Historia de la producción de acero
La historia de la producción de acero , como la mayoría de las historias de descubrimientos y avances técnicos , no es lineal. Los aceros se encuentran en varios lugares del planeta a lo largo de la historia. Ciertas innovaciones aparecen sin difundirse: Europa descubre el uso del carbón 1000 años después de China , los árabes desconocen este combustible. Otros se difunden de manera diferente: la adopción de la energía hidroeléctrica permite reinventar el alto horno dondequiera que el mineral de hierro sea compatible.
Con el Renacimiento se inició un inventario de técnicas, incluyendo el análisis continúa con métodos científicos al final de la XVIII ª siglo. Estas tecnologías , que están marcadas por las limitaciones y transmisión de locales know-how , persistirán en la segunda mitad del XIX ° siglo. Fue en este momento cuando aparecieron las innovaciones más significativas. Todos están vinculados al desarrollo del proceso indirecto: la pareja formada por el alto horno y el convertidor son los cimientos de la siderurgia moderna.
Por último, la industria del acero a finales del XX ° siglo se ve obligado a mutar pronto. La posibilidad de utilizar masivamente energías y procesos hasta ahora costosos o complejos, como la electricidad o la inyección de oxígeno puro, permite el uso de herramientas cuyos rendimientos superan indiscutiblemente a los de la revolución industrial .
Hierro, fundición, acero, una definición que cambia con el tiempo
Desde la Edad del Hierro , el mineral de hierro se ha trabajado a temperaturas relativamente bajas en un alto horno . Se obtiene una masa heterogénea, la " lupa ", que se martilla para eliminar la escoria . Los artesanos notaron desde el principio que no todos los bloques metálicos obtenidos tenían las mismas propiedades. Posteriormente, los avances científicos permitieron clasificar las diferentes aleaciones según su composición química.
Antigüedad
Si los antiguos griegos ya distinguían el hierro del acero, es probable que el significado histórico de estas dos palabras esté distorsionado por nuestro conocimiento actual. De hecho, coexistieron dos palabras: sídēros ( σιδηρος ), que designa al hierro, también se usó para producción (mina de hierro), uso (hecho de hierro, trenzado en hierro), empleo (cortado con hierro) y simbolismo (duro como el hierro). , con corazón de hierro). Incluso parece que este término ha designado a los metales de manera general. La otra palabra, khályps , khálybos ( χάλυψ , χάλυβος ), designa más precisamente acero; se refiere a Chalybes , un pueblo de Anatolia que Estrabón atribuye la invención de la industria del acero, y sería similar a Hatti ḫapalki y Hurrian ḫabalgi , tanto en el sentido de "hierro". Según doxographe griega de la III ª siglo aC. J.-C. Theophraste , sería Délas, un frigio , quien habría inventado el hierro. Teofrasto escribió un Tratado sobre metales , cuyo título original recuerda la palabra metal, pero el término de Teofrasto metálleuta ( μετάλλευτα ) designa la palabra general utilizada. La metalurgia del hierro ya estaba desarrollada, ya que los griegos practicaban la cementación para endurecer el hierro y así obtener acero.
El latín también adoptó el helenismo chalyb para designar el acero, la palabra sideros se usa solo marginalmente. El término general ferrum , de origen semítico ( cf. fenicio barzel , asirio parzillu ), designa el hierro frente a otros metales, independientemente de su resistencia o uso. Es esta palabra la que se conservará en las lenguas romances ( ferro en italiano, fèrre en occitano, hierro en español, proud en rumano).
La edad Media
En general, el término "acero" designa las aleaciones que se enfrían , es decir, que se endurecen cuando el metal al rojo vivo se enfría en agua. El término "hierro" se refiere al metal que no se endurece por enfriamiento. Este significado permanece hoy en las expresiones "hierro forjado" o "hierro plano", "hierro U" y "hierro I", que son piezas de acero, en el sentido moderno del término, que no se endurecen.
Réaumur, Monge, Berthollet y Vandermonde
Hacia 1720, Réaumur estudió, aplicando reglas científicas e incluso industriales (cálculo del precio de coste), los métodos de fabricación del hierro. Afirma contra el espíritu común de la época que "el acero es un hierro menos refinado donde las moléculas de hierro están separadas por masas de azufre y sales que le dan su dureza" . Pero no fue hasta el final de la XVIII ª siglo que la distinción entre " hierro ", " acero " y " moldeada " se basa en la tasa de carbono contenido en la aleación .
Durante la Revolución Francesa , como muchos científicos, Monge , Berthollet y Vandermonde se pusieron al servicio de la República . La Francia en guerra necesita acero para las armas. Para estimular la industria nacional, muy dependiente de las importaciones de metales, sintetizaron los conocimientos y prácticas de la época en el Aviso a los trabajadores franceses del hierro sobre la fabricación de acero . Desde el principio, los autores distinguen claramente entre hierro, acero y hierro fundido, en función del contenido de carbono :
“El carbón no solo tiene la propiedad de sacar del hierro el aire que se había unido a él; pero él mismo puede fundirse en hierro a gran temperatura y, por lo tanto, le da propiedades al hierro fundido y lo convierte en acero. "
Sin embargo, persisten algunos errores sobre el papel del oxígeno , y en ese momento no se conocía la influencia de otros elementos, como el silicio . De hecho, el texto continúa de la siguiente manera:
“El hierro fundido debe considerarse como un metal cuya reducción no es completa […]. Así, el hierro fundido blanco retiene una mayor cantidad de oxígeno y contiene poco carbono; el hierro fundido , por el contrario, contiene más de esta última sustancia pero está mucho más desprovisto de oxígeno. "
En su obra Descripción del arte de fabricar cañones , Monge recuerda que el acero es "hierro refinado que ha absorbido carbón, y es principalmente por la cantidad en que se distribuye el carbón en la masa que los aceros se diferencian entre ellos" . Aparece el plural: si la definición de acero se mantiene en función de su contenido de carbono, queda por explicar la variedad de propiedades de esta aleación .
Definición actual
Las aleaciones ferrosas se componen principalmente del elemento químico hierro . La distinción entre las tres familias de aleaciones ferrosas se basa en el nivel de carbono contenido en la aleación y, en particular, en la presencia de una fase eutectoide o eutéctica:
- Hierro industrial y aceros extrablandos: <0,050% de carbono;
- acero : entre 0,050% y 2,1% de carbono: presencia de una fase eutectoide;
- Hierro fundido : entre 2,1% y 6,67% de carbono: presencia de una fase eutéctica.
En el caso del hierro industrial, el carbono está completamente disuelto. En los aceros, una parte se encuentra en forma de precipitados de carburo . En el caso de los hierros colados, puede haber precipitados de carburo o grafito.
La definición por la tasa de carbono es bastante teórica, se establece para una aleación puramente binaria hierro-carbono sin ningún otro elemento de aleación . Se trata de una situación excepcional que no tiene en cuenta impurezas ni elementos de aleación añadidos voluntariamente.
Protohistoria: aparición de la metalurgia del hierro
La edad de hierro comienza entre el II e e I er milenio antes de Cristo. AD , pero aún no sabemos mucho sobre su génesis. El consenso actual, que atribuye a los indoeuropeos entre ellos los hititas la invención de la producción de hierro y acero, se basa esencialmente en el descubrimiento de objetos de hierro en Anatolia y contemporáneos a su cultura: es con ellos que el hierro comienza a reemplazar el cobre y el bronce en la fabricación de armas (lanza, espada, daga, hacha). Por lo tanto, uno de los objetos de hierro no meteoríticos más antiguos jamás encontrados es una hoja de daga , encontrada en una tumba de Hatti , fechada en -2500 . Sin embargo, es posible que la metalurgia del hierro se haya inventado de forma independiente en el África subsahariana. La cuestión de si la metalurgia africana se inventó independientemente de la del resto del mundo no está resuelta por la comunidad científica.
De -2000 a -1600 ( la Edad del Bronce Medio en el Cercano Oriente ), solo ha sobrevivido un número muy limitado de objetos de hierro: cuatro se han encontrado en Asia Menor , uno en Creta y dos en Chipre . Pero las primeras huellas escritas que evocan la producción de hierro aparecen en este momento. Los escritos encontrados en Kültepe , Alalakh y Mari sugieren que el hierro se ha producido en el este de Anatolia desde finales del tercer milenio antes de Cristo. AD y que el metal era precioso entonces, su disponibilidad como su calidad eran muy inciertas.
A partir de -1500, los objetos de hierro no meteoríticos se vuelven cada vez más presentes en la cuenca del Mediterráneo oriental , pero siguen siendo raros: el bronce parece ser, con mucho, el metal más utilizado. Es a la XII ª siglo como metal de hierro se vuelve más común en una región que va desde el África subsahariana a la India . Debido a problemas de suministro de cobre o estaño o, más probablemente, a la expansión de la tecnología de reducción de mineral de hierro, la Edad del Hierro sucedió a la Edad del Bronce en el Levante , Chipre , Grecia , Creta , Egipto y Anatolia . El origen de la daga de hierro encontrada en la tumba de Tutankamón se ha debatido durante mucho tiempo, pero su contenido de níquel y cobalto medido en 2016 mostró que era hierro meteórico .
| Hora | Hierro | Dinero |
|---|---|---|
| XIX XX - XVIII ª siglos antes de Cristo. J.-C. | 1 | 40 |
| XIV ° siglo antes de Cristo. J.-C. | 12 | 23 |
| VII º siglo aC. J.-C. | 2.000 | 1 |
Si uno cree una palabra acadia del XIX ° siglo AC encontró Kültepe, el hierro y luego cuesta ocho veces más caro que el oro. En el XIV ° siglo antes de Cristo. AD , un documento contable especifica que 23 siclos de plata equivalen a 12 siclos de hierro. Al VII º siglo BCE, Grecia, 1 g dinero sólo cuesta el precio de 2 kg de hierro. El hierro se convirtió entonces en un material utilitario, y las armas hechas de hierro se multiplicaron: un hallazgo importante de esta época es una reserva de Sargón II de 160 toneladas de hierro en Dur-Sharrukin , con un conjunto completo de objetos, que incluyen lupas, herramientas y armas forjadas. .
