La metalurgia ferrosa , la metalurgia del hierro y sus aleaciones , comenzó en la prehistoria . Los primeros artefactos de hierro supervivientes, del cuarto milenio antes de Cristo en Egipto , [1] fueron hechos de hierro-níquel meteorítico . [2] No se sabe cuándo ni dónde comenzó la fundición del hierro a partir de minerales , pero a finales del segundo milenio antes de Cristo, el hierro se estaba produciendo a partir de minerales de hierro desde al menos Grecia hasta la India, [3] [4] [5] [6] y (más controvertido) en África subsahariana .[7] [8] El uso de hierro forjado ( hierro trabajado) fue conocido en el primer 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 de gala . 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 arrabio y hierro forjado) a la antigua China, África, Oriente Medio y Europa. [ cita requerida ] La evidencia arqueológica de hierro fundido aparece en la China del siglo V a. C. [9] Se idearon nuevos métodos para producirlo mediante la carburación de barras de hierro en el proceso de cementación [¿ por quién? ] en el siglo XVII. Durante la Revolución Industrial , surgieron nuevos métodos de producción de barras de hierro mediante la sustitución del carbón vegetal por coque , que luego se aplicaron para producir acero , marcando 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". ". [10] A finales de la década de 1850, Henry Bessemer inventó un nuevo proceso de fabricación de acero que implicaba soplar aire a través de arrabio fundido para quemar el carbono y producir así 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, después de haber sido reemplazado por el acero suave o con bajo contenido de carbono funcionalmente equivalente. [11] : 145
La mina subterránea de mineral de hierro más grande y moderna del mundo opera en Kiruna , condado de Norrbotten , Laponia . [12] [ fuente no confiable? ] 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 meteorito
El hierro se extrajo de las 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 o a baja temperatura. Estos artefactos incluyen, por ejemplo, una cuenta del quinto milenio antes de Cristo encontrada en Irán [2] y puntas de lanza y adornos del antiguo Egipto y Sumeria alrededor del 4000 a. C. [13]
Estos primeros usos parecen haber sido principalmente ceremoniales o decorativos. El hierro meteorítico es muy raro y el metal probablemente era muy caro, quizás más caro que el oro . Se sabe que los primeros hititas intercambiaron hierro (meteorítico o fundido) por plata , a una tasa 40 veces mayor que el peso del hierro, con el Antiguo Imperio Asirio en los primeros siglos del segundo milenio antes de Cristo . [14]
El hierro meteórico también se convirtió 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, trozos de metal del tamaño de un guisante se martillaban en frío en discos y se colocaban en un mango de hueso. [2] Estos artefactos también se utilizaron como bienes comerciales con otros pueblos del Ártico: se han encontrado herramientas hechas con el meteorito del Cabo York en sitios arqueológicos a más de 1.600 kilómetros 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 meteorítico es una azuela de alrededor del año 1000 d.C. encontrada en Suecia . [2]
Hierro nativo
El hierro nativo en estado metálico rara vez se presenta como pequeñas inclusiones en ciertas rocas de basalto . Además del hierro meteorítico, la gente Thule de Groenlandia ha utilizado hierro nativo de la región de Disko . [2]
Fundición de hierro y la Edad del Hierro
La fundición de hierro, la extracción de metal utilizable 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 sencillos (como los hornos utilizados para la cerámica ) y fundirse en moldes, el hierro fundido requiere un trabajo en caliente y solo se puede fundir 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 es sorprendente que los humanos dominaran la tecnología del hierro fundido solo después de varios milenios de metalurgia de bronce . [13]
Se desconoce el lugar y el momento 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. [2] La evidencia arqueológica parece apuntar al área del Medio Oriente, 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. C.
