוויר הנכנס לכבשן כמות הדלק הנדרש לייצור יחידה של ברזל גולמי פחתה בתחילה בשליש כאשר משתמשים בקוק ובשני שלישים כאשר משתמשים בפחם. יעילות התהליך גברה כאשר הטכנולוגיה השתפרה. בנוסף, משב אוויר חם העלה את טמפרטורת ההפעלה של הכבשן, דבר שאפשר את הגדלת קיבולת הכבשנים. השימוש בכמות קטנה יותר של פחם או קוק זיהם פחות את הברזל הגולמי, וכך התאפשר שימוש בפחם באיכות נמוכה או בפחם אבן במקומות שבהם קוק לא היה זמין או שהכנתו הייתה יקרה מדי. למרות זאת, לקראת סוף המאה ה-19 עלויות התובלה ירדו במידה ניכרת.
מעט לפני המהפכה התעשייתית נעשה שיפור בייצור הפלדה, שהייתה סחורה יקרה בה נעשה שימוש רק במקום שלא היה ניתן לעשות שימוש בברזל, כמו בייצור להבים לכלים חדים ובייצור קפיצים. בנג'מין הנטסמן פיתח את טכניקת פלדת הכוּר שלו בשנת 1740. חומר הגלם לתהליך היה פלדה צרופה, שיוצרה בעזרת תהליך צִימנוּט (תהליך מיושן, בו יוצרה פלדה על ידי פחמון של ברזל יצוק).
האספקה הזולה של ברזל ופלדה סייעה למספר תעשיות, כמו ייצור מסמרים, צירים, תיילים ועוד אביזרים קשיחים. ההתפתחות של הכלים המכניים אפשרה עבודה טובה יותר עם ברזל, דבר שהגדיל את השימוש בברזל בתעשיות הגדלות במהירות של מכניקה ומנועים.