Por otro lado, se han descubierto pocos sitios de producción de hierro. A pesar de los descubrimientos de escorias en ciertos sitios arqueológicos del segundo milenio antes de Cristo. J. - C., Jane Waldbaum señaló que en 1978, "aún no se ha encontrado ningún rastro de extracción de mineral, de fundición o de trabajo del hierro que se remonta a principios de la edad del hierro" . En 1998, la situación era la misma, los más antiguos altos hornos actualmente conocidos, en Hammeh Tell en Jordan , ya que sólo ha fechado a -930. Pero incluso en este sitio, donde se encontraron muchas boquillas con una gran cantidad de escoria, “las huellas de los hornos siguen siendo muy cuestionables” . De hecho, el conocimiento actual de los procesos primitivos se deriva esencialmente de reconstrucciones de altos hornos:
“[El acero] es en realidad una masa de metal impuro primero. En un hoyo en el suelo, adornado con piedras que cubrieron con capas de arcilla, [los hititas y los calibes ] pusieron carbón que encendieron y sobre el cual se amontonaron en capas alternas de mineral de hierro y carbón. Este mineral, u óxido de hierro, apareció luego en forma de pequeñas rocas que fueron recogidas en el suelo. La temperatura que se obtuvo en estos orificios fue relativamente baja, debido a la falta de un soplado eficiente. Esto vino de varillas huecas a través de las cuales soplamos. Obtuvieron como resultado y después de mucho esfuerzo, una masa pastosa, incandescente, llamada lupa , que tuvieron que batir vigorosamente para deshacerse de su escoria (residuos, por calentamiento y carbón). Estas "lupas", luego forjadas en un "montón" se convirtieron en objetos de la vida cotidiana y también en armas. "
Antigüedad y Edad Media: acero "artesanal"
porcelana
Producción de hierro, su transformación en hierro fundido o acero.Fue durante el período de Primavera y Otoño (771 a 453 a.C. ), aunque el bronce siguió siendo el metal dominante, que el hierro, resultado de una lupa obtenida en el alto horno, apareció y suplantó gradualmente al hierro meteórico .
China es rica en mineral de hierro y la arcilla utilizada resulta ser un excelente material refractario . Con el desarrollo de potentes fuelles, los artesanos de la época utilizaron las técnicas necesarias para dominar la fusión del hierro. Luego se funde en hornos de fusión con un papel similar al de la cúpula . Pero cuando el hierro caliente entra en contacto con el carbón, absorbe el carbón contenido en el combustible hasta que se satura. Se obtiene así hierro fundido , más fácil de fundir que el hierro, homogéneo y libre de las impurezas presentes en la lupa.
El hierro fundido objetos de este modo aparece muy temprano en China poco después de que el hierro de V º siglo aC. AD . El reparto se generalizó durante el período de los Estados Combatientes (500 a 221 aC. ), Durante la cual las herramientas agrícolas y armas cast llegado a ser frecuente, mientras que los fundadores de la III ª siglo aC. AD emplea equipos de más de doscientos hombres. De hecho, los chinos comprendieron muy temprano, 20 siglos antes que los europeos, las cualidades de este material y desarrollaron el arte de la fundición , produciendo objetos complejos y de calidad (como rejas de arado ). A partir de la III ª siglo, el hierro fundido blanco , frágil, es convertida por un largo recocido de una semana, fundido maleable .
Aunque el hierro fundido se generaliza, se conoce la transformación del hierro fundido en hierro o acero. El "método de cientos de refinamientos" desarrolla II º siglo aC. AD . Descrito cuidadosamente alrededor del 120 a. C. AD , consiste en soplar alternativamente, mediante dos fuelles, aire sobre hierro fundido martillado y al rojo vivo. Bien realizado, el método permite adaptar el contenido de carbono a la zona de la pieza: el filo de las espadas es de acero duro mientras que el dorso de la hoja es de hierro. También se está desarrollando la V ª siglo, la producción de acero mediante la mezcla de hierro con hierro fundido. Este método, la co-fusión de hierro y hierro fundido, requiere el uso de hierro fundido muy puro, libre de elementos nocivos (silicio, fósforo, manganeso, etc. ). Cada vez es más común a VI º siglo.
Estos dos procesos, así como sus numerosas variaciones, que Joseph Needham correlaciona con los procesos Bessemer y Martin-Siemens , no evolucionan hacia una industria siderúrgica , como la inventará el Occidente moderno. Por el contrario, bajo la dinastía Han, un método eficaz artesanal, pero aparecieron, el chǎo (炒) refino (literalmente "a dorar en la sartén "). La técnica se desarrolló entonces, la industria del hierro fue incluso nacionalizada en el 119 a. C. AD .
Después de la invención del chǎo , se desarrollan otros métodos. Los chinos importan wootz de la India y, durante la dinastía Tang (618-907) , aprenden gradualmente a fabricar aceros al crisol . Para XVII º siglo ( dinastía Ming ), Song Yingxing da a conocer un proceso de refinado del hierro fundido en base a la elaboración de la cerveza de hierro en estado fundido con un oxidante tierra (tal vez salitre ). A finales de la dinastía Qing (1644-1912), se perfeccionó el refinamiento de pandillas : consistía en fundir un hierro fundido en una atmósfera oxidante y luego mezclarlo con hierro.
Sin embargo, el método chǎo se está generalizando. Consiste en mezclar piezas de hierro fundido con carbón ardiente. La combustión se ventila inyectando aire en la chimenea, cuyo diseño (generalmente un agujero en el suelo coronado por una cúpula) permite limitar las pérdidas de calor. Este método y sus muchas variantes, a veces tarde (como Chaolu de Sichuan , que se describe en 1905 como un proceso pudelado ), sobrevivirán hasta mediados del XX XX siglo.
Estos procesos de refinado se benefician de importantes innovaciones técnicas. El libro agrícola de Wang Zhen muestra en 1313 el uso de martillos hidráulicos . Estos se utilizan para triturar cereales pero, en 1637, Song Yingxing muestra que el uso está generalizado allí en trabajos metalúrgicos, porque el molino de agua que describe opera varios vencejos alternativamente.
Invención del alto hornoDesde alrededor del 1000 a.C. AD , los chinos conocían la estufa avivada por un viento ( gāo lú , 高爐), que permite alcanzar altas temperaturas, pero solo la usaban para cerámica.
En 31, el Du shi chino mejoró la ventilación con el uso de fuerza hidráulica para accionar los fuelles . El aire de combustión puede pasar entonces por una carga superior y los hornos de esta época alcanzan entonces dimensiones imponentes: los restos de un crisol ovalado de 2,8 m × 4 m colocado sobre una base de tierra de 12 m × 18 m , con restos de instalaciones periféricas (canal, mecanismo de elevación de mineral, fuelles ...). Este aumento de tamaño contribuye a alcanzar una temperatura más alta. El horno, alimentado enérgicamente, se vuelve capaz tanto de reducir el mineral como de fundir el metal: el alto horno se convierte entonces en la herramienta ideal para la producción de arrabio.
Se utiliza un aditivo, una "tierra negra" que contiene fósforo (posiblemente vivianita ), para reducir el punto de fusión: el metal líquido ayuda a la evacuación de la escoria ( escoria ). Esta técnica desaparece antes de la VI ª siglo, cuando la mejora de los hornos permite prescindir.
Por lo tanto, mil años antes de la Europa del Renacimiento , los chinos dominaron perfectamente la producción de un hierro fundido de calidad, así como su implementación . A diferencia de Europa, que se centra en la calidad del acero, China desarrollará la producción de grandes cantidades de hierro fundido, que los altos hornos producen directamente del mineral.
Pero la producción de acero sigue estando marcada por limitaciones locales. En el norte de China, la escasez de carbón llevado ante el IV º siglo, el desarrollo de los procesos que utilizan el carbón como combustible y agente reductor. Sin embargo, debe evitarse cualquier contacto entre el azufre , un elemento fragilizante proporcionado por el carbón, y el hierro. Los chinos desarrollaron entonces un proceso que consistía en colocar el mineral de hierro en baterías de crisoles tubulares alargados y cubrirlos con una masa de carbón que se quemaba. Este proceso, que prefigura modernos procesos de retorta de reducción directa sobrevivió hasta el XX ° siglo. Integrado con el espacio china técnica, Japón las importaciones de la parte inferior del horno (llamado Tatara ) desde el continente a la VIII ° siglo para la producción de tamahagane pero el horno no cambia en altura (por lo que el alto horno) debido a la baja permeabilidad de la ferruginosa arenas utilizadas.
De la India al mundo islámico
Alrededor del año 300 a.C. AD nació en la parte sur de la subcontinente indio, incluyendo Sri Lanka , una técnica de cementación de hierro al acero maquillaje. Los lingotes de acero producidos, conocidos como kannada de ukku "superior" en el sur de la India (de ahí el inglés wootz ), se desarrollan en dos etapas:
- reducción, calentando el mineral de hierro a 1200 ° C con carbón vegetal, madera y hojas.
- la carburación , obtenida calentando el hierro con carbón (carbón vegetal probablemente) a 1200 ° C en un crisol sellado.
La forja a baja temperatura (rojo sangre / cereza) rompe, sin hacerla desaparecer, la malla de cementita presente en el lingote y permite reducir la heterogeneidad del lingote. Además de buenas cualidades mecánicas (dureza y flexibilidad), el acero pulido revela hermosos diseños. La técnica se extendió desde la India hasta Merv , una capital de los partos en la Ruta de la Seda , donde wootz se conocía como pōlāwad , de ahí pûlâd en persa y fûlâh en árabe. Luego, cruza China ( bin tiě ) y Mongolia ( bolot ) para llegar a Rusia, donde el wootz se llama bulatʹ .
También fue en este momento cuando se erigió el Pilar de Hierro de Delhi , construido soldando lingotes de hierro en bruto. Su contenido de fósforo, que lo protegió de la corrosión , da como resultado un metal frágil. La fragua y los productos que allí se utilizan ( bórax , cal, etc.) siguen siendo, por tanto, imprescindibles para obtener armas de calidad.
El comercio con la India permite la importación de lingotes de wootz (acero con un contenido de carbono de 1,5 a 2%) en Irán, donde los herreros produjeron el famoso acero de Damasco durante un período que abarca desde el 900 hasta el 1750.
Aunque relativamente pobre en depósitos de mineral de hierro, el mundo islámico es pionero en equipar sus forjas con agua y molinos de viento . Los primeros rastros de mortero hidráulico se encuentran en Samarcanda (973 o antes) y en la Persia medieval, antes de que la técnica se extendiera por todo el mundo islámico. Esta mecanización, que generaliza el Asia Central a la España islámica durante el XI ° siglo, desarrollado especialmente durante el XII ° siglo España. En el XVII ° siglo, la adopción del tronco hidráulico permite el florecimiento de la forja catalán .
En Europa: el alto horno para producir acero
Antigüedad: desarrollo de la metalurgia del hierroEl trabajo del hierro se introduce en la antigua Grecia al final del X º siglo aC. AD , en Europa Central durante el período Hallstatt C ( VIII º siglo aC. ). Durante el VII ° y VI ª siglos antes de Cristo. AD , estos objetos de hierro son caros y reservados para una élite. Homero se hace eco de esto en la Ilíada, donde se ofrece un disco de hierro crudo al ganador de un evento de atletismo. Esta situación cambia abruptamente poco después del 500 a. C. D. C. con la llegada de La Tène ; La metalurgia del hierro se extendió al norte de Europa y las Islas Británicas . La difusión en Europa central y occidental está asociada con la expansión celta .
La competencia entre el uso del bronce y el del hierro, especialmente para las espadas, dura varios siglos. Los romanos, que tenían el cobre español, vieron el interés en cambiar a espadas de hierro solo en la época de las guerras púnicas . En la I er siglo antes de Cristo. AD , los romanos, que difundieron sus prácticas de metalurgia del hierro en su imperio , aprecian particularmente la calidad del acero nórdico . La producción anual de hierro del Imperio Romano se estimó entonces en 54 750 toneladas, mientras que, al mismo tiempo, la China de Hans , que está igualmente poblada, solo produce 5.000 toneladas al año.
