Acero de crisol

Acero de crisol es acero que se fabrica fundiendo arrabio (hierro fundido), hierro y, a veces, acero, a menudo junto con arena, vidrio, cenizas y otros fundentes, en un crisol. En la antigüedad, el acero y el hierro eran imposibles de fundir usando carbón vegetal o fuegos de carbón, que no podían producir temperaturas lo suficientemente altas. Sin embargo, el arrabio, que tiene un mayor contenido de carbono y, por lo tanto, un punto de fusión más bajo, podría fundirse y, al sumergir el hierro forjado o el acero en el arrabio líquido durante mucho tiempo, el contenido de carbono del arrabio podría reducirse como se difundió lentamente en el hierro, convirtiendo a ambos en acero. El acero de crisol de este tipo se produjo en el sur y centro de Asia durante la época medieval. Esto generalmente producía un acero muy duro, pero también un acero compuesto que no era homogéneo, que consistía en un acero con mucho carbono (anteriormente, arrabio) y un acero con bajo contenido de carbono (anteriormente, hierro forjado). Esto a menudo resultó en un patrón intrincado cuando el acero fue forjado, limado o pulido, posiblemente con los ejemplos más conocidos provenientes del acero wootz utilizado en las espadas de Damasco. El acero era a menudo mucho más alto en contenido de carbono (normalmente en el rango de 1,5 a 2,0%) y en calidad (sin impurezas) en comparación con otros métodos de producción de acero de la época debido al uso de fundentes. El acero generalmente se trabajaba muy poco ya temperaturas relativamente bajas para evitar cualquier descarburación, desmoronamiento corto en caliente o difusión excesiva de carbono; suficiente martilleo para formar la forma de una espada. Con un contenido de carbono cercano al del hierro fundido, por lo general no requería tratamiento térmico después de darle forma aparte del enfriamiento por aire para lograr la dureza correcta, dependiendo únicamente de la composición. El acero con alto contenido de carbono proporcionó un borde muy duro, pero el acero con bajo contenido de carbono ayudó a aumentar la tenacidad, lo que ayudó a disminuir la posibilidad de astillado, agrietamiento o rotura.

En Europa, el acero de crisol fue desarrollado por Benjamin Huntsman en Inglaterra en el siglo XVIII. Huntsman usó coque en lugar de carbón o carbón, alcanzando temperaturas lo suficientemente altas como para derretir acero y disolver hierro. El proceso de Huntsman se diferenciaba de algunos de los procesos de wootz en que empleaba más tiempo para fundir el acero y enfriarlo y, por lo tanto, permitía más tiempo para la difusión del carbono. El proceso de Huntsman usó hierro y acero como materia prima, en forma de acero blister, en lugar de la conversión directa del hierro fundido como en el pudling o el posterior proceso Bessemer. La capacidad de fundir completamente el acero eliminó cualquier falta de homogeneidad en el acero, lo que permitió que el carbono se disolviera de manera uniforme en el acero líquido y anuló la necesidad previa de una herrería extensa en un intento por lograr el mismo resultado. Del mismo modo, permitía fundir el acero vertiéndolo en moldes. El uso de fundentes permitió la extracción casi completa de las impurezas del líquido, que luego simplemente podrían flotar hacia la parte superior para su eliminación. Esto produjo el primer acero de calidad moderna, proporcionando un medio para cambiar eficientemente el exceso de hierro forjado en acero útil. El proceso de Huntsman aumentó considerablemente la producción europea de acero de calidad adecuado para su uso en artículos como cuchillos, herramientas y maquinaria, lo que ayudó a allanar el camino para la Revolución Industrial.

Métodos de producción de acero al crisol

Las aleaciones de hierro se dividen más ampliamente por su contenido de carbono: el hierro fundido tiene entre un 2 % y un 4 % de impurezas de carbono; el hierro forjado oxida la mayor parte de su carbono, a menos del 0,1%. El acero, mucho más valioso, tiene una fracción de carbono delicadamente intermedia, y sus propiedades materiales varían según el porcentaje de carbono: el acero con alto contenido de carbono es más fuerte pero más frágil que el acero con bajo contenido de carbono. El acero al crisol secuestra las materias primas de entrada de la fuente de calor, lo que permite un control preciso de la carburación (aumento) o la oxidación (disminución del contenido de carbono). Se pueden agregar fundentes, como piedra caliza, al crisol para eliminar o promover azufre, silicio y otras impurezas, alterando aún más sus cualidades materiales.

