Los altos hornos fueron desarrollados por primera vez por los chinos en el siglo VI a.C., pero fueron más utilizados en Europa durante la Edad Media y aumentaron la producción de hierro fundido. A temperaturas muy altas, el hierro comienza a absorber carbono, lo que reduce el punto de fusión del metal, lo que resulta en fundición hierro (2.5 por ciento a 4.5 por ciento de carbono).
El hierro fundido es fuerte, pero sufre de fragilidad debido a su contenido de carbono, lo que lo hace menos que ideal para trabajar y moldear. A medida que los metalúrgicos se dieron cuenta de que el alto contenido de carbono en el hierro era central para el problema de fragilidad, experimentaron con nuevos métodos para reducir el contenido de carbono con el fin de hacer más hierro factible.
Moderno fabricación de acero evolucionó a partir de estos primeros días de fabricación de hierro y desarrollos posteriores en tecnología.
Hierro forjado
A fines del siglo XVIII, los fabricantes de hierro aprendieron a transformar el hierro fundido en hierro forjado bajo en carbono utilizando hornos de charcos, desarrollado por Henry Cort en 1784. El arrabio es el hierro fundido que se agota en los altos hornos y se enfría en el canal principal y los moldes adyacentes. Recibió su nombre porque los lingotes grandes, centrales y adyacentes más pequeños se parecían a una cerda y cochinillos.
Para fabricar hierro forjado, los hornos calentaban el hierro fundido que los charcos tenían que agitar utilizando herramientas largas en forma de remo, permitiendo que el oxígeno se combinara y eliminara lentamente el carbono.
A medida que disminuye el contenido de carbono, aumenta el punto de fusión del hierro, 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 charco antes de enrollarlas en láminas o rieles. Para 1860, había más de 3.000 hornos de charcos en Gran Bretaña, pero el proceso seguía obstaculizado por su mano de obra y la intensidad del combustible.
Acero de la ampolla
Blíster de acero: una de las primeras formas de acero- Comenzó la producción en Alemania e Inglaterra en el siglo XVII y se produjo aumentando el contenido de carbono en el 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 carbono en el carbón. El calentamiento repetido distribuiría el carbono de manera más uniforme, y el resultado, después del enfriamiento, fue el acero de la ampolla. El mayor contenido de carbono hizo que el acero blister fuera mucho más manejable que el arrabio, lo que le permitió presionarlo o enrollarlo.
La producción de blister de acero avanzó en la década de 1740 cuando el relojero inglés Benjamin Huntsman descubrió que el metal podía derretirse en crisoles de arcilla y refinarse con un fundente especial para eliminar la escoria que dejó el proceso de cementación. Huntsman estaba tratando de desarrollar un acero de alta calidad para sus resortes de reloj. El resultado fue crisol (o fundición) de acero. Sin embargo, debido al costo de producción, tanto el blíster como el acero fundido solo se utilizaron en aplicaciones especiales.
Como resultado, el hierro fundido hecho en hornos de charcos siguió siendo el principal metal estructural en la industrialización de Gran Bretaña 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 todavía no estaba probado como metal estructural y la producción era lenta y costosa. Eso fue hasta 1856 cuando Henry Bessemer ideó una forma más efectiva de introducir oxígeno en el hierro fundido para reducir el contenido de carbono.
Ahora conocido como el Proceso Bessemer, Bessemer diseñó un receptáculo en forma de pera, denominado convertidor, en el que el hierro se podía calentar mientras que el oxígeno se podía soplar a través del metal fundido. A medida que el oxígeno pasaba por el metal fundido, reaccionaría con el carbono, liberando dióxido de carbono y produciendo un hierro más puro.
El proceso fue rápido y económico, eliminando carbono y 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 pudiera encontrar un método para aumentar el contenido de carbono y eliminar el oxígeno no deseado.
Aproximadamente 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 correctas, proporcionaría la solución a los problemas de Bessemer. Bessemer comenzó a agregarlo a su proceso de conversión con gran éxito.
Quedaba un problema. Bessemer no había logrado encontrar una manera de eliminar el fósforo, una impureza perjudicial que hace que el acero sea 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 encontró una solución al agregar un fundente químicamente básico, la piedra caliza, al proceso Bessemer. La piedra caliza extrajo el fósforo del arrabio hacia la escoria, lo que permitió eliminar el elemento no deseado.
Esta innovación significó que el mineral de hierro de cualquier parte del mundo finalmente podría usarse para fabricar acero. No es sorprendente que los costos de producción de acero comenzaron a disminuir significativamente. Los precios del riel de acero cayeron más del 80 por ciento entre 1867 y 1884, iniciando el crecimiento de la industria mundial del acero.
El proceso de hogar abierto
En la década de 1860, el ingeniero alemán Karl Wilhelm Siemens mejoró aún más la producción de acero a través de su creación del proceso de hogar abierto. Esto produjo acero a partir de arrabio en grandes hornos poco profundos.
Utilizando altas temperaturas para quemar el exceso de carbono y otras impurezas, el proceso se basó en cámaras de ladrillo calentadas debajo del hogar. Los hornos regenerativos luego usaron 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 (50-100 toneladas métricas en un horno), pruebas periódicas del acero fundido para que pueda hacerse para cumplir con especificaciones particulares, y el uso de chatarra de acero como materia prima material. Aunque el proceso en sí mismo fue mucho más lento, en 1900 el proceso de hogar abierto había reemplazado en gran medida al proceso Bessemer.
Nacimiento de la industria del acero
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, invirtió y ganó 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 valorada en más de $ 1 mil millones.
Horno de arco eléctrico para la fabricación de acero
Justo después del cambio de siglo, el horno de arco eléctrico (EAF) de Paul Heroult fue diseñado para pasar una corriente eléctrica a través de material cargado, resultando en oxidación exotérmica y temperaturas de hasta 3,272 grados Fahrenheit (1,800 grados Celsius), más que suficiente para calentar acero producción.
Inicialmente utilizado para aceros especiales, los EAF crecieron en uso y en la Segunda Guerra Mundial se estaban utilizando para la fabricación de aleaciones de acero. El bajo costo de inversión involucrado en la instalación de fábricas de EAF les permitió competir con los principales productores estadounidenses como US Steel Corp. y Bethlehem Steel, especialmente en aceros al carbono o productos largos.
Debido a que los EAF pueden producir acero a partir de chatarra 100 por ciento (o ferroso frío), se necesita menos energía por unidad de producción. A diferencia de los hogares de oxígeno básicos, las operaciones también se pueden detener y comenzar con un bajo costo asociado. Por estas razones, la producción a través de EAF ha aumentado constantemente durante más de 50 años y representó alrededor del 33 por ciento de la producción mundial de acero, a partir de 2017.
Fabricación de acero con oxígeno
La mayoría de la producción mundial de acero, alrededor del 66 por ciento, 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 grandes 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 rápidamente que los métodos de hogar abierto. Grandes recipientes con capacidad para 350 toneladas métricas de hierro pueden completar la conversión a acero en menos de una hora.
La rentabilidad de la fabricación de acero con oxígeno hizo que las fábricas de hogar abierto no fueran competitivas y, tras el 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, la última cerró en 2001.
Fuentes:
Spoerl, Joseph S. Una breve historia de la producción de hierro y acero.. Colegio Saint Anselm.
Disponible: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
La Asociación Mundial del Acero. Sitio web: www.steeluniversity.org
Calle, Arthur. Y Alexander, W. O. 1944. Metales al servicio del hombre. 11ª Edición (1998).