La Edad del Hierro se define convencionalmente por la sustitución generalizada de las armas y herramientas de bronce por las de hierro y acero. [15] Esa transición ocurrió en diferentes momentos en diferentes lugares, a medida que la tecnología se extendía. Mesopotamia estaba completamente en la Edad del Hierro en el 900 a. C. Aunque Egipto produjo artefactos de hierro, el bronce siguió siendo dominante hasta su conquista por Asiria en 663 a. C. 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. C. [16] [17] Alrededor del 500 a. C., los nubios , que habían aprendido de los asirios el uso del hierro y fueron expulsados de Egipto, se convirtieron en importantes fabricantes y exportadores de hierro. [18]
Antiguo Cercano Oriente
Uno de los primeros artefactos de hierro fundido, una daga con una hoja de hierro hallada en una tumba de Hattic en Anatolia , data del 2500 a. C. [19] Aproximadamente en el año 1500 a. C., apareció un número creciente de objetos de hierro fundido no meteoríticos en Mesopotamia , Anatolia y Egipto. [2] Se encontraron diecinueve objetos de hierro meteórico en la tumba del gobernante egipcio Tutankamón , que murió en 1323 a. C., incluyendo una daga de hierro con empuñadura dorada, un Ojo de Horus , el pedestal de la momia y dieciséis modelos de herramientas de un artesano. [20] 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 eje de bronce decorado en oro . [19]
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 mucho durante este período. [21] En el siglo XII a. C., la fundición y forja de hierro, armas y herramientas, era común desde el África subsahariana hasta la India . 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 (el Levante , Chipre , Grecia , Creta , Anatolia y Egipto). [15]
El hierro se fundía originalmente en bloomeries , hornos donde se usaban fuelles para forzar el aire a través de una pila de mineral de hierro y carbón ardiendo . 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 laborioso y lento proceso 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. Mientras que la floración 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 se podía convertir en un producto mucho más duro calentando la pieza terminada en una cama de carbón y luego enfriándola en agua o aceite. Este procedimiento convirtió las capas externas de la pieza en acero , una aleación de hierro y carburos de hierro , con un núcleo interno de hierro menos quebradizo.
Teorías sobre el origen de la fundición de hierro
El desarrollo de la fundición de hierro se atribuyó tradicionalmente a los hititas de Anatolia de la Edad del Bronce tardía . [22] 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 al final de la Edad del Bronce Final, fueron los responsables de difundir el conocimiento por esa región. Esta teoría ya no se sostiene en la corriente principal de la erudición, [22] ya que no hay evidencia arqueológica del supuesto monopolio hitita. Si bien hay algunos objetos de hierro de la Anatolia de la Edad de 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. [21]
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. [22] Estos metales, especialmente el estaño, no estaban ampliamente disponibles y los trabajadores del metal 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. [23] 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 producido implementos de hierro datados entre 1800 y 1200 a. C. [24] A principios del siglo XIII a. C., la fundición de hierro se practicaba a gran escala en la India. [24] En el sur de la India (actual Mysore ), el hierro se utilizó en los siglos XII al XI antes de Cristo. [5] La tecnología de la metalurgia del hierro avanzó en el período políticamente estable de Maurya [25] y durante un período de asentamientos pacíficos en el primer milenio antes de Cristo. [5]
En varios sitios arqueológicos de la India 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. [16] El historiador griego Herodoto escribió el primer relato occidental sobre el uso del hierro en la India. [16] Los textos mitológicos indios, los Upanishads , también mencionan el tejido, la cerámica y la metalurgia. [26] Los romanos tenían un gran respeto por la excelencia del acero de la India en la época del Imperio Gupta . [27]
Quizás ya en el año 500 a. C., aunque ciertamente en el 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 mezclaron en un crisol y se calentaron hasta que el hierro se derritió y absorbió el carbón. [28] La cadena de hierro se utilizó en puentes colgantes indios ya en el siglo IV. [29]
El acero Wootz se produjo en India y Sri Lanka alrededor del 300 a. C. [28] El acero Wootz es famoso en la Antigüedad clásica por su durabilidad y capacidad para mantener una ventaja. Cuando el rey Porus le pidió que seleccionara un regalo, se dice que Alejandro eligió, en lugar de oro o plata , treinta libras de acero. [27] 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. [30] Según Will Durant , la tecnología pasó a los persas y de ellos a los árabes que la difundieron por Oriente Medio. [27] En el siglo XVI, los holandeses llevaron la tecnología del sur de la India a Europa, donde se producía en masa. [31]
El acero se produjo en Sri Lanka desde el año 300 a . C. [28] mediante hornos impulsados por los vientos monzónicos . Los hornos se excavaron en las crestas de las colinas y el viento se desvió hacia los conductos de ventilación 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 de las que podrían producir los hornos de fuelle, lo que resultó en un hierro de mejor calidad. [32] [33] [34] El acero fabricado en Sri Lanka se comercializa 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 es de hierro forjado (98% Fe ), mide casi siete metros de altura y pesa más de seis toneladas. [35] 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. [36] 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. [37] [38]
