Siderurgia

La metalurgia ferrosa o siderurgia es la metalurgia del hierro y sus aleaciones. Los artefactos de hierro prehistóricos más antiguos que se conservan, del cuarto milenio a. C. en Egipto, se fabricaron a partir de meteoritos de hierro y níquel. No se sabe cuándo ni dónde comenzó la fundición de hierro a partir de minerales, pero a finales del segundo milenio a. C. se producía hierro a partir de minerales de hierro en la región desde Grecia hasta la India y el África subsahariana. El uso del hierro forjado (hierro trabajado) se conoce desde el I milenio antes de Cristo, y su difusión definió la Edad del Hierro. Durante el período medieval, los herreros en Europa encontraron una forma de producir hierro forjado a partir de hierro fundido (en este contexto conocido como arrabio) utilizando forjas finas. Todos estos procesos requerían carbón vegetal como combustible.

En el siglo IV a. C., el sur de la India había comenzado a exportar acero Wootz (con un contenido de carbono entre el arrabio y el hierro forjado) a la antigua China, África, Oriente Medio y Europa. La evidencia arqueológica de hierro fundido aparece en la China del siglo V a. C. En el siglo XVII se idearon nuevos métodos para producirlo mediante la cementación de barras de hierro en el proceso de cementación. Durante la Revolución Industrial, surgieron nuevos métodos para producir barras de hierro mediante la sustitución del carbón vegetal por coque, que luego se aplicaron para producir acero, lo que marcó el comienzo de una nueva era de uso mucho mayor del hierro y el acero que algunos contemporáneos describieron como una nueva "Edad del Hierro". ".A fines de la década de 1850, Henry Bessemer inventó un nuevo proceso de fabricación de acero que consistía en soplar aire a través de arrabio fundido para quemar el carbono y así producir acero dulce. Este y otros procesos de fabricación de acero del siglo XIX y posteriores han desplazado al hierro forjado. Hoy en día, el hierro forjado ya no se produce a escala comercial, ya que ha sido desplazado por el acero suave o con bajo contenido de carbono funcionalmente equivalente.

La mina subterránea de mineral de hierro más grande y moderna del mundo opera en Kiruna, condado de Norrbotten, Laponia. La mina, propiedad de Luossavaara-Kiirunavaara AB, una gran empresa minera sueca, tiene una capacidad de producción anual de más de 26 millones de toneladas de mineral de hierro.

Hierro meteórico

El hierro se extraía de aleaciones de hierro y níquel, que comprenden alrededor del 6% de todos los meteoritos que caen sobre la Tierra. Esa fuente a menudo se puede identificar con certeza debido a las características cristalinas únicas (patrones de Widmanstätten) de ese material, que se conservan cuando el metal se trabaja en frío oa baja temperatura. Esos artefactos incluyen, por ejemplo, una cuenta del quinto milenio a. C. encontrada en Irán y puntas de lanza y adornos del antiguo Egipto y Sumer alrededor del 4000 a.

Estos primeros usos parecen haber sido en gran parte ceremoniales o decorativos. El hierro meteórico es muy raro, y el metal probablemente era muy caro, quizás más caro que el oro. Se sabe que los primeros hititas intercambiaron hierro (meteórico o fundido) por plata, a razón de 40 veces el peso del hierro, con el antiguo imperio asirio en los primeros siglos del segundo milenio antes de Cristo.

El hierro meteórico también se transformó en herramientas en el Ártico, alrededor del año 1000, cuando el pueblo Thule de Groenlandia comenzó a fabricar arpones, cuchillos, ulus y otras herramientas afiladas a partir de piezas del meteorito de Cape York. Por lo general, los trozos de metal del tamaño de un guisante se martillaban en frío en discos y se ajustaban a un mango de hueso. Estos artefactos también se utilizaron como bienes comerciales con otros pueblos del Ártico: se han encontrado herramientas hechas con el meteorito de Cape York en sitios arqueológicos a más de 1,000 millas (1,600 km) de distancia. Cuando el explorador polar estadounidense Robert Peary envió la pieza más grande del meteorito al Museo Americano de Historia Natural en la ciudad de Nueva York en 1897, todavía pesaba más de 33 toneladas. Otro ejemplo de un uso tardío del hierro meteórico es una azuela de alrededor del año 1000 d. C. encontrada en Suecia.

Hierro nativo

El hierro nativo en estado metálico rara vez se presenta como pequeñas inclusiones en ciertas rocas basálticas. Además del hierro meteorítico, la gente de Thule de Groenlandia ha utilizado hierro nativo de la región de Disko.

