Historia del Acero: De la Edad de Hierro a los Hornos de Arco Eléctrico
El desarrollo del acero se puede rastrear hasta hace 4.000 años, al comienzo de la Edad del Hierro. Demostrando ser más duro y resistente que el bronce, que previamente había sido el metal más ampliamente utilizado, el hierro comenzó a desplazar al bronce en armas y herramientas.
Sumario:
Durante los siguientes miles de años, la calidad del hierro producido dependía tanto del mineral disponible como de los métodos de producción.
En el siglo XVII, las propiedades del hierro estaban bien comprendidas, pero la creciente urbanización en Europa exigía un metal estructural más versátil. Y en el siglo XIX, la cantidad de hierro consumida por la expansión de los ferrocarriles proporcionó a los metalúrgicos un incentivo financiero para encontrar una solución a la fragilidad del hierro y a los ineficientes procesos de producción.
Indudablemente, el mayor avance en la historia del acero ocurrió en 1856 cuando Henry Bessemer desarrolló una forma efectiva de utilizar oxígeno para reducir el contenido de carbono en el hierro: nació la industria moderna del acero.
La Era del Hierro
A altas temperaturas, el hierro comienza a absorber carbono, lo que reduce el punto de fusión del metal, resultando en hierro colado (2.5 a 4.5% de carbono). El desarrollo de los altos hornos, utilizados por primera vez por los chinos en el siglo VI a.C., pero más ampliamente utilizados en Europa durante la Edad Media, aumentó la producción de hierro colado.
El hierro fundido es el hierro fundido que sale de los altos hornos y se enfría en el canal principal y en moldes adyacentes. Los lingotes grandes centrales y los lingotes más pequeños adyacentes se asemejaban a una cerda y a sus crías.
El hierro colado es resistente pero sufre de fragilidad debido a su contenido de carbono, lo que lo hace menos adecuado para trabajar y dar forma. A medida que los metalúrgicos se dieron cuenta de que el alto contenido de carbono en el hierro era central al problema de la fragilidad, experimentaron con nuevos métodos para reducir el contenido de carbono y hacer que el hierro fuera más maleable.
A finales del siglo XVIII, los fabricantes de hierro aprendieron cómo transformar el hierro colado en hierro forjado de bajo contenido de carbono utilizando hornos de reverbero (desarrollados por Henry Cort en 1784). Los hornos calentaban el hierro fundido, que debía ser agitado por los forjadores con herramientas alargadas en forma de remo, permitiendo que el oxígeno se combinara con el carbono y lo eliminara lentamente.
A medida que disminuye el contenido de carbono, el punto de fusión del hierro aumenta, por lo que las masas de hierro se aglomerarían en el horno. Estas masas se retiraban y se trabajaban con un martillo de forja antes de ser laminadas en láminas o raíles. Para 1860, había más de 3.000 hornos de reverbero en Gran Bretaña, pero el proceso seguía siendo obstaculizado por su intensidad laboral y de combustible.
Una de las primeras formas de acero, el acero blister, comenzó a producirse en Alemania e Inglaterra en el siglo XVII y se producía aumentando el contenido de carbono en el hierro colado fundido utilizando un proceso conocido como cementación. En este proceso, barras de hierro forjado se apilaban con carbón en polvo en cajas de piedra y se calentaban.
Después de aproximadamente una semana, el hierro absorbía el carbono del carbón. El calentamiento repetido distribuiría el carbono de manera más uniforme y el resultado, después de enfriarse, era acero blister. El mayor contenido de carbono hizo que el acero blister fuera mucho más maleable que el hierro colado, lo que permitió que fuera prensado o laminado.
La producción de acero blister avanzó en la década de 1740 cuando el relojero inglés Benjamin Huntsman, al intentar desarrollar acero de alta calidad para sus resortes de reloj, descubrió que el metal se podía fundir en crisoles de arcilla y refinar con un fundente especial para eliminar la escoria que dejaba el proceso de cementación. El resultado fue un acero en crisol. Pero debido al costo de producción, tanto el acero blister como el acero en crisol solo se usaron en aplicaciones especializadas.
Como resultado, el hierro colado fabricado en hornos de reverbero siguió siendo el metal estructural primario en la Gran Bretaña industrializada durante la mayor parte del siglo XIX.