Edad Media: aparición de una industriaLa adopción masiva de hierro a su vez estimula el proceso de desarrollo: los hornos romanos se expanden desde la II ª siglo aC. AD . Si bien producían poco más de 4 a 5 kg de hierro por operación, esta cantidad alcanzó los 50 a 60 kg en la Edad Media , la limitación provenía principalmente de las dificultades de suministro de materiales.
El desarrollo de la orden cisterciense es el factor principal detrás de la expansión de la producción europea de hierro de la XI ª siglo. Estudiando y difundiendo las mejores tecnologías metalúrgicas, los cistercienses impulsaron la metalurgia europea a un alto nivel: en Francia e Inglaterra, la eficiencia de sus "hornos de masa" resultó ser muy cercana a la de un alto horno. A principios del XIII ° siglo, hornos de masas son imponentes estufas bajos de piedra construidos para ser duraderos: la extracción de la lupa es a través de una gran abertura en la base del horno. Un ejemplo exitoso de este tipo de horno, característico del espacio germánico, es el stückofen , de sección cuadrada y mampostería, que se eleva a 4 m . La escoria debe retirarse regularmente del horno para permitir que el viento oxide el carbón del carbón vegetal, que inevitablemente es absorbido por el metal. De lo contrario, el metal, demasiado rico en carbono, es insuficientemente maleable; incluso puede ser simplemente un hierro fundido extraído en estado sólido del horno. El control de la escoria, que en adelante debe ser fundible, es una característica de limitación del funcionamiento de los hornos de masa.
Los hornos cada vez más grandes producen lupas de tal tamaño que ya no es posible trabajarlas a mano. En el XII ° siglo apareció en Francia el uso de la energía del agua para el funcionamiento de martillos : una primera fuente menciona su uso en 1135 en la abadía de Clairvaux , el punto de partida de una propagación rápida y bien documentado en toda la Europa. Estas herramientas aumentan la capacidad de producción de los herreros : el uso de martillos permite trabajar piezas de mayor tamaño (los martillos de la época podían pesar 300 kg y dar 120 golpes por minuto) y más rápidamente (martillos de 80 kg golpeando 200 rondas por minuto). ).
Asimismo, es necesario un aumento de la potencia del soplador por la altura del horno: el aire debe soplarse a 0,7 bar para poder atravesar la carga. Si aún es posible usar fuelles , deben operarse con ruedas hidráulicas . La energía hidroeléctrica también se presta bien a la aplicación de los martillos como fuelles, pero parece que el martilleo hidráulico precedida sopladores: la primera aplicación está atestiguada desde el XII ° siglo, el segundo sólo se invoca desde el XIII ° siglo.
Así, la adopción de la energía hidroeléctrica se produce en Europa doce siglos después de la china. El aprovechamiento de esta energía, como el aumento de tamaño de los hornos, hace que las forjas sean fábricas sedentarias. El alto horno, que fue un proceso nómada a lo largo de la Edad Media que se construyó de acuerdo con los afloramientos de mineral y la disponibilidad de combustible, inició su evolución hacia la industria del acero .
Esta industria, que luego se benefició de la mejora en el transporte de materiales, quedó muy limitada por sus necesidades de madera y por la disponibilidad de energía hidráulica. El consumo de combustible es considerable: para obtener 50 kg de hierro por día, se requieren diariamente 200 kg de mineral y 25 metros cúbicos de madera; en cuarenta días, una sola mina de carbón limpia un bosque en un radio de 1 km . Esto no plantea ningún problema siempre y cuando los claros son útiles para el desarrollo de la agricultura, pero el XIII ° siglo se alcanza un límite: los bosques conservan un papel importante la crianza, la madera es esencial para la construcción como la calefacción. La nobleza , que obtiene ingresos de la tala, debe regular gradualmente la tala de madera. Por lo tanto, XIII ª siglo, cuando el rey de Inglaterra hizo que contar para su gran forja en el bosque de Dean , se encuentra con que vender la madera consumida por la forja traerlo más de la misma fragua.
XV ° siglo Europa: Adopción del proceso indirecto
Aspecto del alto horno.
Una reinvención europea tardíaEl uso de energía hidráulica alimenta significativamente la combustión en el horno. Las forjas brazos, muchos aún en el XVI ° siglo, son reemplazados gradualmente por forjas hidráulicos que se centran en los bancos de los ríos que están sujetos al fenómeno de la apropiación privada de los señores laicos y eclesiásticos. Este proceso ve el desarrollo de fuelles hidráulicos que reemplazan a los fuelles manuales y permiten alcanzar temperaturas más altas en hornos más grandes. Mientras tanto, el desarrollo de vencejos permite dar forma a las barras utilizadas en la arquitectura gótica ( tirantes , barras de silla ) y la artillería a pólvora ( bombardeos ya sea en hierro forjado y retráctil , pero fundido en hierro , en moldes ) objetos de hierro cuya cantidad y tamaño requieren el uso de estos fuelles y martillos hidráulicos.
El aumento de temperatura (hasta más de 1200 ° C en el interior de un alto horno) va acompañado de una difusión más rápida del carbono del carbón vegetal al metal. Como resultado, este último contiene un mayor contenido de carbono que el acero, lo que reduce su temperatura de fusión . Sin embargo, con el aumento de tamaño, las temperaturas en el corazón de la subida horno otra vez, hasta 1600 ° C . La influencia combinada de un hogar más caliente con un material que se ha vuelto más fusible permite que el metal salga del horno en estado líquido. Este horno que produce hierro fundido ya no puede describirse como un horno de aumento, pero tomará varios nombres antes de convertirse en el " alto horno " en el sentido moderno de la palabra.
Esto, Hornos al fondo de una masa horno tan avanzado que puede producir hierro fundido, se produce en Europa en varios lugares de la XII ª a la XV ª siglo. El lugar exacto y la fecha de aparición de los primeros altos hornos aún no está establecido con certeza: los altos hornos europeos más antiguos son vestigios de Lapphyttan , Suecia , donde el complejo estuvo activo desde 1150 hasta 1350 . En Noraskog, en la parroquia sueca de Järnboås , también se han encontrado rastros de altos hornos aún más antiguos, posiblemente que datan de 1100. En Europa continental, las excavaciones han desenterrado altos hornos en Suiza , en el valle de Durstel cerca de Langenbruck , y datan del siglo XI. º y XIII th siglos. También se ha identificado en Alemania un horno de producción de hierro fundido (un Flussofen ) en el valle Kerspe fechado 1275 y, en el Sauerland , altos hornos de fecha XIII ° siglo. Todos estos primitivos altos hornos están técnicamente próximos a los hornos bajos: construidos en arcilla con piedras, sus restos no superan los 2 m de altura.
Es posible una transmisión de tecnología de China a Europa, pero nunca se ha demostrado. En el XIII ° siglo, Al-Qazwini en cuenta la presencia de una industria de hierro en las montañas de Alborz sur del mar Caspio , cuyas técnicas que podría pasar por la ruta de la seda . Esta tecnología podría luego extenderse a Europa, a Suecia, siguiendo la ruta comercial de Varangian ( Rus ) a lo largo del Volga , o al norte de Italia donde, en 1226, The Filarete describe un proceso en dos tiempos en Ferriere , con una explosión. horno cuyo hierro fundido se vertía dos veces al día en agua para hacer una pastilla.
Por lo tanto, es más probable que el alto horno europeo apareciera en Escandinavia y en otros lugares, independientemente de las invenciones chinas. La fusión final del horno, llamada en el momento "hierro fundido" (esta designación continuará y todavía será utilizado por Monge al final de la XVIII ª siglo), es fácilmente moldeable. Pero los europeos tardarán en desarrollar la metalurgia y los usos. A diferencia de los chinos, si "los europeos han hecho el reparto en Suecia a la XIII ° siglo, no se utilizan para fabricar piezas fundidas . No tenemos ollas, sartenes (para cocinar), campanas o platos de hogar que datan de este período. "
Es en XV ° siglo que la generalización de la imprimación de alto horno en Europa, Namur ( Valonia ), gracias al desarrollo de un método eficaz para refinar el hierro fundido, el "método de Valonia", que permite la producción masiva de acero naturales . A partir de ahí, los altos hornos se extendieron en Francia, en el país de Bray (Normandía), luego en Inglaterra, en Weald ( Sussex ).
Generalización frenada por la escasez de recursosLa producción europea de hierro forjado se estima entre 25.000 y 30.000 toneladas anuales alrededor de 1400. Alcanzó unas 40.000 toneladas alrededor de 1500. Pero este aumento no puede atribuirse a la generalización de los procesos de alto horno y refino. De hecho, si la tecnología se difunde rápidamente, su adopción no es sistemática. En primer lugar, tiene la desventaja de ser codicioso en combustible: el costo del carbón vegetal, que representa del 30 al 50% de los gastos de un zorro nómada, sube al 72% con el proceso indirecto. Esto agrava las tensiones en la madera:
“Este proceso tiene la ventaja de acelerar considerablemente la producción a pesar de las dos fases sucesivas que hace necesarias, y al mismo tiempo garantiza una mayor productividad al permitir reducir la plantilla. Por otro lado, tiene el inconveniente de provocar un consumo de leña muy elevado en comparación con una unidad de hierro producida. […]
Es evidente que el proceso indirecto posibilitó un aumento de la productividad que equilibró parcialmente el aumento de los costos de la madera. Sin embargo, si la plantilla era muy numerosa, la aplicación del proceso indirecto casi nunca resultaba rentable. "
- Rolf Sprandel, La producción de hierro en la Edad Media
La escasez también puede afectar al mineral. En el XV ° siglo, y representa el 45% de los costes de forjas de Liguria , el 40% en la cocina de la Erzberg . La industria minera se desarrolló con el desarrollo de técnicas de apuntalamiento o drenaje de galerías inundadas. El uso de explosivos se desprende de la XVI ª siglo y se utiliza para subir a 20 metros bajo la superficie.
Asimismo, la disponibilidad de energía hidráulica es fundamental y dicta la ubicación del taller. La capacidad para operar todo el año depende de los arreglos hidráulicos:
“El agua es una energía necesaria para las forjas, que no se puede explotar al máximo sin mucha inteligencia, trabajo y gasto. No es necesario decir que no se debe emprender la construcción de una fragua, si, por el cálculo realizado de antemano, está claro que no se puede recolectar suficiente agua y a tal altura. "
Con el desarrollo de métodos de refinado de hierro fundido (métodos Valonia, Champagne, Osmond, etc. ), la actividad se está volviendo cada vez más intensiva en capital . En 1671, los altos hornos de Putanges , en Normandía , se vendieron en bloque por 500 libras , para ser reemplazados por un alto horno alquilado de 1.200 libras al año. Todas estas limitaciones explican la supervivencia de bajos cocinas mejoradas, como la forja catalán que, en Francia , desaparece al comienzo del XIX ° siglo, cuando Thomas proceso diferenciales.