Se utilizaron varios métodos para producir acero al crisol. Según textos islámicos como al-Tarsusi y Abu Rayhan Biruni, se describen tres métodos para la producción indirecta de acero. El historiador islámico medieval Abu Rayhan Biruni (c. 973-1050) proporciona la referencia más antigua de la producción de acero de Damasco. El primer método tradicional, y el más común, es la carburización de estado sólido de hierro forjado. Este es un proceso de difusión en el que el hierro forjado se empaqueta en crisoles o en un hogar con carbón vegetal, luego se calienta para promover la difusión del carbono en el hierro para producir acero. La carburación es la base del proceso wootz del acero. El segundo método es la descarburación del hierro fundido mediante la eliminación de carbono del hierro fundido. El tercer método utiliza hierro forjado y hierro fundido. En este proceso, el hierro forjado y el hierro fundido pueden calentarse juntos en un crisol para producir acero por fusión. Con respecto a este método, Abu Rayhan Biruni afirma: "este fue el método utilizado en Hearth". Se propone que el método indio se refiera al método de carburación de Wootz; es decir, los procesos de Mysore o Tamil.

Se han encontrado variaciones del proceso de cofusión principalmente en Persia y Asia Central, pero también se han encontrado en Hyderabad, India, llamado proceso Deccani o Hyderabad. Para el carbón, las autoridades islámicas contemporáneas especifican una variedad de materiales orgánicos, que incluyen cáscaras de granada, bellotas, cáscaras de frutas como la cáscara de naranja, hojas y clara de huevo y cáscaras. Las astillas de madera se mencionan en algunas de las fuentes indias, pero significativamente ninguna de las fuentes menciona el carbón.

Historia temprana

El acero de crisol generalmente se atribuye a los centros de producción en India y Sri Lanka, donde se produjo utilizando el llamado "wootz" proceso, y se supone que su aparición en otras localidades se debió al comercio a larga distancia. Solo recientemente se ha hecho evidente que lugares en Asia Central como Merv en Turkmenistán y Akhsiket en Uzbekistán eran importantes centros de producción de acero al crisol. Los hallazgos de Asia Central provienen todos de excavaciones y datan de los siglos VIII al XII d.C., mientras que el material de India/Sri Lanka data del 300 a. El mineral de hierro de la India tenía rastros de vanadio y otros elementos de aleación que conducían a una mayor templabilidad en el acero de crisol de la India, famoso en todo Oriente Medio por su capacidad para retener un borde.

Si bien el acero de crisol se atribuye más al Medio Oriente en los primeros tiempos, se han descubierto espadas soldadas con patrón, que incorporan alto contenido de carbono y probablemente acero de crisol, en Europa, desde el siglo III EC, particularmente en Escandinavia. Las espadas que llevan el nombre de marca: Ulfberht y que datan de un período de 200 años, desde el siglo IX hasta principios del siglo XI, son excelentes ejemplos de la técnica. Muchos especulan que el proceso de fabricación de estas hojas se originó en el Medio Oriente y posteriormente se comercializaron durante los días de la Ruta Comercial del Volga.

En los primeros siglos del período islámico, aparecieron algunos estudios científicos sobre espadas y acero. Los más conocidos son los de Jabir ibn Hayyan del siglo VIII, al-Kindi del siglo IX, Al-Biruni a principios del siglo XI, al-Tarsusi a fines del siglo XII y Fakhr-i-Mudabbir del siglo XIII. Cualquiera de estos contiene mucha más información sobre los aceros indios y damasquinados que la que aparece en toda la literatura sobreviviente de la Grecia y Roma clásicas.