Fundición de hierro y la Edad del Hierro

La fundición de hierro, la extracción de metal utilizable a partir de minerales de hierro oxidados, es más difícil que la fundición de estaño y cobre. Si bien estos metales y sus aleaciones pueden trabajarse en frío o fundirse en hornos relativamente simples (como los hornos que se usan para la alfarería) y colarse en moldes, el hierro fundido requiere trabajo en caliente y solo puede fundirse en hornos especialmente diseñados. El hierro es una impureza común en los minerales de cobre y el mineral de hierro a veces se usaba como fundente, por lo que no sorprende que los humanos dominaran la tecnología del hierro fundido solo después de varios milenios de metalurgia del bronce.

Se desconoce el lugar y la época del descubrimiento de la fundición de hierro, en parte debido a la dificultad de distinguir el metal extraído de los minerales que contienen níquel del hierro meteorítico trabajado en caliente. La evidencia arqueológica parece apuntar a la zona de Oriente Medio, durante la Edad del Bronce en el tercer milenio antes de Cristo. Sin embargo, los artefactos de hierro forjado siguieron siendo una rareza hasta el siglo XII a.

La Edad del Hierro se define convencionalmente por la sustitución generalizada de armas y herramientas de bronce por las de hierro y acero. Esa transición ocurrió en diferentes momentos en diferentes lugares, a medida que se difundió la tecnología. Mesopotamia estaba completamente en la Edad del Hierro hacia el 900 a. Aunque Egipto produjo artefactos de hierro, el bronce siguió dominando hasta su conquista por parte de Asiria en el 663 a. La Edad del Hierro comenzó en la India alrededor del 1200 a. C., en Europa Central alrededor del 800 a. C. y en China alrededor del 300 a. Hacia el 500 a. C., los nubios, que habían aprendido de los asirios el uso del hierro y fueron expulsados ​​de Egipto, se convirtieron en los principales fabricantes y exportadores de hierro.

Antiguo Cercano Oriente

Uno de los primeros artefactos de hierro fundido, una daga con una hoja de hierro encontrada en una tumba de Hattic en Anatolia, que data del 2500 a. Alrededor del 1500 a. C., apareció un número creciente de objetos de hierro fundido no meteoríticos en Mesopotamia, Anatolia y Egipto. Se encontraron diecinueve objetos de hierro meteóricos en la tumba del gobernante egipcio Tutankamón, que murió en 1323 a. C., incluida una daga de hierro con empuñadura dorada, un Ojo de Horus, la cabeza de la momia y dieciséis modelos de herramientas de un artesano. En la excavación de Ugarit se encontraron una espada del Antiguo Egipto que lleva el nombre del faraón Merneptah, así como un hacha de batalla con una hoja de hierro y un mango de bronce decorado con oro.

Aunque se han encontrado objetos de hierro que datan de la Edad del Bronce en todo el Mediterráneo oriental, el trabajo en bronce parece haber predominado en gran medida durante este período. A medida que la tecnología se extendió, el hierro reemplazó al bronce como el metal dominante utilizado para herramientas y armas en todo el Mediterráneo oriental (Levante, Chipre, Grecia, Creta, Anatolia y Egipto).

El hierro se fundió originalmente en hornos de fundición, donde se usaban fuelles para forzar el aire a través de una pila de mineral de hierro y carbón en llamas. El monóxido de carbono producido por el carbón vegetal redujo el óxido de hierro del mineral a hierro metálico. Sin embargo, la floración no estaba lo suficientemente caliente como para derretir el hierro, por lo que el metal se acumulaba en el fondo del horno como una masa esponjosa o floración. Luego, los trabajadores lo golpearon y doblaron repetidamente para expulsar la escoria fundida. Este proceso laborioso y lento produjo hierro forjado, una aleación maleable pero bastante blanda.

Simultáneamente con la transición del bronce al hierro se descubrió la carburación, el proceso de agregar carbono al hierro forjado. Si bien la flor de hierro contenía algo de carbono, el posterior trabajo en caliente oxidó la mayor parte. Smiths en el Medio Oriente descubrió que el hierro forjado podía convertirse en un producto mucho más duro calentando la pieza terminada en una cama de carbón y luego enfriándola en agua o aceite. Este procedimiento convertía las capas exteriores de la pieza en acero, una aleación de hierro y carburos de hierro, con un núcleo interior de hierro menos quebradizo.