Acero natural
El refino del arrabio se lleva a cabo mediante métodos empíricos que permiten eliminar el carbono del arrabio de los altos hornos. Los diferentes métodos son de origen regional y probablemente corresponden en parte a las cualidades de los minerales de hierro utilizados. El método más utilizado es el denominado método "Valón" . Este método se ha utilizado en una gran parte de Europa a la XVII ª siglo. Existen variantes como el método Champagne o el método Comtoise en el que el cerdo se coloca en el medio del hogar y no arriba. Sin embargo, existen métodos con diferencias significativas, como el “método Nivernaise”.
El método valónEl arrabio se empuja sobre las llamas de un hogar ventilado por fuelles . Bajo el efecto del calor, el carbono contenido en el hierro fundido se oxida al arder. Las gotas de hierro caen en la caja que contiene el hogar. Este último se enfría desde abajo para permitir la solidificación de la lupa de hierro. Un trabajador ayuda en el proceso pinchando el extremo blando del cerdo con un "aparejo".
Este proceso tiene varios inconvenientes: la lupa está cargada de escoria en el hogar y la temperatura no es suficiente para oxidar el fósforo ( Más información ), por lo que solo es posible utilizar hierro fundido blanco por ser pobre en fósforo.
Al igual que ocurre con las rebabas de hierro obtenidas en el alto horno , la escoria se elimina mediante "roza". Esta operación de forja se realiza con un martillo , golpeando vigorosamente la lupa con golpes bruscos y repetidos.
El método NivernaiseEl hierro fundido se funde (o parece muy ablandado) en un horno llamado "mazerie" con carbón y escoria. A continuación, este hierro fundido se cuela sobre un revestimiento refractario enfriado con agua. El refinado se realiza pasando aire sobre el conjunto.
En 1786, el barón Philippe-Frédéric de Dietrich describió este método de la siguiente manera:
“El trabajo de la mazerie está en vigor principalmente en el Nivernois , y es un empleado de esta provincia quien lo puso en uso en la fragua de Uza . Es muy poco conocido en otros lugares. Tuve la oportunidad de ver esta obra con bastante detalle en las forjas reales de Nivernois, lo que permite dar una idea.
Consta de tres procesos distintos: 1 °. en la revisión completa del cerdo, para convertirlo en tortas: 2 °. en el asado de estas tortas: 3 °. en su refinamiento.
En algunos lugares se tritura el cerdo y se refinan las tortas en el mismo fuego; en otros tenemos un fuego destinado a fundir y otro a refinar.
El fuego de fusión se llama mazerie.
Sus dimensiones son de cuarenta a cuarenta centímetros de profundidad; sus lados tienen de dieciséis a dieciocho en todas direcciones, desde el suelo hasta sus bordes: el fondo del crisol está inclinado hacia el chio que está al nivel del suelo.
La boquilla entra en la zona, a ras de los bordes del fuego, y se le da más o menos salto, según la calidad del hierro fundido: si es blanda, se eleva; si es dura y acre, se inclina más; al criarlo, afecta más inmediatamente al cerdo y menos al material fundido.
El cerdo se coloca contra el viento por su extremo. Lo rodeamos y cubrimos con escoria de grandes forjas, y lo cargamos al mismo tiempo con tapones de vado o con caperuzas a la antigua : esta operación requiere muy poco trabajo; en poco tiempo obtenemos una pequeña pieza que lleva el nombre de maffiot, que pesa cuarenta y tantos kilos. "
Este método persistirá. Así lo describen Grüner y Lan en 1862:
“… Bastará recordar rápidamente los principios y resultados […] de mazéage .
Esta manipulación todavía se lleva a cabo en Inglaterra en las cocinas bajas de coque, conocidas como las galas inglesas. Trabajo, cada uno conocido: es la fusión de hierro fundido, ya sea solo o complementado con escamas o escoria de ferretería, bajo la influencia de una corriente de aire. La posición del hierro fundido en relación con las toberas, la inclinación del viento, su presión, la profundidad del hogar, etc., etc., son todos los que varían la intensidad de la acción del aire sobre el metal. "
Acero de cementación
Los hierros obtenidos pueden ser sometidos a operaciones de cementación . Esta operación, documentada desde la Antigüedad, consiste en incrementar el contenido de carbono de la capa superficial de la aleación para obtener características mecánicas superiores.
En cuanto al proceso moderno de la cementación en hornos dedicados, hay evidencia de la XVI ª siglo.
En Francia, Nicolas-Prosper Bauyn d'Angervilliers , intendente de Alsacia, comunica a Réaumur un método utilizado en Alemania para la fabricación de acero en crisol. Réaumur diseñó en 1822 un horno de placas refractarias móviles. Sobre estas planchas, coloca barras de hierro forjado ahogadas en diversas mezclas carbonáceas hechas de madera machacada, cenizas y hollín . El conjunto se calienta para provocar la migración de carbono por difusión en las barras (fenómeno de cementación): las barras de hierro al rojo vivo se forjan, es decir, se sueldan y se forjan.
Mientras que el hierro fundido y el hierro entraron en la era industrial, el acero cementado sigue siendo un producto caro. Al principio del XIX ° siglo en el Reino Unido, se pone aún calentando hierro sueco en contacto con carbón, durante 6 semanas. Sus ventajas son conocidas y compensan su precio: jugando tanto con el contenido de carbono como con los tratamientos térmicos , permite al metalúrgico obtener un material duro , resistente o dúctil .
Producción de altos hornos y charcos de hierro fundido
XVIII XX y principios del XIX ° siglo: la metalurgia científica
El conocimiento científico del acero es inseparable del trabajo de los científicos de la XVIII ª siglo, Réaumur , Gabriel tarros, Grignon, Guillot-Duhamel, Lavoisier y Hassenfratz, en palabras de la directora, quien inventó el término " acero " para expresar la racionalización de la producción de metales ferrosos.
Gaspard Monge , Claude-Louis Berthollet y Alexandre-Théophile Vandermonde clasifican los "aceros" en tres categorías según su método de producción:
- Acero natural (o acero de Alemania): fabricado descarburando chapas de hierro fundido. “Estos resbalones están destinados a ser convertidos en hierro o acero… ¿es ese acero lo que pretendemos hacer? Usamos un horno de refinería más estrecho y profundo, lo calzamos con carbón que humedecemos ... luego colocamos las láminas allí, y las cubrimos con escoria y carbón ... "
- Acero cementado: hecho de hierro macizo en el que la tasa de carbono aumenta por difusión. “Hacemos un lecho de polvo de carbón en el fondo de la caja…: ponemos una hilera de bandas de hierro en esta cama, que colocamos para que cada banda quede rodeada de polvo; luego esta primera fila se cubre completamente con un lecho de media pulgada de espesor de polvo de carbón vegetal: continuamos de esta manera sucesivamente hasta que el crisol está lleno: la última fila se cubre con polvo de carbón vegetal, sobre el cual colocamos un lecho de arena , para cubrir completamente su superficie, y evitar que sea destruida por combustión ... En Newcastle donde cementamos en dos cajas, contenidas en un horno, de 25 a 30 mil aceros, la operación dura 5 días y 5 noches. "
- El acero fundido: es un método que permite mejorar la calidad del acero producido por uno de los dos métodos anteriores. El acero se funde para homogeneizar su composición.
“Ponemos el acero en el crisol con un fundente, que hacemos un secreto; y se coloca el crisol sobre un ladrillo redondo, se coloca en la rejilla. Tenemos carbón reducido a carbón, que ponemos alrededor del crisol y llenamos el horno; le prendimos fuego, y cerramos por completo la abertura superior del horno, con una puerta de ladrillo, rodeada de un círculo de hierro.
El crisol está cinco horas en el horno, antes de que el acero se derrita perfectamente. "
El alto horno moderno
La historia del alto horno está marcada por las innovaciones que permitieron alcanzar las altas temperaturas necesarias para la fusión de fundición y escoria , lo que facilita las reacciones químicas entre estos dos productos. En este contexto, generalmente se consideran esenciales tres innovaciones:
- el uso de energía hidráulica o eólica para soplar aire de combustión; la adopción de tecnologías desarrolladas para otros usos comenzó en la Antigüedad, independientemente de su ubicación;
- sustitución de carbón de madera a principios del XVIII ° siglo;
- precalentar el aire de combustión hacia el medio del XIX ° siglo.
El carbón, como combustible y agente reductor, había sido adoptado por los chinos durante el período de los Estados Combatientes de la IV ª siglo aC. AD . Desconocido para los árabes, difícil de extraer en casi toda Europa, este combustible había permanecido relativamente desconocido para los europeos. Aunque los chinos han desarrollado un horno de carbón en el que el combustible no entró en contacto con el hierro y el carbón se utiliza ampliamente para complementar la madera forja el XVIII ° siglo, en sustitución del carbón por esta roca en un alto horno sólo dio pobre echó calidad planchar.
De hecho, la hulla contiene elementos que, a falta de un postratamiento adecuado ( rejilla ), modifican la calidad del hierro fundido. El silicio , que limita la solubilidad del carbono en el hierro, permitirá la formación de laminillas de grafito , que debilitan el metal. Se trata de los de hierro fundido metalúrgicos de finales del XVIII ° siglo, que están equivocados acerca de su composición, creen que la única Ajustar a convertirse en el acero, pero deplorar la difícil conversión a hierro:
“[El hierro gris] retuvo menos oxígeno, pero contiene mucho más carbono; es más suave y preferible para los usos para los que se requiere esta calidad; pero es más difícil convertirlo en hierro, porque para ello es necesario destruir la mayor parte del carbón que, en este estado, resiste considerablemente la combustión. "
El azufre es más problemático. Conocido desde la Edad Media y fácilmente detectable en la combustión del carbón por su olor, es un elemento debilitante y debilitante en cuanto su contenido supera el 0,08%. Cuando se combina con el manganeso , que es común en los minerales de hierro, degrada considerablemente las cualidades de los aceros. A diferencia del silicio, la extracción de azufre disuelto en hierro líquido es difícil porque no puede ser consumido por el aire.
Se trata de Abraham Darby , que originalmente era tostador, que realiza en 1709 la primera coque de fundición de hierro en el pequeño alto horno de Coalbrookdale que había contratado:
“Se le ocurrió que era posible fundir el hierro en el alto horno con carbón vegetal, y desde allí trató de usar carbón vegetal crudo primero, pero no funcionó. No se desanimó, convirtió el carbón en cenizas, como se hace con el horneado de malta, y finalmente obtuvo satisfacción. Pero descubrió que solo un tipo de carbón vegetal era el más adecuado para hacer hierro de buena calidad ... "
- TS Ashton , hierro y acero en la revolución industrial
El coque , más resistente al aplastamiento que el carbón vegetal, simplifica el funcionamiento del alto horno. Pero el uso de coque de carbones bajos en azufre es un elemento clave para la calidad del hierro fundido. La fundición de coque, considerada de menor calidad que la fundición de leña y no apta para la producción de acero, tardó 50 años en establecerse antes de que los competidores de Darby comprendieran plenamente este punto.