El Proceso Bessemer y la Siderurgia Moderna
El crecimiento de los ferrocarriles durante el siglo XIX en Europa y América puso una presión enorme en 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 del producto era lenta y costosa. Eso cambió en 1856 cuando Henry Bessemer ideó una forma más eficaz 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, llamado "conversor", en el que el hierro se podía calentar mientras se soplaba oxígeno 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 era rápido y económico, eliminaba el carbono y el silicio del Hierro en cuestión de minutos, pero sufría de ser demasiado exitoso. Se eliminaba demasiado carbono y quedaba demasiado oxígeno en el producto final. Bessemer tuvo que reembolsar a sus inversores hasta que encontró un método para aumentar el contenido de carbono y eliminar el oxígeno no deseado.
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.
Un problema permanecía. Bessemer no había encontrado una forma de eliminar el fósforo, una impureza perjudicial que hace que el acero sea quebradizo, de su producto final. En consecuencia, solo se podía usar mineral de Hierro sin fósforo de Suecia y Gales.
En 1876, el galés Sidney Gilchrist Thomas encontró la solución al agregar un fundente químicamente básico, la piedra caliza, al proceso Bessemer. La piedra caliza atraía el fósforo del Hierro colado hacia la escoria, lo que permitía eliminar el elemento no deseado.
Esta innovación significó que, finalmente, se podía utilizar mineral de Hierro de cualquier parte del mundo para fabricar acero. No es sorprendente que los costos de producción de acero disminuyeran significativamente. Los precios de los raíles 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 del acero en el mundo.
El Proceso del Horno de Reverbero Abierto
En la década de 1860, el ingeniero alemán Karl Wilhelm Siemens mejoró aún más la producción de acero con su creación del proceso del horno de reverbero abierto. El proceso del horno de reverbero abierto producía acero a partir de Hierro colado en grandes hornos poco profundos.
El proceso, que utilizaba altas temperaturas para quemar el exceso de carbono y otras impurezas, se basaba en cámaras de ladrillo calentadas debajo del hogar. Los hornos regenerativos utilizaban posteriormente los gases de escape del horno para mantener altas temperaturas en las cámaras de ladrillo debajo.
Este método permitió la producción de cantidades mucho mayores (se podían producir de 50 a 100 toneladas métricas en un horno), pruebas periódicas del acero fundido para que cumpliera con especificaciones particulares y el uso de acero reciclado como materia prima.
Aunque el proceso en sí era mucho más lento, para el año 1900, el proceso del horno de reverbero abierto había reemplazado principalmente el 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 de la época 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 Corporación US Steel de Carnegie, fundada en 1901, fue la primera corporación lanzada con un valor de más de mil millones de dólares.
Fabricación de Acero con Horno de Arco Eléctrico
Justo después del cambio de siglo, se produjo otro desarrollo que tuvo una fuerte influencia en la evolución de la producción de acero.
El horno de arco eléctrico (EAF) de Paul Héroult fue diseñado para hacer pasar una corriente eléctrica a través de un material cargado, lo que resultaba en una oxidación exotérmica y temperaturas de hasta 1.800°C, más que suficientes para calentar la producción de acero.
Inicialmente utilizado para aceros especiales, los EAF se hicieron más comunes y, para la Segunda Guerra Mundial, se estaban utilizando para la fabricación de aleaciones de acero.
El bajo costo de inversión en la creación 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.
Dado que los EAF pueden producir acero a partir del 100% de chatarra o material ferroso frío, se necesita menos energía por unidad de producción. A diferencia de los hornos básicos de oxígeno, las operaciones también pueden detenerse y reiniciarse con poco costo asociado.
Por estas razones, la producción a través de EAF ha estado aumentando constantemente durante más de 50 años y ahora representa aproximadamente el 33% de la producción mundial de acero.
Siderurgia de Oxígeno
La mayoría de la producción mundial de acero, alrededor del 66%, se produce ahora en instalaciones de oxígeno básico; 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 los hornos de oxígeno básico.
Los hornos básicos de oxígeno soplan oxígeno en grandes cantidades de Hierro fundido y acero reciclado y pueden completar una carga mucho más rápidamente que los métodos de horno de reverbero abierto. Grandes recipientes que contienen hasta 350 toneladas métricas de Hierro pueden completar la conversión en acero en menos de una hora.
La eficiencia de costos de la siderurgia de oxígeno hizo que las fábricas de horno de reverbero abierto fueran poco competitivas y, después del advenimiento de la siderurgia de oxígeno en la década de 1960, las operaciones de horno de reverbero abierto comenzaron a cerrar. La última instalación de horno de reverbero abierto en los Estados Unidos cerró en 1992 y en China en 2001.
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