Teorías sobre el origen de la fundición del hierro

El desarrollo de la fundición de hierro se atribuyó tradicionalmente a los hititas de Anatolia de finales de la Edad del Bronce. Se creía que mantenían el monopolio del trabajo del hierro y que su imperio se había basado en esa ventaja. Según esa teoría, los antiguos Pueblos del Mar, que invadieron el Mediterráneo oriental y destruyeron el imperio hitita a fines de la Edad del Bronce Final, fueron los responsables de difundir el conocimiento en esa región. Esta teoría ya no se mantiene en la corriente principal de la erudición, ya que no hay evidencia arqueológica del supuesto monopolio hitita. Si bien hay algunos objetos de hierro de la Anatolia de la Edad del Bronce, la cantidad es comparable a los objetos de hierro encontrados en Egipto y otros lugares del mismo período de tiempo, y solo una pequeña cantidad de esos objetos eran armas.

Una teoría más reciente afirma que el desarrollo de la tecnología del hierro fue impulsado por la interrupción de las rutas comerciales del cobre y el estaño, debido al colapso de los imperios al final de la Edad del Bronce Final. Estos metales, especialmente el estaño, no estaban ampliamente disponibles y los trabajadores metalúrgicos tenían que transportarlos a largas distancias, mientras que los minerales de hierro estaban ampliamente disponibles. Sin embargo, ninguna evidencia arqueológica conocida sugiere una escasez de bronce o estaño en la Edad del Hierro Temprana. Los objetos de bronce siguieron siendo abundantes, y estos objetos tienen el mismo porcentaje de estaño que los de la Edad del Bronce Final.

Subcontinente indio

La historia de la metalurgia ferrosa en el subcontinente indio comenzó en el segundo milenio antes de Cristo. Los sitios arqueológicos en las llanuras del Ganges han arrojado implementos de hierro que datan de entre 1800 y 1200 a. A principios del siglo XIII a. C., la fundición de hierro se practicaba a gran escala en la India. En el sur de la India (actual Mysore), el hierro estuvo en uso entre los siglos XII y XI a. La tecnología de la metalurgia del hierro avanzó en el período políticamente estable de Maurya y durante un período de asentamientos pacíficos en el primer milenio antes de Cristo.

Se han descubierto artefactos de hierro como púas, cuchillos, dagas, puntas de flecha, cuencos, cucharas, cacerolas, hachas, cinceles, tenazas, herrajes para puertas, etc., que datan del 600 al 200 a. C. en varios sitios arqueológicos de la India. El historiador griego Heródoto escribió el primer relato occidental sobre el uso del hierro en la India. Los textos mitológicos indios, los Upanishads, también tienen menciones de tejido, cerámica y metalurgia. Los romanos tenían en alta estima la excelencia del acero de la India en la época del Imperio Gupta.

Quizás ya en el año 500 a. C., aunque ciertamente en el año 200 d. C., se producía acero de alta calidad en el sur de la India mediante la técnica del crisol. En este sistema, el hierro forjado de alta pureza, el carbón vegetal y el vidrio se mezclaban en un crisol y se calentaban hasta que el hierro se derretía y absorbía el carbón. La cadena de hierro se utilizó en los puentes colgantes de la India ya en el siglo IV.

El acero Wootz se produjo en India y Sri Lanka alrededor del año 300 a. El acero Wootz es famoso desde la antigüedad clásica por su durabilidad y capacidad para mantener un borde. Cuando el rey Poro le pidió que seleccionara un regalo, se dice que Alejandro eligió, en lugar de oro o plata, treinta libras de acero. El acero Wootz era originalmente una aleación compleja con hierro como componente principal junto con varios oligoelementos. Estudios recientes han sugerido que sus cualidades pueden deberse a la formación de nanotubos de carbono en el metal. Según Will Durant, la tecnología pasó a los persas y de estos a los árabes que la extendieron por Oriente Medio. En el siglo XVI, los holandeses llevaron la tecnología del sur de la India a Europa, donde se produjo en masa.

El acero se produjo en Sri Lanka desde el año 300 a. C. en hornos impulsados ​​por los vientos del monzón. Los hornos se excavaron en las crestas de las colinas, y el viento se desvió hacia las salidas de aire mediante largas trincheras. Esta disposición creó una zona de alta presión en la entrada y una zona de baja presión en la parte superior del horno. Se cree que el flujo permitió temperaturas más altas que las que podrían producir los hornos accionados por fuelle, lo que resultó en un hierro de mejor calidad. El acero fabricado en Sri Lanka se comercializaba ampliamente dentro de la región y en el mundo islámico.

Una de las curiosidades metalúrgicas más importantes del mundo es un pilar de hierro ubicado en el complejo Qutb en Delhi. El pilar está hecho de hierro forjado (98% Fe), tiene casi siete metros de altura y pesa más de seis toneladas. El pilar fue erigido por Chandragupta II Vikramaditya y ha resistido 1.600 años de exposición a fuertes lluvias con relativamente poca corrosión.