Los primeros artefactos de hierro hechos de flores en China datan de finales del siglo IX a. C. [39] El hierro fundido se usaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. [9] Alrededor del 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 moldear en moldes , un método mucho menos laborioso que forjar individualmente cada pieza de hierro 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 en el año 300 a. C., el hierro era el material preferido en toda China para la mayoría de las herramientas y armas. [9] 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 hierro forjado, hierro fundido, hierro fundido maleabilizado 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 regresó a la actividad empresarial privada) y construyó una serie de grandes hornos altos en la provincia de Henan , cada uno con capacidad para produciendo varias toneladas de hierro por día. Para entonces, los metalúrgicos chinos habían descubierto cómo afinar el arrabio fundido, removiéndolo al aire libre hasta que perdiera su carbón y pudiera ser martillado (forjado). (En chino mandarín moderno , este proceso ahora se llama chao , literalmente salteado ; el arrabio se conoce como 'hierro crudo', 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 juntos para producir una aleación de contenido intermedio de carbono, es decir, acero. [40] [41] [42] 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. [43] Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también habían adoptado los métodos de producción para crear acero Wootz, una idea importada de la India a China en el siglo V d. C. [44] Durante la dinastía Han, los chinos también fueron los primeros en aplicar energía hidráulica (es decir, una rueda hidráulica ) para hacer funcionar los fuelles del alto horno. Esto se registró en el año 31 d.C., como una innovación del ingeniero mecánico y político chino Du Shi , prefecto de Nanyang. [45] 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 d. C., en el texto de la era de la dinastía Yuan llamado Nong Shu . [46]
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 mediante forjado repetido bajo una ráfaga fría. . [47] En el siglo XI, hubo una gran cantidad de deforestación en China debido a las demandas de carbón vegetal de la industria del hierro. [48] Sin embargo, en ese momento, los chinos habían aprendido a usar coque bituminoso para reemplazar el carbón vegetal, y con este cambio de recursos se salvaron muchos acres de tierras madereras de primera en China. [48]
Europa de la Edad de Hierro
El trabajo del hierro se introdujo en Grecia a finales del siglo X a. C. [4] Las primeras marcas de la Edad del Hierro en Europa Central son artefactos de la cultura Hallstatt C (siglo VIII aC). Durante 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 hizo común en el norte de Europa y Gran Bretaña . La expansión del trabajo del hierro en Europa Central y Occidental está asociada con la expansión celta . En el siglo I a.C., el acero nórdico era famoso por su calidad y solicitado por los militares romanos .
La producción anual de hierro del Imperio Romano se estima en 84.750 t . [49]
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). [50] [51]
Los habitantes de Termit, en el este de Níger , fundieron hierro alrededor del año 1500 a. C. [52]
En la región de las montañas Aïr en Níger también hay indicios de fundición de cobre independiente entre el 2500 y el 1500 a. C. El proceso no estaba en un estado desarrollado, lo que indica que la fundición no era ajena. Llegó a la madurez alrededor del 1500 a. C. [53]
También se han excavado yacimientos arqueológicos que contienen hornos de fundición de hierro y escoria en lugares de la región de Nsukka , en el sudeste de Nigeria, en lo que hoy es Igboland : que datan del año 2000 a. C. en el lugar de Lejja (Eze-Uzomaka 2009) [54] [51] y para 750 aC y en el sitio de Opi (Holl 2009). [51] 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 antiguas de 896-773 a. C. y 907-796 a. C. respectivamente. [55] De manera similar, la fundición en hornos tipo bloomery apareció en la cultura Nok del centro de Nigeria alrededor del 550 a. C. y posiblemente algunos siglos antes. [7] [8] [56] [50] [55]
También hay evidencia de que el acero al carbono fue fabricado en el oeste de Tanzania por los antepasados del pueblo Haya hace 2.300-2.000 años (alrededor del 300 a. C. o poco después) mediante un complejo proceso de "precalentamiento" que permite temperaturas dentro de un horno. para alcanzar 1300 a 1400 ° C. [57] [58] [59] [60] [61] [62]
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. [7] [8] El uso generalizado del hierro revolucionó las comunidades agrícolas de habla bantú que lo adoptaron, expulsando y absorbiendo la herramienta de roca utilizando cazadores-recolectores. sociedades que encontraron a medida que se expandieron 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. [7] [8]
Los primeros registros de hornos tipo bloomery en África Oriental son descubrimientos de hierro fundido y carbono en Nubia que se remontan a los siglos VII y VI aC, [63] [64] [65] particularmente en Meroe, donde se sabe que bloomeries antiguos que producían herramientas de metal para los nubios y kushitas y producían excedentes para su economía.