Sur de la India y Sri Lanka

Hay muchos relatos etnográficos de la producción india de acero al crisol; sin embargo, las investigaciones científicas de los restos de la producción de acero al crisol solo se han publicado para cuatro regiones: tres en India y una en Sri Lanka. El acero de crisol de India/Sri Lanka se conoce comúnmente como wootz, que en general se acepta que es una corrupción inglesa de la palabra ukko (en el idioma canarés) o hookoo (en el idioma telugu).

Relatos europeos desde el siglo XVII en adelante se han referido a la reputación y fabricación de "wootz", un acero de crisol tradicional hecho especialmente en partes del sur de la India en las antiguas provincias de Golconda, Mysore y Salem. Hasta el momento, la escala de las excavaciones y los estudios de superficie es demasiado limitada para vincular los relatos literarios con la evidencia arqueometalúrgica.

Los sitios probados de producción de acero al crisol en el sur de la India, p. en Konasamudram y Gatihosahalli, datan de al menos finales del período medieval, siglo XVI. Uno de los primeros sitios potenciales conocidos, que muestra algunas pruebas preliminares prometedoras que pueden estar relacionadas con procesos de crisol ferroso en Kodumanal, cerca de Coimbatore en Tamil Nadu. El sitio está fechado entre el siglo III a. C. y el siglo III d. En el siglo XVII, el principal centro de producción de acero al crisol parece haber estado en Hyderabad. Aparentemente, el proceso fue bastante diferente del registrado en otros lugares. Wootz de Hyderabad o el proceso Decanni para hacer hojas regadas implicaba una fusión conjunta de dos tipos diferentes de hierro: uno era bajo en carbono y el otro era acero con alto contenido de carbono o hierro fundido. El acero Wootz fue ampliamente exportado y comercializado en toda la antigua Europa, China, el mundo árabe y se hizo particularmente famoso en el Medio Oriente, donde se lo conoció como acero de Damasco.

Investigaciones arqueológicas recientes han sugerido que Sri Lanka también apoyó tecnologías innovadoras para la producción de hierro y acero en la antigüedad. El sistema de Sri Lanka de fabricación de acero al crisol era parcialmente independiente de los diversos sistemas de India y Oriente Medio. Su método era algo similar al método de carburación del hierro forjado. El sitio de acero de crisol más antiguo confirmado se encuentra en el rango de nudillos en el área norte de las tierras altas centrales de Sri Lanka y data de los siglos VI-X EC. En el siglo XII, la tierra de Serendib (Sri Lanka) parece haber sido el principal proveedor de acero al crisol, pero a lo largo de los siglos la producción retrocedió y, en el siglo XIX, solo sobrevivió una pequeña industria en el distrito de Balangoda, en las tierras altas centrales del sur.

Una serie de excavaciones en Samanalawewa indicó la tecnología inesperada y previamente desconocida de los sitios de fundición orientados al oeste, que son diferentes tipos de producción de acero. Estos hornos se utilizaron para la fundición directa de acero. Estos se denominan "orientación oeste" porque estaban ubicados en los lados occidentales de las colinas para aprovechar el viento predominante en el proceso de fundición. Los aceros para hornos de Sri Lanka se conocían y comercializaban entre los siglos IX y XI y antes, pero aparentemente no más tarde. Estos sitios datan de los siglos VII-XI. La coincidencia de esta datación con la referencia islámica a Sarandib del siglo IX es de gran importancia. El proceso del crisol existió en India al mismo tiempo que la tecnología orientada al oeste estaba operando en Sri Lanka. Las excavaciones del sitio de Yodhawewa (cerca de Mannar) (en 2018) han descubierto la mitad inferior de un horno esférico inferior y fragmentos de crisol utilizados para fabricar acero de crisol en Sri Lanka durante los siglos VII y VIII d.C. Los fragmentos del crisol descubiertos en el sitio eran similares a los crisoles en forma de tubo alargado de Samanalawewa.

Asia Central

Asia central tiene una rica historia de producción de acero al crisol, que comenzó a fines del primer milenio EC. De los sitios en el moderno Uzbekistán y Merv en Turkmenistán, hay buena evidencia arqueológica de la producción a gran escala de acero al crisol. Todos pertenecen en términos generales al mismo período medieval temprano entre finales del siglo VIII o principios del IX y finales del siglo XII EC, contemporáneo con las primeras cruzadas.