Porcelana

Los historiadores debaten si el trabajo del hierro basado en flores se extendió alguna vez a China desde el Medio Oriente. Una teoría sugiere que la metalurgia se introdujo a través de Asia Central. En 2008, se excavaron dos fragmentos de hierro en el sitio de Mogou, en Gansu. Se han fechado en el siglo XIV a. C., pertenecientes al período de la cultura Siwa, lo que sugiere un origen chino independiente. Uno de los fragmentos estaba hecho de hierro florido en lugar de hierro meteorítico.

Los primeros artefactos de hierro hechos de flores en China datan de finales del siglo IX a. El hierro fundido se utilizó en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. Alrededor del año 500 a. C., los trabajadores metalúrgicos del estado sureño de Wu alcanzaron una temperatura de 1130 °C. A esta temperatura, el hierro se combina con un 4,3 % de carbono y se funde. El hierro líquido se puede colar en moldes, un método mucho menos laborioso que forjar individualmente cada pieza de hierro a partir de una flor.

El hierro fundido es bastante frágil e inadecuado para golpear implementos. Sin embargo, se puede descarburar a acero o hierro forjado calentándolo al aire durante varios días. En China, estos métodos de trabajo del hierro se extendieron hacia el norte y, hacia el año 300 a. C., el hierro era el material elegido en toda China para la mayoría de las herramientas y armas. Una fosa común en la provincia de Hebei, que data de principios del siglo III a. C., contiene varios soldados enterrados con sus armas y otros equipos. Los artefactos recuperados de esta tumba están hechos de diversas formas de hierro forjado, hierro fundido, hierro fundido maleable y acero templado, con solo unas pocas armas de bronce, probablemente ornamentales.

Durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.), el gobierno estableció el trabajo del hierro como un monopolio estatal (derogado durante la segunda mitad de la dinastía y devuelto a la iniciativa empresarial privada) y construyó una serie de grandes altos hornos en la provincia de Henan, cada uno capaz de produciendo varias toneladas de hierro por día. En ese momento, los metalúrgicos chinos habían descubierto cómo refinar el arrabio fundido, agitándolo al aire libre hasta que perdiera su carbono y pudiera ser martillado (forjado). (En chino mandarín moderno, este proceso ahora se llama chao, literalmente salteado; el arrabio se conoce como 'hierro en bruto', mientras que el hierro forjado se conoce como 'hierro cocido'). En el siglo I a. C., los metalúrgicos chinos habían descubierto que el hierro forjado y el hierro fundido podrían fundirse para producir una aleación con un contenido de carbono intermedio, es decir, acero.Según la leyenda, la espada de Liu Bang, el primer emperador Han, se fabricó de esta manera. Algunos textos de la época mencionan "armonizar lo duro y lo blando" en el contexto del trabajo del hierro; la frase puede referirse a este proceso. La antigua ciudad de Wan (Nanyang) desde el período Han en adelante fue un importante centro de la industria del hierro y el acero. Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos de producción para crear acero Wootz, una idea importada de India a China en el siglo V d.C. Durante la dinastía Han, los chinos también fueron los primeros en aplicar la energía hidráulica (es decir, una rueda hidráulica) para trabajar los fuelles del alto horno. Esto se registró en el año 31 dC, como una innovación del ingeniero mecánico y político chino Du Shi, prefecto de Nanyang.Aunque Du Shi fue el primero en aplicar la energía hidráulica a los fuelles en la metalurgia, la primera ilustración dibujada e impresa de su funcionamiento con energía hidráulica apareció en 1313 dC, en el texto de la era de la dinastía Yuan llamado Nong Shu.

En el siglo XI, hay evidencia de la producción de acero en la China Song utilizando dos técnicas: un método "berganesco" que producía acero inferior y heterogéneo y un precursor del moderno proceso Bessemer que utilizaba la descarbonización parcial a través de la forja repetida bajo un chorro de aire frío.. En el siglo XI, hubo una gran cantidad de deforestación en China debido a la demanda de carbón vegetal por parte de la industria del hierro. Sin embargo, en ese momento, los chinos habían aprendido a usar coque bituminoso para reemplazar el carbón vegetal, y con este cambio en los recursos se salvaron muchos acres de madera de primera calidad en China.

