İngiltere Sanayi Devrimi sırasında çelik üretimi, pik demirde arzu edilmeyen pürüzlü (saf olmayan) durumları gideren bir tür yüksek fırın olan Bessemer konverter/dönüştürücü sayesinde daha ucuz ve daha güvenilir hale geldi. Çelik metalin demire göre daha üstün gücü ve dayanıklı olma özelliği; bu metalin inşaat mühendislerince köprüler, tüneller ve demiryolu rayları inşa etmek üzere tercih edildiği bir seçenek olmuştur.
“Çelik şehir” lakaplı Sheffield kasabası, dünyanın en önemli çelik üretim merkezlerinden biri haline gelmiş ve özellikle bıçak ve çatal-bıçak takımları üretimiyle dikkatleri çekmişti. Metalürji uzmanları, çelik ürünün, % 1-2 karbon içeren bir demir alaşımı olduğundan, günümüzde metal işleme aletleri için hala gerekli olan, çok sert tungsten çeliği gibi belirli özelliklere sahip farklı çelik türlerini bulmak üzere yüksek fırında saflığın elde edilmesi ve gerektiğinde tungsten elementi ilave etmek üzere deney yaptılar.
Demir ve Çelik
Kaliteli demir üretimi, Sanayi Devrimi sırasında, büyük ölçüde fırınlarda yakıt olarak geleneksel odun kömürü yerine kok kömürünün kullanılmasıyla birlikte büyük ölçüde gelişmişti. Kok kömürü, mümkün olduğu kadar saflığı elde etmek için fırında kömürün yakılmasından (veya daha doğrusu fırınlanmasından) üretilir. Saflığı elde etmek, fırında erimiş metal ile bütünleşmemesi için gereklidir. Kok kömürü kullanarak ilk çalışan yüksek fırın, 1709 yılında Shropshire Kontluğunda, demir cevheri eritmede büyük bir öneme sahip bir kasaba olan Coalbrookdale’de, Abraham Darby’nin (1678-1717) sahibi olduğu bir fabrikada kullanıldı. Kok kömür yakıtlı yüksek fırınların önemli başka bir avantajı daha vardı: Odun kömürü kullanılarak ısıtılan fırınlardan çok daha yüksek derecede sıcaklığa ulaşabiliyordu. Kaliteli demir artık her türlü projenin gerçekleştirilmesinde kullanılıyor ve İngiltere, 1850 yılında,dünyanın demir arzının % 50’sini sağlıyordu. Ancak, üretimi mevcut iyi kalitede başka bir metal daha vardı: Çelik.
Çelik, demire kıyasla mukavemet gücü ve işlenebilir özelliği açasından çok daha üstün özelliktedir. Çelik, ayrıca demirden daha hafif ve daha kırılgan yapıda olan demirin aksine ağırlık baskısı karşısında zamanla daha güçlü halde durabilir. Çeliğin bu avantajları, köprü inşası gibi daha büyük projeler ve demiryolu rayları gibi ağırlık taşıyan araçlar için özellikle yararlı olduğu anlamına geliyordu. Bununla birlikte, demire karşı çelik rekabetinde büyük dezavantaj vardı; çelik üretimi, nispetten daha düşük oranda yapıldığı için demirden çok daha pahalıya mal oluyordu. İngiliz mühendis Henry Bessemer (1813-1898) çabaları sayesinde bu durumda olumlu yönde değişiklik oldu.
Bessemer Konverteri
Sanayi Devriminde çığır açan icatlarda sık sık olduğu gibi yeni bir fikrin baş göstermesi, farklı yerlerde görülen farklı yenilikçilerin daha önceki icatları ve gelişmeleri üzerine kurulu bir piramide dayanıyordu. Güçlü ama esnek saat yaylarıyla motive olan Benjamin Huntsman (1704-1776), yoğun ısıya maruz kalan kapalı kil kaplarda saflaştırılan çelik türü olan pota çeliğini ilk geliştiren kişi oldu. Bu geliştirme süreci, aslında pota çeliğini üretmede tamamen yeni bir süreç değildi. Huntsman 1740-42 yıllarında kok kömürü yakıt olarak kullanan bir yöntemin öncülüğünü yaptı ve böylece her zamankinden daha fazla saf çelik üretimi yapılabilir hale gelindi.
Çelik üretiminde ileriye doğru atılan en önemli diğer bir adım, John Neilson’un 1827 yılında (patenti 1828’de alınan) ısıyı yoğunlaştıran, “sıcak hava” tekniği olarak bilinen, yüksek dereceli fırına verilmeden önce fırın içindeki havayı ısıtan yeni bir tekniğe öncülük ettiği zaman atılmıştır. Daha yüksek fırın sıcaklığı elde edildiğinde, üretim yapan işçilerin daha saf metal üretebilecekleri anlamına geliyor ve aynı zamanda fırının ısıtılması için gerekli olan yakıt miktarını büyük ölçüde azaltırken, üretilen metal maliyetini de düşürüyordu. Yine de her bir fırında üretilen çelik miktarı, ağır sanayi sektörünün ihtiyacını karşılayacak düzeyde büyük değildi. Daha düşük maliyetli çelik üretimi arayışı, verimlilik ve maliyet etkinlik faktörüyle dikkate alınan tipik bir yenilik yapma örneğiydi.