Los dos sitios de acero al crisol más destacados en el este de Uzbekistán que llevan el Proceso de Ferghana son Akhsiket y Pap en el valle de Ferghana, cuya posición dentro de la Gran Ruta de la Seda ha sido probada histórica y arqueológicamente. La evidencia material consiste en una gran cantidad de hallazgos arqueológicos relacionados con la fabricación de acero de los siglos IX al XII d. C. en forma de cientos de miles de fragmentos de crisoles, a menudo con tortas de escoria masivas. El trabajo arqueológico en Akhsiket ha identificado que el proceso de acero al crisol era de la carburación del metal de hierro. Este proceso parece ser típico y restringido al Valle de Ferghana en el este de Uzbekistán, y por lo tanto se le llama Proceso de Ferghana. Este proceso duró en esa región aproximadamente cuatro siglos.

Se han encontrado pruebas de la producción de acero al crisol en Merv, Turkmenistán, una ciudad importante en la 'Ruta de la Seda'. El erudito islámico al-Kindi (801–866 d. C.) menciona que durante el siglo IX d. C. la región de Khorasan, el área a la que pertenecen las ciudades de Nishapur, Merv, Herat y Balkh, era un centro de fabricación de acero. La evidencia de un taller metalúrgico en Merv, que data del siglo IX-principios del X EC, proporciona una ilustración del método de cofusión de producción de acero en crisoles, aproximadamente 1000 años antes que el proceso claramente diferente de wootz. El proceso de acero al crisol en Merv podría considerarse tecnológicamente relacionado con lo que Bronson (1986, 43) llama proceso de Hyderabad, una variación del proceso de wootz, por la ubicación del proceso documentado por Voysey en la década de 1820.

China

La producción de acero al crisol comenzó en China alrededor del siglo I a. C., o posiblemente antes. Los chinos desarrollaron un método para producir arrabio alrededor del año 1200 a. C., que utilizaron para fabricar hierro fundido. Para el siglo I a. C., habían desarrollado el encharcamiento para producir acero dulce y un proceso de descarburación rápida de hierro fundido fundido para hacer hierro forjado revolviéndolo sobre lechos de salitre (llamado proceso Heaton, fue descubierto de forma independiente por John Heaton en el 1860). Alrededor de este tiempo, los chinos comenzaron a producir acero de crisol para convertir cantidades excesivas de hierro fundido y hierro forjado en acero adecuado para espadas y armas.

En 1064, Shen Kuo, en su libro Dream Pool Essays, dio la primera descripción escrita de los patrones en el acero, los métodos de producción de espadas y algunos de los razonamientos detrás de esto:

Los antiguos usan Chi kang, (acero combinado), para el borde, y Jou thieh (hierro blando) para la espalda, de lo contrario, a menudo se rompería. Un arma demasiado fuerte cortará y destruirá su propio borde; por eso es recomendable usar nada más que acero combinado. En cuanto a Yu-chhang Efecto de los intestinos del pez, es lo que ahora se llama la espada de acero 'snake-coiling', o alternativamente, el 'diseño de los árboles'. Si cocinas un pez completamente y quitas sus huesos, la forma de sus tripas se verá como las líneas de una 'palabra de serpiente'.

Historia moderna

Cuentas modernas tempranas

Las primeras referencias europeas al acero al crisol parecen no ser anteriores al período posmedieval. Los experimentos europeos con aceros de “Damasco” se remontan al menos al siglo XVI, pero no fue hasta la década de 1790 que los investigadores de laboratorio comenzaron a trabajar con aceros que se sabía específicamente que eran indios/wootz. En ese momento, los europeos sabían de la capacidad de la India para fabricar acero de crisol a partir de los informes traídos por los viajeros que habían observado el proceso en varios lugares del sur de la India.