Europa de la Edad del Hierro

El trabajo del hierro se introdujo en Grecia a finales del siglo X a. Las primeras marcas de la Edad del Hierro en Europa Central son artefactos de la cultura Hallstatt C (siglo VIII a. C.). A lo largo de los siglos VII al VI a. C., los artefactos de hierro siguieron siendo artículos de lujo reservados para una élite. Esto cambió drásticamente poco después del 500 a. C. con el surgimiento de la cultura La Tène, a partir de la cual la metalurgia del hierro también se volvió común en el norte de Europa y Gran Bretaña. La difusión del trabajo del hierro en Europa Central y Occidental está asociada con la expansión celta. En el siglo I a. C., el acero nórico era famoso por su calidad y buscado por el ejército romano.

La producción anual de hierro del Imperio Romano se estima en 84.750 t.

Africa Sub-sahariana

Aunque existe cierta incertidumbre, algunos arqueólogos creen que la metalurgia del hierro se desarrolló de forma independiente en el África subsahariana (posiblemente en África occidental).

Los habitantes de Termit, en el este de Níger, fundían hierro alrededor del 1500 a.

En la región de las Montañas Aïr en Níger también hay indicios de fundición de cobre independiente entre el 2500 y el 1500 a. El proceso no estaba en un estado desarrollado, lo que indica que la fundición no era ajena. Llegó a su madurez alrededor del 1500 a.

También se han excavado sitios arqueológicos que contienen hornos de fundición de hierro y escoria en sitios en la región de Nsukka en el sureste de Nigeria en lo que ahora es Igboland: que datan de 2000 aC en el sitio de Lejja (Eze-Uzomaka 2009) y de 750 aC y en el sitio de Opi (Holl 2009). El sitio de Gbabiri (en la República Centroafricana) ha arrojado evidencia de metalurgia del hierro, de un horno de reducción y un taller de herrería; con fechas más tempranas de 896–773 a. C. y 907–796 a. C. respectivamente. De manera similar, la fundición en hornos tipo bloomery aparece en la cultura Nok del centro de Nigeria alrededor del 550 a. C. y posiblemente algunos siglos antes.

También hay evidencia de que los ancestros del pueblo Haya fabricaban acero al carbono en el oeste de Tanzania hace ya entre 2300 y 2000 años (alrededor del 300 a. C. o poco después) mediante un proceso complejo de "precalentamiento" que permite temperaturas dentro de un horno. para alcanzar 1300 a 1400 °C.

El trabajo del hierro y el cobre se extendió hacia el sur a través del continente, llegando al Cabo alrededor del año 200 d. C. El uso generalizado del hierro revolucionó a las comunidades agrícolas de habla bantú que lo adoptaron, expulsando y absorbiendo la herramienta de piedra utilizando sociedades de cazadores-recolectores que encontraron a medida que se expandían. para cultivar áreas más amplias de sabana. Los hablantes de bantú tecnológicamente superiores se extendieron por el sur de África y se hicieron ricos y poderosos, produciendo hierro para herramientas y armas en grandes cantidades industriales.

Los registros más antiguos de hornos tipo bloomery en África Oriental son descubrimientos de hierro fundido y carbón en Nubia que datan entre los siglos VII y VI a. C., particularmente en Meroe, donde se sabe que hubo antiguos bloomeries que producían herramientas de metal para los nubios. y kushitas y produjeron excedentes para su economía.

Mundo islámico medieval

La tecnología del hierro avanzó aún más gracias a varios inventos en el Islam medieval, durante la Edad de Oro islámica. Estos incluían una variedad de molinos industriales accionados por agua y viento para la producción de metales, incluidos molinos de engranajes y forjas. En el siglo XI, todas las provincias del mundo musulmán tenían estos molinos industriales en funcionamiento, desde la España islámica y el norte de África en el oeste hasta el Medio Oriente y Asia central en el este. También hay referencias del siglo X al hierro fundido, así como evidencia arqueológica del uso de altos hornos en los imperios ayyubí y mameluco del siglo XI, lo que sugiere una difusión de la tecnología del metal chino al mundo islámico.

Los molinos de engranajes fueron inventados por ingenieros musulmanes y se utilizaron para triturar minerales metálicos antes de su extracción. Los molinos de harina en el mundo islámico a menudo se fabricaban tanto con molinos de agua como con molinos de viento. Con el fin de adaptar las ruedas hidráulicas para la molienda, se utilizaron levas para levantar y soltar los martillos perforadores. La primera fragua impulsada por un molino de agua accionado por energía hidráulica en lugar de trabajo manual se inventó en la España islámica del siglo XII.

