De la Era de Hierro al Proceso Bessemer y la Fabricación de Acero Moderna
La era del hierro
A temperaturas muy altas, el hierro comienza a absorber carbono, lo que reduce el punto de fusión del metal, resultando en hierro fundido (2.5 a 4.5% de carbono). El desarrollo de altos hornos, utilizado por primera vez por los chinos en el siglo VI aC, pero más utilizado en Europa durante la Edad Media, aumentó la producción de hierro fundido.
Cerdo de hierro
El hierro fundido que se extrajo de los altos hornos y se enfrió en el canal principal y en los moldes adyacentes se denominó hierro en lingotes porque los lingotes grandes, centrales y contiguos más pequeños se asemejaban a una lechona y lechones lactantes.
Hierro fundido
El hierro fundido es fuerte pero sufre fragilidad debido a su contenido de carbono, por lo que es menos que ideal para trabajar y dar forma. A medida que los metalúrgicos se dieron cuenta de que el alto contenido de carbono en el hierro era fundamental para el problema de la fragilidad, experimentaron con nuevos métodos para reducir el contenido de carbono a fin de que el hierro sea más viable.
Hierro forjado
A fines del siglo XVIII, los fabricantes de hierro aprendieron a transformar el arrabio colado en un hierro forjado de bajo contenido de carbono utilizando hornos de encharcamiento (desarrollado por Henry Cort en 1784). Los hornos calentaban el hierro fundido, que tenía que ser revuelto por los puddlers usando herramientas largas en forma de remo, lo que permitía combinar el oxígeno y eliminar lentamente el carbón.
A medida que el contenido de carbono disminuye, el punto de fusión del hierro aumenta, por lo que las masas de hierro se aglomerarían en el horno. Estas masas serían removidas y trabajadas con un martillo de forja por el charlatán antes de enrollarlas en hojas o rieles. En 1860, había más de 3000 hornos de charco en Gran Bretaña, pero el proceso se vio obstaculizado por su mano de obra y la intensidad del combustible.
Blister Steel
Una de las primeras formas de acero , el acero blister, comenzó a producirse en Alemania e Inglaterra en el siglo XVII y se produjo al aumentar el contenido de carbono en arrabio fundido mediante un proceso conocido como cementación. En este proceso, las barras de hierro forjado se colocaron en capas con carbón en polvo en cajas de piedra y se calentaron.
Después de aproximadamente una semana, el hierro absorbería el carbón en el carbón. El calentamiento repetido distribuiría el carbón de manera más uniforme y el resultado, después de enfriarlo, era de acero blister. El mayor contenido de carbono hace que el acero blister sea mucho más manejable que el arrabio, lo que permite que sea prensado o laminado.
La producción de acero blister avanzó en la década de 1740 cuando el relojero inglés Benjamin Huntsman mientras intentaba desarrollar un acero de alta calidad para sus resortes de reloj, descubrió que el metal podía derretirse en crisoles de arcilla y refinarse con un flujo especial para eliminar la escoria que quedaba del proceso de cementación detrás. El resultado fue crisol, o acero fundido. Pero debido al costo de producción, tanto el blister como el acero fundido solo se usaron en aplicaciones especiales.
Como resultado, el hierro fundido fabricado en hornos de encharcamiento siguió siendo el principal metal estructural en la Gran Bretaña industrializada durante la mayor parte del siglo XIX.
El proceso Bessemer y la fabricación moderna de acero
El crecimiento de los ferrocarriles durante el siglo XIX tanto en Europa como en América ejerció una gran presión sobre la industria del hierro, que aún luchaba con procesos de producción ineficientes. El acero aún no se había probado como metal estructural y la producción era lenta y costosa. Eso fue hasta 1856 cuando Henry Bessemer propuso una forma más efectiva de introducir oxígeno en el hierro fundido para reducir el contenido de carbono.
Ahora conocido como el proceso de Bessemer, Bessemer diseñó un receptáculo en forma de pera, conocido como un "convertidor", en el cual el hierro podía calentarse mientras que el oxígeno podía ser soplado a través del metal fundido. A medida que el oxígeno pasaba a través del metal fundido, reaccionaba con el carbono, liberando dióxido de carbono y produciendo un hierro más puro.
El proceso fue rápido y económico, eliminando el carbón y el silicio del hierro en cuestión de minutos, pero sufrió demasiado éxito.
Se eliminó demasiado carbono y quedó demasiado oxígeno en el producto final. Bessemer finalmente tuvo que pagar a sus inversores hasta que pudo encontrar un método para aumentar el contenido de carbono y eliminar el oxígeno no deseado.
Casi al mismo tiempo, el metalúrgico británico Robert Mushet adquirió y comenzó a probar un compuesto de hierro, carbono y manganeso, conocido como spiegeleisen . Se sabía que el manganeso eliminaba el oxígeno del hierro fundido y el contenido de carbono en el spiegeleisen si se agregaba en las cantidades adecuadas, proporcionaría la solución a los problemas de Bessemer. Bessemer comenzó a agregarlo a su proceso de conversión con gran éxito.