İngiliz Mucit Henry Bessemer 1856 yılında, Britanya ordusunun Rusya’ya karşı Kırım Savaşına (1853-56) katıldığı zaman, İngiliz silah üreticilerinin, özellikle top üretiminde, ihtiyaç duydukları daha fazla ve daha iyi çelik üretimini geliştirmek üzere motive oldu. Mucit Bessemer, daha sonraları, Bessemer konverteri olarak bilinen yüksek fırın tipini mükemmel hale getirene kadar araştırma yaptı ve daha da geliştirilmesi için birkaç yıl mesai yaparken on binlerce Strelin tahsisatı da harcadı.
Bessemer konverteri, esasen çelikten yapılmış dış kasası olan ateş tuğladan şişe/imbik şeklinde devasa bir fırındır. Bu tuğla fırın, içine demir cevheri yerleştirmek üzere yatay olarak eğilebilen, ısıtma kısmı dikey olarak yerleştirilebilen ve ardından erimiş metali boşaltmak için tekrar yatay olarak eğilebilecek şekilde bir çerçeve içinde döndürülebilen bir imbik teknedir. Bessemer konverteri, pik demiri (karbon açısında çok değerli olan zengin bir demir) 1550-1600 Santigrat dereceye (neredeyse 3000 Fahrenheit) kadar ısıta bildi, tekne tabanına ve içindeki erimiş metale yüksek basınç uygulayarak, karbon, manganez, fosfor ve silikon gibi saf olmayan maddeleri ayrıştırdı. Saf olmayan yanlar (safsızlıklar), hava enjekte edildiğinde oksitler oluşturur ve böylece cüruf olarak ayrılarak geriye saf ve erimiş güçlü çelik kalır. Çelik üretiminin ne için tasarlandığına bağlı olarak, bazı saf olmayan yanlarının da faydalı olduğu da görüldü; örneğin, düşük miktarda manganezin, üretilen metali daha az kırılgan hale getirdiği de keşfedildi.
Bessemer Konverteri işleyişi, ilk başlarda dik bir şekilde durmuyordu, kıvılcımların ve dumanın üstteki açıklıktan dışarı doğru uçması etkileyici bir havai fişek görüntüsü yaratıyordu (sonraki işleyişinde, kaybolan ısı, alttaki fırını ısıtacak şekilde yeniden korundu ve enerji maliyetinde daha fazla tasarruf sağlandı). Uzman bir göz, konverterin yaydığı kıvılcımların rengiyle arıtma işleminin tamamlandığını görebiliyordu. Konverter daha sonra tekrar yatay bir konumda sallanacak/döndürülecek ve içindeki eriyik madde kalıplara dökülecek hale getirildi. Bu son işlem; iç içe geçmiş işlem olarak bilinir, çelik külçeler içindeki metali zayıflatacak hava kabarcıkları oluşmayacak şekilde büyük bir dikkatle yürütülmesi gereken bir işlemdir.
Daha büyük ebatlardaki Bessemer konverterleri 20 ila 30 dakikada 30 ton kadar çelik üretebilirler. Daha önce yaklaşık olarak beş (5) ton çelik üretmek için bütün bir iş gücü mesai ayırmak gerekiyordu. Bundan itibaren çelik, artık seri üretimi yapılan bir ürün haline geldi. Mucit Bessemer’in bu icadından sonra, çelik üretim maliyeti 1875 yılında tonu 50 Sterlinden dört (4) Sterline düştü. 1880 yılına gelindiğinde İngiltere çelik fabrikaları her yıl 1.3 milyon tonun üzerinde seri üretim yapıyorlardı. Çalışan konverterlerin büyük iştahını karşılamak üzere demir cevheri ham maddesi üretiminden de artış oldu. İngiltere, 1855 yılında, dokuz (9) milyon ton demir cevheri üretimi yaparken, 1875 yılında bu rakam 15 milyon tona yükseldi. İngiltere’de çalışan fırınları beslemek amacıytla, başta Cumria bölgesi olmak üzere, İngiltere, İspanya, İsveç ve Almanya’da üretilen demir cevheri tedarik ediliyordu. Ve en önemlisi, İngiltere çelik endüstrisinin kalbi olan “çelik şehir” sıfatıyla tanımlanan Sheffield üretim merkezini besliyordu.