Mundo islámico medieval
La tecnología del hierro fue más avanzada por varios inventos en el Islam medieval , durante la Edad de Oro islámica . Estos incluyeron una variedad de molinos industriales accionados por agua y viento para la producción de metales, incluidos molinos de molienda 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 Oriente Medio y Asia central en el este. [66] 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 de metales china al mundo islámico. [67]
Los molinos de molino de engranajes [68] fueron inventados por ingenieros musulmanes y se utilizaron para triturar minerales metálicos antes de la extracción. Los molinos de molienda 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 fines de molienda, se utilizaron levas para levantar y soltar los martillos de viaje . [69] La primera forja impulsada por un molino de agua hidroeléctrica en lugar de mano de obra se inventó en la España islámica del siglo XII. [70]
Uno de los aceros más famosos producidos en el Cercano Oriente medieval fue el acero de Damasco utilizado para la fabricación de espadas , y se produjo principalmente en Damasco , Siria , en el período de 900 a 1750. Este se produjo utilizando el método del acero al crisol , basado en el anterior wootz indio. acero . Este proceso se adoptó en Oriente Medio utilizando aceros de producción local. El proceso exacto sigue siendo desconocido, 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 circundante, por lo que los herreros podrían producir un borde que cortara materiales duros con los carburos precipitados, mientras que las bandas de acero más blando permiten que la espada en su conjunto permanezca resistente y flexible. Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Dresde que utiliza rayos X y microscopía electrónica para examinar el acero de Damasco descubrió la presencia de nanocables de cementita [71] y nanotubos de carbono . [72] Peter Paufler, miembro del equipo de Dresde, dice que estas nanoestructuras dan al acero de Damasco sus propiedades distintivas [73] y son el resultado del proceso de forja . [73] [74]
Europa medieval y moderna
No hubo un cambio fundamental en la tecnología de producción de hierro en Europa durante muchos siglos. Los trabajadores del metal 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 de hierro fundido.
Bloomeries energizados
En algún momento del período medieval, se aplicó energía hidráulica al proceso de floración. Es posible que esto estuviera en la abadía cisterciense de Clairvaux ya en 1135, pero ciertamente estaba en uso a principios del siglo XIII en Francia y Suecia. [75] En Inglaterra , la primera evidencia documental clara de esto son los relatos de una fragua del obispo de Durham , cerca de Bedburn en 1408, [76] pero ciertamente no fue la primera herrería de este tipo. En el distrito de Furness de Inglaterra, los bloomeries motorizados estuvieron en uso a principios del siglo XVIII, y cerca de Garstang hasta aproximadamente 1770.
La Fragua Catalana fue una variedad de floritura poderosa. Los bloomeries con hot blast se usaron 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 encharcamiento en 1783-1784. El desarrollo del hierro fundido quedó rezagado en Europa porque el hierro forjado era el producto deseado y el paso intermedio de la producción de hierro fundido implicaba un alto horno caro y una mayor refinación del arrabio en hierro fundido, que luego requería una conversión intensiva en mano de obra y capital a hierro forjado. [77]
A lo largo de una buena parte de la Edad Media, en Europa occidental, el hierro todavía se fabricaba mediante la transformación de 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 fechas anteriores a los mongoles de muchos de estos centros de producción de hierro. En cualquier caso, a finales del siglo XIV, comenzó a formarse un mercado de artículos de hierro fundido, a medida que se desarrolló una demanda de balas de cañón de hierro fundido.
Fragua de galas
Un método alternativo de descarburación del arrabio fue la forja de galas , que parece haber sido ideada en la región alrededor de Namur en el siglo XV. A finales de ese siglo, este proceso valón se extendió al Pay de Bray en la frontera oriental de Normandía , y luego a Inglaterra, donde se convirtió en el método principal de fabricación de hierro forjado en 1600. Fue introducido en Suecia por Louis de Geer. a principios del siglo XVII y se utilizó para fabricar el hierro de los yacimientos de mineral 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 cementar el hierro forjado . Las barras de hierro forjado y el carbón vegetal se empaquetaban en cajas de piedra, luego se sellaban con arcilla para mantenerlas a fuego rojo y se mantenían continuamente en un estado sin oxígeno sumergido en carbón casi puro (carbón vegetal) durante hasta una semana. Durante este tiempo, el carbono se difundió en las capas superficiales del hierro, produciendo acero de cemento o acero blister, también conocido como cementado, donde las partes envueltas en hierro (el pico o la hoja del hacha) se volvieron más duras que, digamos, una cabeza de martillo de hacha. o casquillo del eje que puede estar aislado 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 (excavados recientemente en 2001-2005 [78] ). Durante un tiempo, en la década de 1610, tuvo una patente sobre el proceso, pero tuvo que cederla en 1619. Probablemente utilizó el hierro del Bosque de Dean como materia prima, pero pronto se descubrió que el hierro de los yacimientos era más adecuado. La calidad del acero podría mejorarse mediante el faggoting , produciendo el llamado acero de cizallamiento.