Queda un problema Bessemer no había logrado encontrar una forma de eliminar el fósforo, una impureza nociva que hace que el acero se vuelva frágil, de su producto final. En consecuencia, solo se podrían usar minerales libres de fósforo de Suecia y Gales.
En 1876, el galés Sidney Gilchrist Thomas propuso la solución añadiendo un fundente químicamente básico de piedra caliza al proceso Bessemer. La piedra caliza extrajo fósforo del arrabio en la escoria, lo que permitió eliminar el elemento no deseado.
Esta innovación significó que, finalmente, el mineral de hierro de cualquier parte del mundo podría usarse para fabricar acero. No es sorprendente que los costos de producción de acero comenzaron a disminuir significativamente. Los precios del ferrocarril de acero cayeron más del 80% entre 1867 y 1884, como resultado de las nuevas técnicas de producción de acero, lo que inició el crecimiento de la industria siderúrgica mundial.
El proceso de abrir el hogar:
En la década de 1860, el ingeniero alemán Karl Wilhelm Siemens mejoró aún más la producción de acero mediante la creación del proceso de solera abierta. El proceso de solera abierta produjo acero de arrabio en grandes hornos de poca profundidad.
Usando altas temperaturas para quemar el exceso de carbono y otras impurezas, el proceso dependía de las cámaras de ladrillo calentadas debajo del hogar. Los hornos regenerativos usaron más tarde los gases de escape del horno para mantener altas temperaturas en las cámaras de ladrillo a continuación.
Este método permitió la producción de cantidades mucho mayores (se podrían producir 50-100 toneladas métricas en un horno), pruebas periódicas del acero fundido para que se pudiera hacer cumplir especificaciones particulares y el uso de chatarra de acero como materia prima. . Aunque el proceso en sí era mucho más lento, en 1900 el proceso de solera abierta había reemplazado en gran medida el proceso de Bessemer.
Nacimiento de la industria siderúrgica:
La revolución en la producción de acero que proporcionó material más barato y de mayor calidad fue reconocida por muchos empresarios del día como una oportunidad de inversión. Los capitalistas de finales del siglo XIX, incluidos Andrew Carnegie y Charles Schwab, invirtieron y ganaron millones (miles de millones en el caso de Carnegie) en la industria del acero. La US Steel Corporation de Carnegie, fundada en 1901, fue la primera corporación jamás lanzada valorada en más de mil millones de dólares.
Fabricación de acero de horno de arco eléctrico:
Justo después del cambio de siglo, ocurrió otro desarrollo que tendría una gran influencia en la evolución de la producción de acero. El horno de arco eléctrico (EAF) de Paul Heroult fue diseñado para pasar una corriente eléctrica a través de material cargado, lo que resulta en oxidación exotérmica y temperaturas de hasta 3272 ° F (1800 ° C), más que suficiente para calentar la producción de acero.
Inicialmente utilizados para aceros especiales, los EAF crecieron en uso y, para la Segunda Guerra Mundial, se usaban para la fabricación de aleaciones de acero. El bajo costo de inversión involucrado en la creación de las fábricas de hornos eléctricos de arco eléctrico les permitió competir con los principales productores estadounidenses como US Steel Corp. y Bethlehem Steel, especialmente en aceros al carbón o productos largos.
Debido a que los EAF pueden producir acero a partir de un 100% de chatarra o de alimentación ferrosa fría, se necesita menos energía por unidad de producción. A diferencia de los fogones básicos de oxígeno, las operaciones también pueden detenerse e iniciarse con un costo poco asociado. Por estos motivos, la producción a través de HAE ha aumentado constantemente durante más de 50 años y ahora representa aproximadamente el 33% de la producción mundial de acero.
Producción de acero por oxígeno:
La mayoría de la producción mundial de acero, alrededor del 66%, ahora se produce en instalaciones básicas de oxígeno. El desarrollo de un método para separar el oxígeno del nitrógeno a escala industrial en la década de 1960 permitió importantes avances en el desarrollo de hornos de oxígeno básicos.
Los hornos de oxígeno básicos soplan oxígeno en grandes cantidades de hierro fundido y chatarra de acero y pueden completar una carga mucho más rápido que los métodos de solera abierta. Los buques grandes que contienen hasta 350 toneladas métricas de hierro pueden completar la conversión al acero en menos de una hora.
Las eficiencias de costo de la fabricación de acero con oxígeno hicieron que las fábricas de hogar abierto no fueran competitivas y, luego del advenimiento de la fabricación de acero con oxígeno en la década de 1960, las operaciones de hogar abierto comenzaron a cerrarse. La última instalación de hogar abierto en los Estados Unidos cerró en 1992 y en China en 2001.
Fuentes:
Spoerl, Joseph S. Una breve historia de la producción de hierro y acero . Saint Anselm College.
Disponible en: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
La Asociación Mundial del Acero. Sitio web: www.steeluniversity.org
Calle, Arthur. Y Alexander, WO 1944. Metales al servicio del hombre . 11ª Edición (1998).