Uno de los aceros más famosos producidos en el Cercano Oriente medieval fue el acero de Damasco utilizado para la fabricación de espadas, y producido principalmente en Damasco, Siria, en el período de 900 a 1750. Esto se produjo utilizando el método de acero al crisol, basado en el anterior wootz indio. acero. Este proceso fue adoptado en el Medio Oriente usando aceros producidos localmente. El proceso exacto aún se desconoce, pero permitió que los carburos se precipitaran como micropartículas dispuestas en láminas o bandas dentro del cuerpo de una cuchilla. Los carburos son mucho más duros que el acero con bajo contenido de carbono que los rodea, por lo que los herreros podían producir un filo que cortara materiales duros con los carburos precipitados, mientras que las bandas de acero más blando permitían que la espada en su conjunto siguiera siendo resistente y flexible.Peter Paufler, miembro del equipo de Dresden, dice que estas nanoestructuras le dan al acero de Damasco sus propiedades distintivas y son el resultado del proceso de forja.

Europa medieval y moderna temprana

No hubo ningún cambio fundamental en la tecnología de producción de hierro en Europa durante muchos siglos. Los trabajadores metalúrgicos europeos continuaron produciendo hierro en bloomeries. Sin embargo, el período medieval trajo dos desarrollos: el uso de la energía hidráulica en el proceso de floración en varios lugares (descrito anteriormente) y la primera producción europea en hierro fundido.

Flores motorizadas

En algún momento del período medieval, se aplicó energía hidráulica al proceso de floración. Es posible que estuviera en la abadía cisterciense de Clairvaux ya en 1135, pero ciertamente estuvo en uso a principios del siglo XIII en Francia y Suecia. En Inglaterra, la primera evidencia documental clara de esto son los relatos de una forja del obispo de Durham, cerca de Bedburn en 1408, pero ciertamente esa no fue la primera herrería de este tipo. En el distrito de Furness de Inglaterra, los bloomeries motorizados estuvieron en uso hasta principios del siglo XVIII, y cerca de Garstang hasta aproximadamente 1770.

La Fragua Catalana era una variedad de flores motorizadas. Bloomeries con chorro caliente se utilizaron en el norte del estado de Nueva York a mediados del siglo XIX.

Alto horno

El método preferido de producción de hierro en Europa hasta el desarrollo del proceso de charcos en 1783-1784. El desarrollo del hierro fundido se retrasó en Europa porque el hierro forjado era el producto deseado y el paso intermedio de producir hierro fundido implicaba un alto horno costoso y una mayor refinación del arrabio a hierro fundido, que luego requería una conversión intensiva de mano de obra y capital a hierro forjado.

A lo largo de una buena parte de la Edad Media, en Europa occidental, el hierro todavía se producía transformando flores de hierro en hierro forjado. Algunas de las primeras fundiciones de hierro en Europa ocurrieron en Suecia, en dos sitios, Lapphyttan y Vinarhyttan, entre 1150 y 1350. Algunos estudiosos han especulado que la práctica siguió a los mongoles a través de Rusia hasta estos sitios, pero no hay una prueba clara de esta hipótesis., y ciertamente no explicaría las dataciones premongolas de muchos de estos centros de producción de hierro. En cualquier caso, a fines del siglo XIV, comenzó a formarse un mercado para los productos de hierro fundido, a medida que se desarrolló una demanda de balas de cañón de hierro fundido.

Fragua de galas

Un método alternativo para descarburar el arrabio era la fragua fina, que parece haber sido ideada en la región de Namur en el siglo XV. A fines de ese siglo, este proceso valón se extendió a Pay de Bray en el límite este de Normandía y luego a Inglaterra, donde se convirtió en el método principal para fabricar hierro forjado en 1600. Louis de Geer lo introdujo en Suecia. a principios del siglo XVII y se utilizó para fabricar el hierro de los minerales preferido por los fabricantes de acero ingleses.

Una variación de esto fue la fragua alemana. Este se convirtió en el principal método de producción de barras de hierro en Suecia.

Proceso de cementación

A principios del siglo XVII, los herreros de Europa occidental habían desarrollado el proceso de cementación para carburar el hierro forjado. Las barras de hierro forjado y el carbón se empaquetaron en cajas de piedra, luego se sellaron con arcilla para mantenerlas al rojo vivo y se mantuvieron continuamente en un estado libre de oxígeno sumergido en carbono casi puro (carbón) durante hasta una semana. Durante este tiempo, el carbono se difundió en las capas superficiales del hierro, produciendo cemento de acero o acero blister.—también conocido como cementado, donde las partes envueltas en hierro (el pico o la hoja del hacha) se vuelven más duras que, por ejemplo, la cabeza del martillo o el casquillo del eje de un hacha que podría aislarse con arcilla para mantenerlos alejados de la fuente de carbono. El primer lugar donde se utilizó este proceso en Inglaterra fue en Coalbrookdale desde 1619, donde Sir Basil Brooke tenía dos hornos de cementación (recientemente excavados en 2001-2005). Durante un tiempo en la década de 1610, tuvo una patente sobre el proceso, pero tuvo que entregarla en 1619. Probablemente usó el hierro del bosque de Dean como materia prima, pero pronto se descubrió que el hierro mineral era más adecuado. La calidad del acero podría mejorarse mediante fagotaje, produciendo el llamado acero de corte.