Al comunicar muy poco sobre los detalles del proceso, los Darby mejoran continuamente el proceso y la calidad del hierro fundido producido. Hacia 1750, Abraham Darby II envió su arrabio a las forjas sin precisar el proceso para su obtención: la fundición de coque resultó ser perfectamente apta para su conversión en hierro "sin que aparecieran prejuicios mientras no existiera". proceden los cerdos y cómo se producen ” .
La producción de fundición de carbón vegetal persiste por la calidad atribuida a este tipo de fundición y la reticencia de algunos maestros forjadores , pero también por el proteccionismo practicado por los países productores (Francia, Alemania, etc.) hacia la expansión del Industria siderúrgica británica. En 1760, el Reino Unido solo contaba con 17 altos hornos de coque , pero 20 años después, el nuevo proceso se generalizó allí: ya no existía un alto horno de carbón vegetal. Superando la baja disponibilidad de madera (también necesaria para la construcción naval ), la producción total de hierro fundido británico crecerá exponencialmente. En 1809, un siglo después de la invención de la fundición de coque, la producción anual alcanzó las 400.000 toneladas, mientras que la de la fundición de carbón vegetal fluctuó entre 15.000 y 25.000 toneladas durante el mismo período. Después de esta fecha, los altos hornos de carbón vegetal desaparecieron del Reino Unido.
En Francia, las primeras pruebas de coque no se llevaron a cabo hasta 1769 en Hayange antes de la construcción de los altos hornos de coque en Le Creusot bajo la dirección del británico William Wilkinson . Las guerras con Inglaterra suspenden entonces todo desarrollo. Cuando volvió la paz, los maestros del hierro se vieron obligados a adoptar el proceso para luchar contra las importaciones de acero inglés.
La industria siderúrgica estadounidense abandonó el carbón vegetal al mismo tiempo. Aunque tiene acceso a tecnologías inglesas, está menos limitado por la disponibilidad de madera. También se beneficia de la antracita de Pensilvania , que se puede usar directamente en el alto horno y luego se abandona gradualmente en favor del coque.
En el XIX ° siglo, el uso del coque permite un cambio radical en la materia. Además de la disponibilidad de este combustible, su resistencia a la compresión a alta temperatura permite mantener una buena permeabilidad al gas reductor. La altura de los altos hornos alcanza los veinte metros, lo que mejora significativamente la eficiencia térmica. El aumento de tamaño también cambia la apariencia del horno: la antigua arquitectura piramidal en mampostería es reemplazada por una construcción más ligera y resistente en hierro. Mejor enfriado, el revestimiento refractario también dura más.
Precalentamiento de aireEl escocés James Beaumont Neilson , especialista en el tratamiento de gases industriales y director de Glasgow Gas -works , realizó varios estudios con vistas a mejorar la potencia lumínica del gas ciudad . Informado de la importancia que los maestros forjadores atribuyen a las características del aire de combustión de los altos hornos, les explica uno de sus descubrimientos: la combustión de un gas es más viva con aire caliente que con aire frío. A partir de esta observación, sugirió que también precalienten el aire de combustión en sus altos hornos para mejorar su rendimiento.
Esta idea no es nueva: un ingeniero llamado Seddeger la propuso en 1799 y otro, Leichs, experimentó en esta dirección desde 1812 hasta 1822. Sin embargo, la propuesta sigue siendo recibida con cierto escepticismo:
“Su teoría estaba en total desacuerdo con la práctica establecida, que favorecía el aire más frío posible, siendo la idea comúnmente aceptada que la frialdad del aire en invierno explicaba la mejor calidad del hierro fundido que se producía entonces. A partir de esta observación, los esfuerzos de los maestros de forja siempre se habían dirigido hacia el enfriamiento del aire soplado, y se habían inventado varios recursos para este propósito. Entonces se pintaron los reguladores de blanco, se pasó el aire sobre agua fría y en algunos casos las tuberías de inyección incluso se rodearon de hielo. Entonces, cuando Neilson propuso revertir completamente el proceso y usar aire caliente en lugar de frío, la incredulidad de los maestros de la forja es fácilmente imaginable ... "
- R. Chambers , Diccionario biográfico de eminentes escoceses
De hecho, ¡nadie había entendido entonces que la ventaja del aire frío radica solo en el hecho de que es más seco!
Sin embargo, se están realizando pruebas iniciales que están resultando alentadoras. Aunque no se pudo desarrollar un sistema de calefacción de aire satisfactorio, el principio fue patentado en 1828. Para fomentar el desarrollo de un calentador adecuado, Neilson se las arregló con una modesta regalía de un chelín por tonelada producida con su proceso. En 1829, fabricó la primera máquina industrial que calienta el aire a 150 ° C , en Clyde . En 1931, Calder Works implementa un aire a aproximadamente 350 ° C . Incluso teniendo en cuenta el consumo de combustible del calentador de tipo tubular, el calor suministrado permite un ahorro total de carbón de hasta un tercio, al tiempo que reduce significativamente el contenido de hierro de la escoria. A diferencia del uso de coque, que tardó casi un siglo en establecerse, el proceso se adoptó rápidamente. Su interés lo demuestran los científicos que enumeran sus beneficios:
"1. En la parte inferior del alto horno, el carbono no se oxida a CO 2, pero solo en CO. Quemar [una libra de lignito ] en el alto horno genera solo 2.473 Btu mientras que su combustión completa, como ocurre cuando se calienta el viento, genera 8.080 Btu […]
2. El uso de aire caliente acelera la fusión de materiales cerca de las boquillas .
3. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, el carbono se quema directamente en monóxido de carbono y el calor se concentra [en las boquillas]. Con el viento frío, se produce dióxido de carbono cerca de las toberas, luego se descompone en monóxido más arriba en el horno, lo que dispersa la combustión.
4. Dado que la combustión es más local y se requiere menos aire [para quemar menos coque], la parte superior del horno está más fría y los humos se llevan menos calor.
5. Menos coque significa que se descargan menos cenizas en forma de escoria, lo que disminuye la cantidad de fundente necesario y, por lo tanto, el combustible.
6. Como se necesita menos coque, se necesita menos tiempo para quemarlo. Esta cantidad de coque se reemplaza ventajosamente, para un volumen de horno dado, por mineral, lo que aumenta la productividad del horno ... ”
- T. Turner, La metalurgia del hierro
El calor necesario para recalentar el aire puede provenir de combustibles mucho más baratos que el coque: el dispositivo de Neilson se contenta con carbón de mala calidad. Sin embargo, el poder calorífico de los humos de los altos hornos, que se encienden espontáneamente al salir de la garganta , no se le había escapado a nadie: a partir de 1814, el francés Aubertot los recuperó para calentar unos hornos auxiliares de su fábrica. De hecho, el interés de estos humos consiste en la presencia de una pequeña proporción (alrededor del 20% en ese momento) de monóxido de carbono , un gas tóxico pero combustible.
En 1837, el alemán Faber du Faur desarrolló el primer calentador de aire, tubular, que toma los gases antes de que salgan de la carga. James Palmer Budd presentó una patente similar en 1845, pero proponía un método práctico para capturar los gases: estos se tomaban de debajo de la garganta y se bajaban al pie del alto horno por chimeneas laterales. Luego, en 1850, apareció en Ebbw Vale el sistema de cerrar la boca con una campana, que se fue imponiendo paulatinamente.
Los gases de los altos hornos , que han pasado a través de la carga, deben desempolvarse para no obstruir los hornos: los depósitos de polvo , los ciclones y los filtros purifican estos humos hasta niveles de polvo de unos pocos miligramos por metro cúbico normal . Estas instalaciones tienen en cuenta las limitaciones vinculadas a la gestión de un gas tóxico producido en grandes cantidades.
Sin embargo, los primeros calderas de metal difícilmente posible superar 400 ° C . Mientras que un aparato de ladrillos refractarios permite el funcionamiento a temperaturas más altas, la baja conductividad térmica del material conduce a un funcionamiento basado en la acumulación y liberación de calor en lugar de la conducción.
Con esto en mente, Edward-Alfred Cowper , un ingeniero británico, presentó en 1857 una patente titulada Mejoras en hornos para calentar aire y otros fluidos elásticos . Las primeras pruebas comenzaron en 1860, en las fábricas de Clarence , pero tropezaron con la resistencia de los ladrillos, apilados en hileras escalonadas siguiendo la idea de Carl Wilhelm Siemens , que no soportaba los ciclos térmicos. Ese mismo año reaccionó proponiendo mejoras que presagiaban el horno final: se alejaba la llama de los ladrillos, que tenían canales rectilíneos.
El británico Whitwell mejoró significativamente la resistencia de los refractarios al hacer que el aire se eleve entre las paredes de ladrillos planos. Esta disposición también facilita la limpieza del conjunto, que el humo debido a la combustión obstruye rápidamente. También multiplica los quemadores y opera en exceso de aire para evitar puntos calientes.
Si los hornos continúan evolucionando, se completa el desarrollo de tecnologías que permitan alcanzar una temperatura de 1000 ° C utilizando energía no utilizada anteriormente: los cowpers se vuelven inseparables del alto horno.
1784, el charco
Desarrollo y mejoraLa escasez de carbón vegetal en el XVIII ° siglo impone su sustitución por combustibles minerales. Sin embargo, la producción de acero natural, que consiste en colocar el arrabio en el medio del hogar, expondría el metal a las cenizas y humos de la combustión del carbón:
“Los incendios de las refinerías no se prestaban a esta sustitución, que ponía el hierro en contacto con un material siempre más o menos sulfuroso. Por tanto, era necesario disponer de hornos donde el metal no tocara el combustible sólido y fuera sometido exclusivamente a la acción de una llama. […]
Fue siguiendo esta idea que el Cort inglés imaginó en 1784, el proceso de refinación que ha Se le ha dado el nombre de charco de la palabra inglesa charco que significa elaborar cerveza . "
- A. Ledebur, Manual teórico y práctico de metalurgia del hierro , p. 366
Un invento que complementa el alto horno de coque, el horno de reverberación Cort libera así a la industria del acero del carbón vegetal. Pero su ventaja se limita al combustible: la combustión del carbono del hierro fundido, que se realiza mediante una corriente de aire, es lenta, lo que implica un elevado consumo de carbón así como una importante oxidación del metal. Consumiendo más de dos toneladas de fundición blanca para producir una tonelada de hierro, el proceso de Cort permite obtener hierro en cantidad pero sin reducir significativamente los costes.
En 1818, la invención del hogar sobre una placa de hierro fundido refrigerada por agua por Samuel Baldwin Rogers , completada unos años más tarde por la de Joseph Hall , quien adoptó un revestimiento refractario oxidante permitió triplicar la producción de un horno. Este revestimiento, formado por óxidos de hierro, reacciona con el hierro fundido y acelera el proceso. Entonces se requiere menos combustible y las pérdidas por oxidación se reducen a casi un 5%.