Sheffield Çelik ve Kullanım Alanları
Güney Yorkshire’da Sheffield kasabası, dünyanın en büyük çelik üretim merkezlerinden biri haline geldi ve “Çelik Şehir” lakabını aldı. Sheffield kasabasında 1770 yılında sadece beş çelik fabrikası varken, 1856 yılına gelindiğinde bu rakam 135’e yükseldi. Şehrin bu durumuna uygun bir sıfat olarak, arması tasarım şekli (1875’te ödül aldı) metalürji Roma tanrısı Vulcan figürü alındı. Mucitler, Huntsman ve Bessemer’in dökümhane ve çelik fabrika alanları için Sheffield kasabasını seçmeleri bir tesadüf değildi. Fırınlarda gerekli yüksek sıcaklık derecesini artıran körüklerin işlemesi için önemli bir ihtiyaç olan su çarkları aracılığıyla güç sağlayan ve hızlı akışları olan nehirler Sheffield kasabasında bulunuyordu. Sheffield bölgesinin diğer bir avantajı, çelik şekillendirmek, öğütmek ve gerektiğinde keskinleştirmek üzere dairesel bileme taşları elde etmek amacıyla kullanılabilen değirmen taşının bu bölgede bulunuyor olmasıydı.
Sheffield, üretilen çelikle, özellikle çatal-bıçak takımı ve iğne üretiminde dünya çapında ün kazanmıştı. Bıçak ve tırpan gibi keskin uçlu benzeri aletlerin üretimi diğer bir uzmanlık alanıydı. Daha iyi kalite çelik, cerrahi aletleri üretmek üzere sağlık sektöründe kullanılan aletlerin üretiminde özellikle önem arz ediyordu. Bu anlamda esneklik özelliğiyle çelik, her boyutta yay yapımında aranan ideal bir ürün oldu. Başarı sağlayan diğer çelik ürünleri; İngiltere, ABD ve dünya çapında başkaca birçok ülke için ağır tarım makineleri yapımı ve demiryolu hatlarının inşasında kullanılan malzemelerdir. Rakamlar şaşırtıcı oldu. Shiffield kasabasında sadece 1865-1874 yılları arası dönemde ABD’ye 280.000 Km’den (175.000 mil) fazla ray ihraç edilmişti. Böylesi büyük projelerin çoğu, İskoçyalı mucit James Nasmyth’ın 1839’da buhar çekiç icat etmesiyle mümkün olmuştu. Buhar çekiç, çelik ürünler de dâhil büyük metal parçalarını hassas bir şekilde dövme ve bükme işleminde buhar gücü kullanıyordu.
Çelik Endüstrisi İngiltere’ye daha fazla iş imkânı sağladı ve daha fazla para kazandırdı, ancak çevre üzerinde etkisi ise dramatik oldu. Tanınmış gazeteci ve politikacı William Cobbeti, çelik endüstrisinin daha emekleme döneminde olduğu 1830 yılında Londra’dan üretim merkezi Sheffield kasabasına seyahat ederken edindiği deneyimini şöyle anlatır:
Leeds şehrinden Shefield’a kadar olan yol boyunca kömür ve demir ya da demir ve kömür tesisleri vardı. Shefield’a varmadan önce hava kararmıştı; demir üretim ocaklarının sonsuz alevlerini bütün ihtişamlarıyla görebiliyorduk. Fırınların tepesinden sürekli yükselen sarı alev dalgalarından daha büyük ve daha korkunç hiçbir şey tasarlanamazdı… Bu kasabaya kara Sheffield diyorlar ve yeterince kararmıştı; ama tüm dünyada kullanılan bıçakların onda dokuzu (9/10) bu kasaba ve çevresinde üretiliyor. (Dugan, 66-7)
Metalürji uzmanı Mushet ve Tungsten Çelik
Çelik üretimine devam ediliyordu. İngiliz metalürji uzmanı Robert Forester Mushet (1811-1891) 1868’de tungsten türü çelik üretimini gerçekleştirdi. Bessemer gibi Mushet de fırınlanmış demirdeki safsızlıkların seviyesi ve türleriyle ilgili deneyler yaptı. Mushet, diğer metalürji uzmanlarının yaptığı gibi belirli miktarda safsızlıkları gidermekle uğraşmak yerine, demir cevherinde var olan bütün safsızlıkları gidermek ve ardından da istediği belirli safsızlıklardan yine belirli miktarda yeniden ilave etmek gibi basit bir fikir buldu. Muset bu şekilde, belirli oranda tungsten elementinin ilave edilmesiyle çelik mukavemetti ve baskıya dayanıklılığını büyük ölçüde artırdığını keşfetti. Avantajlı olmayan yanı, tungsten çeliğinin diğer çelik türleri kadar kolay dövülebilir özellikte olmamasıydı. Ancak, tungsten çeliğinin birincil kullanım alanı göz önünde alındığında – bugün de hala öyledir – matkap uçları, bıçaklar ve diğer metal işleme aletlerinin kesme işlevinde dayanaklılığı daha az olan metalin kullanıldığı yerlerde bu kolay dövülebilir özellik fazla önem arz etmez. Tungsten elementinin aranan kaliteli başka bir yanı; akkor ampullerde kullanmak üzere tercih edilen malzeme haline getiren özelliği, ıssıya son derece dayanaklı olmasıdır. Çelik, bütün formlarıyla, fiber takviye ile güçlendirilmiş plastikler ve karbon fiber gibi daha hafif ama daha güçlü yeni malzemelere, kullanım açısından, meydan okuduğu zaman olan 20.yüzyılın derinliklerine kadar inşaat metallerin kralı olarak kaldı.