Acero de crisol

En la década de 1740, Benjamin Huntsman encontró un medio para fundir acero ampollado, fabricado mediante el proceso de cementación, en crisoles. El acero de crisol resultante, generalmente colado en lingotes, era más homogéneo que el acero blister.

Transición a la coca en Inglaterra

Principios

La fundición de hierro temprana usaba carbón como fuente de calor y agente reductor. Hacia el siglo XVIII, la disponibilidad de madera para hacer carbón vegetal estaba limitando la expansión de la producción de hierro, por lo que Inglaterra se volvió cada vez más dependiente para una parte considerable del hierro requerido por su industria, de Suecia (desde mediados del siglo XVII) y luego desde alrededor de 1725 también en Rusia. La fundición con carbón (o su coque derivado) fue un objetivo buscado durante mucho tiempo. La producción de arrabio con coque probablemente fue lograda por Dud Dudley alrededor de 1619,y con un combustible mixto hecho de carbón y madera nuevamente en la década de 1670. Sin embargo, esto probablemente fue solo un éxito tecnológico más que comercial. Shadrach Fox pudo haber fundido hierro con coque en Coalbrookdale en Shropshire en la década de 1690, pero solo para fabricar balas de cañón y otros productos de hierro fundido, como proyectiles. Sin embargo, en la paz posterior a la Guerra de los Nueve Años, no hubo demanda de estos.

Abraham Darby y sus sucesores

En 1707, Abraham Darby I patentó un método para fabricar ollas de hierro fundido. Sus ollas eran más delgadas y, por lo tanto, más baratas que las de sus rivales. Al necesitar un suministro mayor de arrabio, arrendó el alto horno en Coalbrookdale en 1709. Allí, fabricó hierro usando coque, estableciendo así el primer negocio exitoso en Europa en hacerlo. Sus productos eran todos de hierro fundido, aunque sus sucesores inmediatos intentaron (con poco éxito comercial) refinar esto en barras de hierro.

Por lo tanto, las barras de hierro continuaron fabricándose normalmente con arrabio de carbón vegetal hasta mediados de la década de 1750. En 1755, Abraham Darby II (con socios) abrió un nuevo horno de coque en Horsehay, Shropshire, al que siguieron otros. Estos suministraban arrabio de coque a forjas de gala de tipo tradicional para la producción de barras de hierro. El motivo del retraso sigue siendo controvertido.

Nuevos procesos de fragua

Fue solo después de esto que se comenzaron a idear medios económicamente viables para convertir el arrabio en barras de hierro. Un proceso conocido como encapsulado y estampado se ideó en la década de 1760 y se mejoró en la década de 1770, y parece haber sido ampliamente adoptado en West Midlands desde aproximadamente 1785. Sin embargo, esto fue reemplazado en gran parte por el proceso de charcos de Henry Cort, patentado en 1784, pero probablemente solo se hizo para trabajar con arrabio gris alrededor de 1790. Estos procesos permitieron la gran expansión en la producción de hierro que constituye la Revolución Industrial para la industria del hierro.

A principios del siglo XIX, Hall descubrió que la adición de óxido de hierro a la carga del horno de charcos provocaba una reacción violenta en la que se descarburaba el arrabio, lo que se conoció como "charcos húmedos". También se descubrió que era posible producir acero deteniendo el proceso de formación de charcos antes de que se completara la descarburación.

Explosión caliente

La eficiencia del alto horno mejoró con el cambio a chorro caliente, patentado por James Beaumont Neilson en Escocia en 1828. Esto redujo aún más los costos de producción. En unas pocas décadas, la práctica era tener una 'estufa' tan grande como el horno al lado en la que se dirigía y quemaba el gas residual (que contenía CO) del horno. El calor resultante se utilizó para precalentar el aire que se insuflaba en el horno.

Siderurgia industrial

Aparte de cierta producción de acero encharcado, el acero inglés continuó fabricándose mediante el proceso de cementación, seguido a veces de refundición para producir acero al crisol. Estos eran procesos basados ​​en lotes cuya materia prima era el hierro en barra, en particular el hierro mineral sueco.