Estas mejoras son fundamentales. El proceso mejorado, llamado "charco de grasa", a diferencia del método primitivo de Cort, "charco seco", se está extendiendo rápidamente:
“En los viajes metalúrgicos de MM. Dufrenoy , Coste y Perdonnet vemos ( 1 st edición) en 1823 el uso de suelas de arena seguía siendo en general. Hacia 1820 comenzamos a sustituir la arena por escoria triturada. En 1829, vemos aquí y allá suelas de hierro fundido, pero los autores añaden que al encharcar directamente sobre el hierro fundido (sin una capa de chatarra o escoria), los resultados fueron defectuosos. Finalmente, en 1837 ( 2 nd Edition), las suelas de hierro fundido estaban en uso general. "
- E.-L. Grüner, Tratado de metalurgia , p. 168, nota al pie
El procesoEl charco comienza con la preparación del lenguado. El encharcador deposita en la base la capa de escoria y óxidos que se convierte en costra bajo la acción combinada del calor del horno y el enfriamiento de la base de hierro fundido. A continuación, se carga el arrabio sobre esta capa de óxidos. Dado que la formación de charcos grasos se puede realizar en un hogar básico, es posible tratar el hierro fundido rico en silicio o fósforo.
Tan pronto como el hierro fundido comienza a derretirse, interviene el encharcador. Su trabajo se desarrolla en condiciones difíciles y requiere conocimientos obvios :
“… El trabajo del trabajador consiste […] en arar el hierro fundido y la escoria con una fuerte pasada de moda, curvada en ángulo recto en su extremo […]. Las partículas metálicas se mezclan así con los elementos oxidados y ambos quedan expuestos a la influencia del aire. Para operar la preparación, no abrimos la puerta de trabajo en sí. El trabajador experimentaría demasiado calor y el horno se enfriaría. Simplemente introducimos las herramientas a través de una simple apertura de 0.10 a 0.15 m de lado, realizada en la parte inferior de la puerta móvil, y fácil de cerrar ...
A medida que el hierro se refina, se vuelve menos fusible; Por lo tanto, para continuar la agitación, es necesario aumentar gradualmente la temperatura, reabriendo gradualmente el conducto de humos de la chimenea.
En lugar del gancho, el trabajador utiliza con frecuencia un borde biselado, llamado palet, o cepilladora, que permite despegar las partes que se han enfriado o que se han endurecido de la suela, que tienden a adherirse a ella. "
- E.-L. Grüner, Tratado de metalurgia
La descarburación del hierro fundido provoca burbujeo, correspondiente a la liberación de monóxido de carbono . Cuando esto se detiene, todavía podemos presionar la descarburación para obtener hierro. Cuando el charcutero lo considera terminado, divide la masa metálica en unas bolitas. Estos se presionan en el horno para purgarlos de escoria.
La extracción de estas bolas del horno es seguida inmediatamente por martilleo o laminado para extraer la mayor cantidad de escoria posible y dar una forma aprovechable, generalmente barras. Durante esta fase, el comportamiento del metal caliente permite juzgar su calidad.
Además de la preparación, la calidad del hierro encharcado también depende de la velocidad y la meticulosidad con que se haya agrietado. El metal obtenido consiste de hecho en una matriz de hierro que contiene escoria encharcada y óxidos formados en la superficie de las bolas de hierro crudo durante el amarre. La forja de las barras orienta estas impurezas para limitar su nocividad. Esto requiere forjados repetidos y herramientas potentes: es la era de los martillos , que son capaces de perfeccionar el amarre y forjar con precisión piezas grandes.
Acero en el crisol
Los hierros obtenidos por charco se prestan bien al endurecimiento de la carcasa. Pero la recarburación sigue siendo superficial, el metal obtenido es heterogéneo:
“En el pasado, el acero nunca se fundía ni se vertía después de su fabricación; en un solo caso, el de wootz , se fundió durante la fabricación. Cualquiera que sea el método […], el acero en masa no se obtuvo en estado homogéneo. Incluso mediante el endurecimiento de la caja del hierro en las barras, ciertos defectos que se manifiestan en la fabricación del hierro, especialmente los inherentes a la presencia de escorias , se perpetuaron más o menos en las barras de acero […]. Ahora bien, el fundido y moldeado del acero remedia el mal denunciado, y así se pueden obtener lingotes de una composición perfectamente homogénea en todas sus partes. Es a Benjamin Huntsman a quien estamos en deuda por la solución práctica de este importante problema. "
- J. Percy, Tratado completo sobre metalurgia
Fabricante de relojes, cerraduras y herramientas diversas, Benjamin Huntsman no está satisfecho con la calidad de los aceros que trabaja. Está realizando experimentos para producir acero de mejor calidad. Desarrolló su proceso, consistente en fundir cargas de 34 libras (o 15,4 kg ) en crisoles de terracota . El crisol, lleno de piezas de acero, se cierra y luego se calienta con coque durante casi 3 horas. Luego, el acero fundido se vierte en moldes y los crisoles se reutilizan.
La calidad obtenida permite, por ejemplo, producir muelles de alto rendimiento para la relojería, como el del cronómetro marino Harrison para medir longitudes. Por otro lado, el método no se adapta bien a la producción de piezas grandes, pero surgirán rápidamente muchas mejoras para hacer frente a este problema. Krupp se distinguió allí, logrando fundir un lingote de 2,25 toneladas en 1851 y 21 toneladas en 1862.
Sin embargo, la industria local se niega a utilizar este acero, porque resulta ser más duro que el que hasta ahora se importaba de Alemania. En sus inicios, Hunstman no tuvo más remedio que exportar su metal a Francia. Pero la creciente competencia de los cuchillos franceses, hechos de acero al crisol, preocupaba a los cubiertos de Sheffield. Después de haber intentado sin éxito prohibir la exportación de acero al crisol, los industriales ingleses se vieron obligados a adoptar este acero.
Huntsman no patentó su proceso y, preocupándose poco por su prosperidad, "nunca consintió en hacer crecer su negocio por ninguno de los medios tan comunes en la actualidad" . Su secreto es descubierto por un competidor llamado Walker. La difusión de conocimientos técnicos llevó a una expansión espectacular de la producción de acero en Sheffield. Mientras que antes de la invención de Huntsman en 1740, se producían allí menos de 200 toneladas de acero por cementación, un siglo después, la producción de acero al crisol alcanzó las 20.000 toneladas de acero: de Sheffield salió el 40% del acero producido en Europa. En 1860, la producción de acero de Sheffield superó las 80.000 toneladas, más de la mitad de la producción mundial.
El monopolio inglés de acero endurecido fundido en el crisol es roto en 1805 por el alemán Johann Conrad Fischer (en) .
Acero industrial
1856, el proceso Bessemer
El descubrimientoHenry Bessemer es un exitoso ingeniero e inventor inglés. A principios de la década de 1850, trató de fundir hierro y acero para evitar la operación de amarre . Para no contaminar el metal, debe utilizar un horno de reverberación , en el que dosifica hierro fundido y hierro para obtener acero. Para alcanzar las temperaturas necesarias, provoca una corriente de aire en la superficie del baño de metal líquido con el fin de mejorar la combustión de los humos.
Luego observó que, en la superficie del hierro fundido líquido, se formaban delgadas placas de hierro descarbonizado. Este hierro, sólido porque su temperatura de fusión es superior a la del hierro fundido, se obtuvo por la sola acción del aire "sin encharcamientos ni otras manipulaciones" . Luego decide reorientar su investigación para comprender mejor este descubrimiento. Para hacer esto, construyó un crisol de laboratorio con una varilla que permitía inyectar aire en hierro fundido fundido. Esta herramienta experimental le permite obtener hierro líquido.
Este crisol se calienta desde el exterior. Sin embargo Bessemer, que conoce la naturaleza exotérmica de las reacciones de refinación, quiere saber si el calor proporcionado por la reacción es suficiente no solo para compensar la pérdida de calor debida al suministro de aire frío, sino también para elevar la temperatura a la del hierro. derritiendo.
El método ideado por Bessemer suscita mucho escepticismo. Así, relata este intercambio con su capataz que resume la opinión general:
"'¿Dónde quiere poner el metal, señor? "
Yo le respondí: "Quiero que lo eches con la ayuda de un canal en este pequeño horno", señalando el convertidor, "aquel cuyo calentamiento has parado y en el que tengo que soplar aire. Frío para calentarlo ”. El hombre me miró con un aire en el que curiosamente se mezclaban la sorpresa y la lástima por mi ignorancia.
Luego dijo: "Rápidamente lo llevarán en masa". "
- Henry Bessemer, Sir Henry Bessemer, FRS, una autobiografía
Sin embargo, el primer intento se vio coronado por el éxito. Animado por George Rennie, presidente de la sección de mecánica de la Asociación Británica , se dirigió el 13 de agosto de 1856 a Cheltenham para explicar su proceso ante el congreso de esta reconocida asociación. Su discurso tuvo un gran impacto y fue reproducido al día siguiente en The Times .
El convertidor BessemerBessemer prueba varias formas de hornos. Estos resultan poco adecuados al proceso: es necesario poder detener el refino rápidamente y en cualquier momento sin dañar las boquillas, las formas internas deben ser cóncavas para mejorar la resistencia del refractario, las instalaciones de suministro de hierro líquido debe mantenerse alejado de la boquilla durante el soplado ... Resuelve el problema creando un convertidor rotatorio en forma de retorta :
“Busqué activamente una solución para estos graves fallos sin éxito, hasta que tuve la idea de montar el convertidor en ejes; para poder sostener las boquillas sobre el metal hasta que todo el hierro fundido estuviera en el convertidor. Esto permite que el soplado de toda la carga se lleve a cabo al mismo tiempo y también permite que el soplador se detenga durante la descarga. Este movimiento del convertidor permite detener la operación en cualquier momento para reparar una boquilla dañada y facilita enormemente el trabajo. "
- Henry Bessemer, Sir Henry Bessemer, FRS, una autobiografía
Al mismo tiempo que el convertidor, Bessemer está desarrollando todas las herramientas auxiliares. Luego se construyó una planta de demostración en Sheffield ; después de dos años de funcionamiento, se vuelve rentable. Para los maestros de la forja que compran el derecho a utilizar el nuevo proceso a cambio de una regalía de diez chelines por tonelada de metal producido, Bessemer ofrece planes para una herramienta perfectamente desarrollada. Thomas Turner señala, unos cincuenta años después del anuncio de Cheltenham, que es “notable que no solo el primer diseño, sino también los detalles mecánicos del proceso provienen del mismo espíritu, y que la invención ha dejado de estar en manos de su diseñador logró que desde entonces no se hayan introducido mejoras, excepto detalles menores ” .