Acero al crisol
En la década de 1740, Benjamin Huntsman encontró un medio para fundir acero blister, fabricado mediante el proceso de cementación, en crisoles. El acero al crisol resultante , generalmente fundido en lingotes, era más homogéneo que el acero blister. [11] : 145
Transición a la cocaína en Inglaterra
Principios
Las primeras fundiciones de hierro utilizaban carbón vegetal como fuente de calor y como agente reductor. En el siglo XVIII, la disponibilidad de madera para la fabricación de carbón vegetal estaba limitando la expansión de la producción de hierro, por lo que Inglaterra se volvió cada vez más dependiente de una parte considerable del hierro requerido por su industria, de Suecia (desde mediados del siglo XVII) y luego desde aproximadamente 1725 también en Rusia. [ cita requerida ] Fundir con carbón (o su coque derivado ) fue un objetivo buscado durante mucho tiempo. La producción de arrabio con coque probablemente fue realizada por Dud Dudley alrededor de 1619, [79] y con un combustible mixto hecho de carbón y madera nuevamente en la década de 1670. Sin embargo, probablemente se trataba de un éxito más tecnológico 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 conchas. Sin embargo, en la paz posterior a la Guerra de los Nueve Años , no hubo demanda de estos. [80] [81]
Abraham Darby y sus sucesores
En 1707, Abraham Darby I patentó un método para hacer vasijas de hierro fundido. Sus macetas eran más delgadas y, por tanto, más baratas que las de sus rivales. Necesitando un mayor suministro 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) multarlo al hierro en barra. [82]
Por lo tanto, el hierro en barra se siguió haciendo normalmente con arrabio de carbón vegetal hasta mediados de la década de 1750. En 1755, Abraham Darby II (con socios) abrió un nuevo horno que utilizaba coque en Horsehay en Shropshire, al que siguieron otros. Estos suministraban arrabio de coque a las forjas de lujo del tipo tradicional para la producción de barras de hierro . El motivo del retraso sigue siendo controvertido. [83]
Nuevos procesos de forja
Sólo después de esto se comenzaron a idear medios económicamente viables para convertir el arrabio en hierro en barra. 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 alrededor de 1785. Sin embargo, esto fue reemplazado en gran parte por el proceso de charco de Henry Cort , patentado en 1784. , pero probablemente sólo 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. [84]
A principios del siglo XIX, Hall descubrió que la adición de óxido de hierro a la carga del horno de formación de charcos provocó una reacción violenta, en la que se descarburó el arrabio , lo que se conoció como "charco húmedo". 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 la explosión en caliente , patentada por James Beaumont Neilson en Escocia en 1828. [79] Esto redujo aún más los costos de producción. En unas pocas décadas, la práctica consistía en tener una 'estufa' tan grande como el horno contiguo al que se dirigía y quemaba el gas residual (que contiene CO) del horno. El calor resultante se utilizó para precalentar el aire insuflado en el horno. [85]
Fabricación de acero industrial
Aparte de cierta producción de acero encharcado, el acero inglés continuó fabricándose mediante el proceso de cementación, seguido a veces por refundición para producir acero al crisol. Se trataba de procesos por lotes cuya materia prima era barra de hierro, en particular hierro sueco molido.
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 en Sheffield , Inglaterra. (Todavía se puede ver uno de los primeros convertidores en el Museo de la Isla Kelham de la ciudad ). En el proceso Bessemer, el arrabio fundido del alto horno se cargó en un gran crisol, y luego se insufló 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 ardiente proporcionaba la energía adicional necesaria para mantener la mezcla fundida. Una vez que el contenido de carbono en la masa fundida había caído al nivel deseado, se cortó la corriente de aire: un convertidor Bessemer típico podía convertir un lote de 25 toneladas de arrabio en acero en media hora.
Finalmente, el proceso básico de oxígeno se introdujo en la fábrica de Voest-Alpine en 1952; una modificación del proceso básico de Bessemer, lanza oxígeno desde arriba del acero (en lugar de burbujear aire desde abajo), reduciendo la cantidad de nitrógeno absorbido por el acero. El proceso básico de oxígeno 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 en barras al principio, pero desde entonces se han expandido a productos planos y pesados, que alguna vez fueron el 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 pequeñas excepciones, 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 utilizó ampliamente hasta la década de 1920.
Ver también
- Lista de aleaciones
- Historia de la acería
- Edad de Hierro
- Cultura Nok
- Metalurgia extractiva no ferrosa
- Metalurgia romana
- Bintie , un acero al carbono posiblemente chino
Notas
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Otras lecturas
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enlaces externos
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