El problema de la producción masiva de acero barato fue resuelto en 1855 por Henry Bessemer, con la introducción del convertidor Bessemer en su acería de Sheffield, Inglaterra. (Todavía se puede ver un convertidor temprano en el Museo de la isla Kelham de la ciudad). En el proceso Bessemer, el arrabio fundido del alto horno se cargaba en un crisol grande y luego se soplaba aire a través del hierro fundido desde abajo, encendiendo el carbón disuelto del coque. A medida que el carbón se quemaba, el punto de fusión de la mezcla aumentaba, pero el calor del carbón quemado proporcionaba la energía adicional necesaria para mantener la mezcla fundida. Una vez que el contenido de carbono en la masa fundida descendió al nivel deseado, se cortó la corriente de aire: un convertidor Bessemer típico podía convertir un lote de arrabio de 25 toneladas en acero en media hora.

En la década de 1860, el desarrollo de hornos regenerativos y revestimientos refractarios de mayor temperatura permitió fundir acero en un hogar abierto. Eso fue lento y consumió mucha energía, pero permitió controlar mejor la composición química del producto y reciclar la chatarra de hierro.

El revestimiento refractario ácido de los convertidores Bessemer y los primeros hogares abiertos no permitían eliminar el fósforo del acero con cal, lo que prolongó la vida útil de los hornos de charcos para utilizar minerales de hierro fosforosos abundantes en Europa continental. Sin embargo, en la década de 1870 se desarrolló el proceso Gilchrist-Thomas, y más tarde también se adoptó el revestimiento básico para los hogares abiertos.

Finalmente, el proceso de oxígeno básico se introdujo en la fábrica de Voest-Alpine en 1952; una modificación del proceso Bessemer básico, lanza oxígeno desde arriba del acero (en lugar de burbujear aire desde abajo), reduciendo la cantidad de nitrógeno absorbido por el acero. El proceso de oxígeno básico se utiliza en todas las acerías modernas; el último convertidor Bessemer en los EE. UU. se retiró en 1968. Además, las últimas tres décadas han visto un aumento masivo en el negocio de las miniacerías, donde la chatarra de acero solo se funde con un horno de arco eléctrico. Estas acerías solo producían productos de barra al principio, pero desde entonces se han expandido a productos planos y pesados, que alguna vez fueron dominio exclusivo de las acerías integradas.

Hasta estos desarrollos del siglo XIX, el acero era un producto costoso y solo se usaba para un número limitado de propósitos donde se necesitaba un metal particularmente duro o flexible, como en los bordes cortantes de herramientas y resortes. La disponibilidad generalizada de acero económico impulsó la Segunda Revolución Industrial y la sociedad moderna tal como la conocemos. El acero dulce finalmente reemplazó al hierro forjado para casi todos los propósitos, y el hierro forjado ya no se produce comercialmente. Con excepciones menores, los aceros aleados solo comenzaron a fabricarse a fines del siglo XIX. El acero inoxidable se desarrolló en vísperas de la Primera Guerra Mundial y no se usó mucho hasta la década de 1920.

Industria siderúrgica moderna

La industria del acero a menudo se considera un indicador del progreso económico, debido al papel fundamental que desempeña el acero en la infraestructura y el desarrollo económico general. En 1980 había más de 500.000 trabajadores siderúrgicos estadounidenses. Para el año 2000, el número de trabajadores siderúrgicos se había reducido a 224.000.

El auge económico de China e India provocó un aumento masivo de la demanda de acero. Entre 2000 y 2005, la demanda mundial de acero aumentó un 6%. Desde el año 2000, varias empresas siderúrgicas indias y chinas se han destacado, como Tata Steel (que compró Corus Group en 2007), Baosteel Group y Shagang Group. Sin embargo, a partir de 2017, ArcelorMittal es el mayor productor de acero del mundo. En 2005, el Servicio Geológico Británico declaró que China era el principal productor de acero con aproximadamente un tercio de la participación mundial; Le siguieron Japón, Rusia y Estados Unidos, respectivamente.La gran capacidad de producción de acero da como resultado también una cantidad significativa de emisiones de dióxido de carbono inherentes a la ruta de producción principal. En 2019, se estimó que entre el 7 y el 9 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono procedían de la industria del acero. Se espera que la reducción de estas emisiones provenga de un cambio en la principal ruta de producción que utiliza coques, más reciclaje de acero y la aplicación de tecnología de captura y almacenamiento de carbono o captura y utilización de carbono.

En 2008, el acero comenzó a comercializarse como materia prima en la Bolsa de Metales de Londres. A fines de 2008, la industria del acero enfrentó una fuerte recesión que condujo a muchos recortes.