La fabricación del acero BessemerDurante las primeras pruebas, la violencia de la reacción fue tal que, a Bessemer, el proceso le pareció "condenado como herramienta comercial, por las proyecciones de escoria, y sólo por eso" . Las mejoras que aporta al horno finalmente le permiten gestionar las proyecciones. Estos son incluso esenciales para evaluar el progreso de la maduración :
- la combustión del silicio, que es el principal contribuyente térmico (la combustión del 1% de silicio eleva la temperatura del baño en 300 ° C ) ocurre primero. Esta fase se manifiesta por proyecciones de chispas amarillas y una corta llama anaranjada;
- la combustión del carbono se identifica por la aparición de una llama blanca larga y brillante. Como la combustión genera grandes cantidades de monóxido de carbono , el baño de metal líquido se agita violentamente. Por otro lado, el bajo aporte térmico del carbono es rápidamente aceptado por todos, mientras que Bessemer lo había considerado fundamental;
- la combustión del hierro tiene lugar al final de la reacción. Genera humo rojizo, característico del óxido de hierro . Sin interés térmico, esta fase corresponde a un desperdicio de hierro refinado.
Para el operador, por lo tanto, es fácil distinguir las diferentes fases del soplado. Sin embargo, los pocos herreros que compraron el derecho a utilizar el proceso Bessemer no pueden obtener un metal utilizable: es frágil y se desmorona si se trabaja en caliente. Investigando con detenimiento el origen de la mala calidad del hierro obtenido con determinadas fundiciones, encontró que " el arrabio británico contiene abundantemente este enemigo mortal, el fósforo " .
De hecho, el hierro, cuando contiene más de 3 ‰ de fósforo, se vuelve quebradizo. Para Bessemer, que inicialmente había orientado su investigación hacia la obtención de acero de alta calidad para la fabricación de armas, es un golpe. Las primeras pruebas de su proceso, realizadas con una fundición de carbón sueco, habían producido una fundición blanda de calidad satisfactoria. La búsqueda de una mejora capaz de eliminar el fósforo movilizó la energía de Bessemer durante varios años. Pero, después de gastar varios miles de libras esterlinas en varios experimentos, no puede encontrar una solución para eliminarlo. Incluso comprando los derechos de sus asociados, Bessemer no logra encubrir el asunto, que se difundió incluso en la prensa:
“Me permití llevar mi invento al interés público demasiado rápido. No debería haber hecho esto antes de que se hubieran analizado todos los detalles del proceso, y para entonces lo habría convertido en un gran éxito comercial (no científico). "
- H. Bessemer, Sir Henry Bessemer, FRS; Una autobiografía , pág. 164
Sin embargo, el encharcamiento demuestra ser capaz de eliminar el fósforo de un medio de fusión, el fósforo, pero las reacciones que permiten este resultado aún no se conocen bien. Aún no sabemos que "la combustión del fósforo se produce formando ácido fosfórico ( P 2 O 5) que sólo puede sobrevivir si se fija con una escoria básica ” . Pero una escoria básica solo actúa si ningún otro material ácido ocupa el lugar del ácido fosfórico. Sin embargo Bessemer, cuyo proceso trabaja con hierro líquido, y no pastoso, debe utilizar un revestimiento refractario más eficiente que los aptos para el encharcamiento y en este momento, solo los refractarios a base de sílice , por lo tanto muy ácidos, son capaces de resistir las severas condiciones imperantes. en el convertidor.
El acero Bessemer sustituye al hierro encharcadoPero Bessemer ofrece más que un proceso y la fábrica asociada, un nuevo material: acero líquido. De hecho, la presencia de una gran cantidad de oxígeno disuelto en el hierro líquido al final del soplado requiere un tratamiento adicional. Una adición de spiegeleisen , una fusión de manganeso que se combina con oxígeno para formar óxido de manganeso , es ideal. Pero esta ferroaleación también recarboniza el hierro. Esta recarburación es en última instancia una oportunidad, porque transforma el hierro en acero. El proceso, mal adaptado "a la producción de hierro dulce, pasa a ser, con algunas modificaciones, capaz de producir aceros de buena calidad, con un gran grado de composición y resistencia" .
Bessemer no pierde de vista que sus primeras pruebas consistieron en producir un metal fundido cuya calidad, a diferencia del hierro encharcado, no depende del amarre ya que está libre de escoria. A pesar de la mala reputación inicial del acero Bessemer, tanto por el anuncio prematuro hecho en Cheltenham, como por la ignorancia de los maestros del hierro que desconocían la sensibilidad del acero a los tratamientos térmicos, insistió en la superioridad del metal refinado en el viento. .
Sus esfuerzos no son aislados: la metalurgia científica sucede a los métodos empíricos que dieron origen a los procesos anteriores. El acero Bessemer, que se está extendiendo en la producción de raíles , progresa para ser compatible con las aplicaciones más exigentes, como pistolas y calderas .
La industrialización de este metal está en marcha. Desde principios de la década de 1860, los metalúrgicos franceses Gruner y Lan afirman sin rodeos que “es bastante obvio para nosotros que el acero encharcado, así como el hierro encharcado de acero (hierro en grano), ha tenido su día. Darán paso al acero Bessemer, ya que ellos mismos reemplazaron el antiguo acero de forja y el acero más o menos templado por forjado. "
1877, Thomas y Gilchrist desfosforizan el hierro fundido
¿Cómo convertir hierros fundidos con fósforo?Incapaz de desfosforizar el hierro fundido, Bessemer resolvió limitar su proceso al refinado del hierro fundido al carbón sueco y unos pocos hierros fundidos de hematita inglesa, hechos de minerales libres de fósforo. El proceso sigue siendo rentable porque su eficiencia compensa el mayor costo de los hierros fundidos de calidad. Es poco popular, excepto en Estados Unidos , Gran Bretaña y, en menor medida, Suecia , los únicos países cuya producción de acero está despegando.
Sin embargo, muchos países solo tienen minerales de hierro fosforoso. Este es el caso de Francia con el gatito Lorraine , pero también de Alemania , Bélgica , Luxemburgo e incluso Gales . Muchos fabricantes no solo no pueden utilizar el proceso, sino que debido a la alta demanda, los minerales sin fósforo se están volviendo extremadamente costosos. Muchos investigadores están estudiando el problema de la desfosforización. Las reacciones químicas se descubren gradualmente.
La oxidación del fósforo da un ácido cuya forma anhidra a alta temperatura es el pentóxido de fósforo P 2 O 5, que se forma durante la siguiente reacción: 2 P + 5 O P 2 O 5
Sin embargo, como muestra el diagrama de Ellingham , este óxido de fósforo es degradado por el hierro después de la reacción: P 2 O 5 + 5 Fe → 2 P + 5 FeO cuando T> 1280 ° C .
Si la desfosforización por encharcamiento, que opera sobre hierro a temperatura relativamente baja, es solo ligeramente penalizada por esta reacción, no es lo mismo en un convertidor. De hecho, la temperatura es mucho más alta allí porque, al final del soplado, corresponde al menos a la del hierro fundido ( 1535 ° C ). Para superar esta reacción, un óxido básico debe combinarse con el óxido ácido P 2 O 5en la escoria desde su creación. Por tanto, es posible tanto estabilizar el fósforo en forma oxidada como reducir la actividad del P 2 O 5 para promover su creación.
A principios de la década de 1870, comenzaron a publicarse los primeros resultados. Cierto Heaton consigue desfosforar el hierro fundido líquido mediante el uso de nitrato de sodio , Snelus patenta el uso de cal , Bell desarrolla un proceso que utiliza magnesia y óxido de hierro ... De hecho, la oxidación del fósforo en presencia de un exceso de cal permite que el creación de un fosfato estable, dependiendo de la reacción:
2 P + 5 FeO + n CaO → n CaO.P 2 O 5 + 5 Fe con n = 3 o 4.
Sin embargo, la idea se topa con la imposibilidad de desarrollar un revestimiento refractario estable. El revestimiento refractario adoptado por Bessemer es silíceo, por lo tanto muy ácido. Cualquier base presente en el horno se combinaría con la sílice preferentemente con el óxido de fósforo, que es mucho menos ácido, por lo que es necesario desarrollar un refractario básico. Sin embargo, no existe un recubrimiento básico que se pueda utilizar industrialmente:
“ El carbonato de cal se descompone con el calor; la cal viva absorbe la humedad y cae polvo ... El día que apagamos el fuego, la cal se funde y cae en polvo. La magnesia sería más adecuada, porque no se desintegra en el aire; desafortunadamente, el carbonato de magnesia es una rareza mineralógica. ¿Quizás podríamos recurrir a la dolomita , el doble carbonato de cal y magnesia? La dolomita, cocida a alta temperatura, especialmente si contiene suficiente arcilla para sinterizar un poco, resistiría la acción del aire húmedo mejor que la cal pura. "
- E.-L. Grüner , Tratado de metalurgia
Invención de ThomasLa intuición de Grüner es correcta. Pero son dos ingleses los que harán el descubrimiento y desarrollarán el método.
Sidney Gilchrist Thomas tiene 25 años cuando cree que puede encontrar la solución. Solicita la ayuda de su primo Percy Carlyle Gilchrist , un químico de Blaenavon Ironworks en Gales . Están trabajando en el desarrollo de un revestimiento refractario básico probando varios aditivos para estabilizar la cal. En su versión final, el refractario consiste en dolomita triturada luego cocida y mezclada con alquitrán . La cocción de la dolomita es una calcinación que hace que el mineral sea apto para soportar altas temperaturas. El alquitrán es un aglutinante y un agente impermeabilizante que evita que el material absorba humedad y dióxido de carbono que harían imposible su uso.
Las pruebas de laboratorio comenzaron en 1877 en Blaenavon Ironworks . Sidney Thomas luego presenta una patente para proteger su invención. Luego, las pruebas a escala industrial se realizan en Dowlais Ironworks . Los éxitos observados en esta fábrica decidieron a los dos primos a publicar su invento. Como Bessemer en Chelteham, estos preparan una intervención para el congreso del Iron and Steel Institute en el otoño de 1878, que tiene lugar en París. Pero su presentación se consideró irrelevante y su lectura se pospuso hasta la próxima sesión. Sin embargo, el problema de la desfosforización es de gran interés para la comunidad de la industria del acero. El reconocido metalúrgico Bell , que abre este congreso presentando su investigación sobre la desfosforización, conduce a un debate en el que Thomas interviene discretamente:
“En medio de esta discusión, un miembro joven, aparentemente el más joven de la asamblea, informó modestamente en tres frases que acababa de eliminar casi todo el fósforo en el proceso Bessemer, y que varios cientos de análisis llevados a cabo por el Sr. Gilchrist confirmó una disminución del 20 al 99,9% del fósforo. Nadie se rió ni felicitó a este joven por este logro. No preguntamos sobre su método de eliminación; este anuncio no muy demostrativo ni siquiera se notó. Este joven, cuyo nombre era conocido sólo por unos pocos presentes allí, era Sidney Gilchrist Thomas, y el proceso Thomas-Gilchrist acababa de anunciarse por primera vez. "
- William Tulloch Jeans, los creadores de la era del acero
Durante el invierno, Thomas aporta las últimas mejoras a su proceso. El 4 de abril de 1879 se inició la producción industrial en la fábrica de Bolckow Vaughan en Middlesbrough , en un convertidor con una capacidad de 15 toneladas. Los directores de las fábricas donde se realizaron las pruebas aseguran la publicidad del nuevo proceso. El rumor se extendió entonces y "Middlesbrough es rápidamente asediado por las fuerzas combinadas de Bélgica, Francia, Prusia , Austria y América " . El Congreso del Instituto del Hierro y el Acero en la primavera de 1879 reconoció el éxito de los dos primos y los maestros del hierro que se habían asociado con ellos. Desde agosto, las acerías de Europa continental anuncian sus éxitos.