Desde mediados del siglo XVII en adelante, los viajeros europeos al subcontinente indio escribieron numerosos relatos vívidos de testigos presenciales sobre la producción de acero allí. Estos incluyen relatos de Jean-Baptiste Tavernier en 1679, Francis Buchanan en 1807 y H.W. Voysey en 1832. Los siglos XVIII, XIX y principios del XX vieron un período embriagador de interés europeo en tratar de comprender la naturaleza y las propiedades del acero wootz. Indian wootz atrajo la atención de algunos de los científicos más conocidos. Uno fue Michael Faraday, que estaba fascinado por el acero Wootz. Probablemente fueron las investigaciones de George Pearson, informadas en la Royal Society en 1795, las que tuvieron el impacto de mayor alcance en términos de despertar el interés por la lana entre los científicos europeos. Fue el primero de estos científicos en publicar sus resultados y, de paso, el primero en utilizar la palabra "wootz" en la impresión.

Otro investigador, David Mushet, pudo inferir que la lana se producía por fusión. David Mushet patentó su proceso en 1800. Hizo su informe en 1805. Sin embargo, da la casualidad de que el primer proceso europeo exitoso había sido desarrollado por Benjamin Huntsman unos 50 años antes, en la década de 1740.

Historia de la producción en Inglaterra

Benjamin Huntsman era un relojero en busca de un acero mejor para los resortes de los relojes. En Handsworth, cerca de Sheffield, comenzó a producir acero en 1740 después de años de experimentar en secreto. El sistema de Huntsman utilizaba un horno de coque capaz de alcanzar los 1.600 °C, en el que se colocaban hasta doce crisoles de arcilla, cada uno capaz de contener unos 15 kg de hierro. Cuando los crisoles o "ollas" estaban al rojo vivo, se cargaron con trozos de acero blister, una aleación de hierro y carbono producida por el proceso de cementación, y un fundente para ayudar a eliminar las impurezas. Las ollas se retiraron después de unas 3 horas en el horno, se eliminaron las impurezas en forma de escoria y el acero fundido se vertió en moldes para terminar como lingotes colados. La fusión completa del acero produjo una estructura cristalina altamente uniforme al enfriarse, lo que le dio al metal una mayor resistencia a la tracción y dureza en comparación con otros aceros que se fabricaban en ese momento.

Antes de la introducción de la técnica de Huntsman, Sheffield producía unas 200 toneladas de acero al año a partir de hierro forjado sueco (ver hierro Oregrounds). La introducción de la técnica de Huntsman cambió esto radicalmente: cien años después, la cantidad había aumentado a más de 80.000 toneladas por año, o casi la mitad de la producción total de Europa. Sheffield pasó de ser un pequeño municipio a convertirse en una de las principales ciudades industriales de Europa.

El acero se producía en talleres especializados llamados 'hornos de crisol', que consistían en un taller a nivel del suelo y una bodega subterránea. Los edificios del horno variaban en tamaño y estilo arquitectónico, creciendo en tamaño hacia la última parte del siglo XIX a medida que los avances tecnológicos permitían "disparar" a la vez, usando gas como combustible para calefacción. Cada taller tenía una serie de características estándar, como filas de agujeros de fusión, pozos de equipo, respiraderos de techo, filas de estanterías para las ollas de crisol y hornos de recocido para preparar cada olla antes de la cocción. Las salas auxiliares para pesar cada carga y para la fabricación de los crisoles de arcilla estaban adjuntas al taller o ubicadas dentro del complejo de la bodega. El acero, originalmente destinado a la fabricación de resortes de reloj, se utilizó más tarde en otras aplicaciones, como tijeras, hachas y espadas.

Sheffield's Abbeydale Industrial Hamlet opera para el público una fábrica de guadañas, que data de la época de Huntsman y es impulsada por una rueda hidráulica, usando acero al crisol hecho en el sitio.

Propiedades de los materiales

Antes de Huntsman, el método más común para producir acero era la fabricación de acero al corte. En este método, se utilizó acero alveolar producido por cementación, que consistía en un núcleo de hierro forjado rodeado por una cubierta de acero con un alto contenido de carbono, que normalmente oscilaba entre el 1,5 y el 2,0 % de carbono. Para ayudar a homogeneizar el acero, se machacaba en placas planas, que se apilaban y se soldaban juntas. Esto produjo acero con capas alternas de acero y hierro. El tocho resultante se podía martillar hasta aplanarlo, cortarlo en placas, que se apilaban y volvían a soldar, adelgazando y combinando las capas, e igualando más el carbono a medida que se difundía lentamente del acero con alto contenido de carbono al hierro con bajo contenido de carbono. Sin embargo, cuanto más se calentaba y trabajaba el acero, más tendía a descarburarse, y esta difusión hacia el exterior se produce mucho más rápido que la difusión hacia el interior entre las capas. Por lo tanto, los intentos posteriores de homogeneizar el acero dieron como resultado un contenido de carbono demasiado bajo para su uso en artículos como resortes, cubiertos, espadas o herramientas. Por lo tanto, el acero destinado a este tipo de artículos, especialmente herramientas, todavía se fabricaba principalmente mediante el lento y arduo proceso de floración en cantidades muy pequeñas y de alto costo, que, aunque mejor, tenía que separarse manualmente del hierro forjado y era todavía imposible de homogeneizar completamente en estado sólido.

El proceso de Huntsman fue el primero en producir un acero totalmente homogéneo. A diferencia de los métodos anteriores de producción de acero, el proceso Huntsman fue el primero en fundir completamente el acero, lo que permitió la difusión total del carbono por todo el líquido. Con el uso de fundentes también permitió la eliminación de la mayoría de las impurezas, produciendo el primer acero de calidad moderna. Debido al alto punto de fusión del carbono (casi el triple que el del acero) y su tendencia a oxidarse (quemarse) a altas temperaturas, por lo general no se puede agregar directamente al acero fundido. Sin embargo, al agregar hierro forjado o arrabio, permitiendo que se disuelva en el líquido, el contenido de carbono podría regularse cuidadosamente (de una manera similar a los aceros de crisol asiáticos pero sin las marcadas faltas de homogeneidad indicativas de esos aceros). Otro beneficio fue que permitió alear otros elementos con el acero. Huntsman fue uno de los primeros en comenzar a experimentar con la adición de agentes de aleación como el manganeso para ayudar a eliminar impurezas como el oxígeno del acero. Su proceso fue utilizado posteriormente por muchos otros, como Robert Hadfield y Robert Forester Mushet, para producir los primeros aceros aleados como mangalloy, acero rápido y acero inoxidable.

Debido a las variaciones en el contenido de carbono del acero blíster, el acero al carbono producido podría variar en contenido de carbono entre crisoles hasta en un 0,18 %, pero en promedio produjo un acero eutectoide que contenía ~ 0,79 % de carbono. Debido a la calidad y la alta templabilidad del acero, se adoptó rápidamente para la fabricación de acero para herramientas, máquinas herramienta, cuchillería y muchos otros artículos. Debido a que no se inyectó oxígeno a través del acero, superó al acero Bessemer tanto en calidad como en capacidad de endurecimiento, por lo que el proceso de Huntsman se usó para fabricar acero para herramientas hasta que se desarrollaron mejores métodos, utilizando un arco eléctrico, a principios del siglo XX.

Producción de los siglos XIX y XX

En otro método, desarrollado en los Estados Unidos en la década de 1880, el hierro y el carbono se fundieron juntos directamente para producir acero al crisol. A lo largo del siglo XIX y hasta la década de 1920, una gran cantidad de acero de crisol se dirigió a la producción de herramientas de corte, donde se denominó acero para herramientas.

El proceso de crisol siguió utilizándose para aceros especiales, pero hoy en día está obsoleto. Ahora se fabrican aceros de calidad similar con un horno de arco eléctrico. Algunos usos del acero para herramientas fueron desplazados, primero por acero rápido y luego por materiales como el carburo de tungsteno.

Acero de crisol en otros lugares

Otra forma de acero al crisol fue desarrollada en 1837 por el ingeniero ruso Pavel Anosov. Su técnica se basaba menos en el calentamiento y el enfriamiento, y más en el proceso de enfriamiento rápido del acero fundido cuando se había formado la estructura cristalina correcta en su interior. Llamó a su acero bulat; su secreto murió con él. En los Estados Unidos, el acero al crisol fue iniciado por William Metcalf.