El procesoAparte del recubrimiento, el proceso es muy parecido al proceso "ácido" de Bessemer. La oxidación del fósforo requiere algunas operaciones adicionales: previamente se vierte en la retorta una carga de cal Bright correspondiente al 12 al 15% en peso de la masa fundida, luego se rellena la masa fundida. Finalmente, el soplado se extiende más allá de la descarburación para permitir la desfosforización.
Las operaciones de desilicación y descarburación son similares a las del proceso ácido; sólo cambia la cinética de las reacciones, favoreciendo la basicidad de la escoria la producción de sílice pero obstaculizando la de óxido de manganeso.
Durante la desfosforización, el fósforo oxidado migra a la escoria. El fuerte aumento de temperatura se explica por el aspecto muy exotérmico de la oxidación de este elemento. Este último paso, denominado "soplado", debe detenerse en cuanto se elimina el fósforo porque también corresponde al inicio de la combustión del hierro, que se manifiesta por la emisión de humo rojo.
Como el fósforo se elimina solo al final del soplado, la combustión completa del carbón es un requisito previo para la eliminación del fósforo. Si queremos incrementar el contenido de carbono del acero, entonces es necesario recarburar el metal fundido de forma controlada. Esta recarburación debe tener lugar después del vaciado de la escoria para evitar que el fósforo vuelva al metal.
El acero obtenido se separa, por decantación, de la escoria que contiene los óxidos de fósforo. Esta escoria se utiliza como fertilizante . Sidney Thomas, quien también se dedica a mejorar las condiciones sociales de su tiempo, promueve esta cualidad. El ácido fosfórico que se encuentra allí se encuentra en forma de fosfato tetracálcico (P 2 O 5, 4 CaO), la mayoría de los cuales pueden ser asimilados por la vegetación. La cantidad de escoria es de aproximadamente 200-250 kg de escoria por tonelada de acero.
Las consecuencias en la economíaEl nuevo proceso permite el uso intensivo de minerales de fósforo y, en particular, el uso de mineral de Lorena . Este mineral, rico en fósforo (de aproximadamente 0,5 a 1% del mineral), quedó inutilizable con un recubrimiento ácido, requiriendo la desfosforización una escoria rica en cal , por tanto básica.
En cuatro de los países más industrializados (Alemania, Estados Unidos, Francia y Gran Bretaña), la proporción de acero Thomas, cercana a cero en 1880, corresponde al 62% de la producción de Bessemer y Thomas en 1913, sabiendo que la producción de América está experimentando una espectacularidad. crecimiento (3.380 kt en 1880 y 33.500 kt en 1913) sin utilizar el proceso de Thomas.
En 1880, el Reino Unido produjo 1,31 millones de toneladas de acero líquido, mientras que otros cuatro países europeos, Alemania, Bélgica, Francia y Luxemburgo, solo produjeron 1,22 millones de toneladas . En vísperas de la Primera Guerra Mundial en 1913, este país perdió su posición dominante. La producción alemana de acero, que se benefició de los depósitos de Lorena anexa y la cartelización de los industriales, representados, en 1908, 11,2 Mt contra 5,3 Mt para el Reino Unido, la producción en el horno Martin luego de alcanzar en cada país alrededor de 4 Mt .
Por tanto, el nuevo proceso ha cambiado por completo el peso industrial de las naciones, especialmente en Europa . También teniendo en cuenta el nivel de inversiones, también es el inicio del reinado de grandes empresas que son capaces de integración vertical y / o especialización.
Dentro de los países, la producción metalúrgica se concentra en determinadas regiones. En Francia , muchos pequeños centros rurales metalúrgica que sobrevivió a la llegada y mejoras de los altos hornos a principios del XIX ° siglo desaparecer a favor de incluir la no Lorena anexada. En 1869, antes de la guerra franco-alemana de 1870 , los dos departamentos de Meurthe y Moselle producían el 1,4% del acero francés; en 1913, el acero Thomas de las fábricas de Meurthe-et-Moselle representaba el 69% de la producción nacional. Este desarrollo también se ve acentuado por la muy fuerte mejora en los medios de transporte que permiten la entrega de productos manufacturados lejos de los centros de producción.
1864: Pierre-Émile Martin derrite acero
Hornos lámpara en la primera mitad del XIX XX siglo no proporcionó una temperatura suficiente para fundir el acero . En 1864, el francés Pierre-Émile Martin logró en Sireuil , en la fábrica de su padre Émile Martin, desarrollar un horno de reverberación que permitía fundir una mezcla de hierro fundido y chatarra (residuos de la producción de hierro o acero inutilizables como es ) o chatarra reciclada. El uso del proceso Martin es de gran interés económico gracias al uso de chatarra y acero que, debido al desarrollo de la producción, comienza a representar cantidades importantes. La duración de la operación de refinado lleva más tiempo en comparación con el proceso de conversión. Este punto, si es un inconveniente para la productividad, tiene la gran ventaja de permitir un mejor control del proceso y así obtener aceros de mejor calidad. Rápidamente, se eligieron los “aceros Martin” para armamento (el rifle Chassepot , cañones de la marina francesa ) o los neumáticos para ruedas de ferrocarril .
El horno Siemens-MartinPierre-Emile Martin logró perfeccionar su proceso de fabricación utilizando, según su investigación, una tecnología de horno desarrollada en 1856 por Carl Wilhelm Siemens para la que adquirió la licencia. La tecnología de estos hornos se basa en el precalentamiento de los gases de combustión en cuatro cámaras llenas de ladrillos refractarios apilados en forma de bafle o dominó para presentar una gran superficie de contacto.
La instalación consta de un horno de piso y cuatro regeneradores de calor. Se trata de cámaras revestidas con material refractario en las que se apilan los ladrillos. Estos ladrillos sirven como acumuladores de calor. Los gases de combustión se recuperan a una temperatura por encima de 1500 ° C en la salida del horno y se dirigen a dos de las cámaras. Los ladrillos recuperan el calor de estos gases. Cuando alcanzan una temperatura suficiente, el flujo de gas se invierte mediante una válvula. A continuación, el gas combustible y el aire de combustión se dirigen hacia estas dos cámaras para calentarse antes de dirigirse hacia el horno. Llegan al quemador (llamado carmeau) en el horno a alta temperatura, lo que tiene el efecto de aumentar significativamente la temperatura dentro del horno.
El uso de este tipo de horno es limitado debido a la fragilidad de los refractarios utilizados para la fabricación del hogar. Solo se usa para charcos o en cristalería. Pierre-Emile Martin logró desarrollar un hogar refractario silíceo (por lo tanto ácido) que resiste la temperatura:
"En la mayoría de los hornos, esta tierra apisonada está compuesta de cuarzo lo más puro posible molido en forma de arena de grano grueso del tamaño de un guisante que se mezcla con una cantidad de arcilla refractaria que varía del 2 al 5%, y que asegura la aglomeración. En ocasiones el lenguado se establece de una pasada en todo su espesor, luego se deja secar lentamente, luego de lo cual se realiza la cocción subiendo gradualmente la temperatura, en ocasiones se construye en capas sucesivas de 20 milímetros que se cuece. tras otro. "
- A. Ledebur, Manual teórico y práctico de metalurgia del hierro
En 1879, los ingenieros franceses Varlands y Alexandre Pourcel en Terrenoire (cerca de Saint-Étienne) y en Le Creusot , utilizando el trabajo de Thomas, desarrollaron una suela básica hecha de magnesia y dolomita . Este tipo de hogar permite, exactamente de la misma forma que los convertidores Thomas, procesar materias primas que contienen fósforo.
Los traductores de la obra de Ledebur también mencionan la existencia de una suela denominada “neutra” que contiene ferrocromo . A diferencia de los otros dos tipos de suelas, no juega ningún papel en las reacciones metalúrgicas con el metal fundido.
Materias primasLa gran ventaja del proceso Martin es la posibilidad de reciclar hierro o acero en forma de chatarra o en forma de chatarra recuperada:
“La principal materia prima que forma la carga de un horno Martin es el hierro dulce en forma de escombros, restos de todo lo que sale, extremos de barras enrolladas, chatarra, etc. ; en resumen, apenas hay una pieza de hierro de cualquier calidad que no se pueda utilizar en el horno Martin. "
- A. Ledebur, Manual teórico y práctico de metalurgia del hierro
La otra gran materia prima es el hierro fundido . Durante el procesamiento, el hierro fundido se refina perdiendo su carbono y silicio. Cuanto mayor sea la proporción de hierro fundido (que aumenta la proporción de carbono en la mezcla), más vigoroso debe ser el refino.
La proporción entre la cantidad de residuos ferrosos y el hierro fundido es extremadamente variable, llegando al extremo hasta cargas que solo contienen hierro fundido. Según Colombier, la cantidad mínima de hierro fundido es del 20% para el proceso ácido.
En los hornos de solera básicos, el mineral de hierro se puede utilizar directamente para el proceso denominado "mineral". Para desfosforar la carga en este tipo de horno también se utiliza cal o piedra caliza.
“… Hay ciertas circunstancias en las que se prefiere una mezcla de materiales con más hierro fundido y menos hierro […] A menudo, es sobre la base del precio relativo del hierro fundido y la chatarra que la composición del lecho de fusión Se establece, y no hay nada que impida que la proporción de fusión sea mayor, si las reacciones oxidantes aumentan durante la fusión. El medio más simple que se puede emplear para lograr este fin consiste en la adición de mineral de hierro, del cual interviene oxígeno para quemar el carbono; parte del hierro de este mineral se reduce y se agrega al del baño. "
- A. Ledebur, Manual teórico y práctico de metalurgia del hierro
El procesoEl horno se carga manual o mecánicamente. El orden y la disposición de la carga depende de muchos factores. Ledebur señaló, por ejemplo, en 1895 que en los petits fours, el fundador carga primero el hierro fundido en una sola operación; espera que se derrita antes de agregar el hierro y el acero mediante operaciones sucesivas. Mientras que en los grandes hornos, y en particular los de solera básica, el hierro fundido y otros materiales metálicos se cargan al mismo tiempo. Colombier indica en 1957 que, para el horno con solera ácida, se pone la carga en una sola operación, primero el hierro fundido sobre la solera y luego la chatarra encima de la carga.
En el XIX ° siglo, la realización de la operación se basa principalmente en la experiencia y la mirada de los clientes potenciales fundadores del horno:
"La oxidación del carbono se manifiesta por el burbujeo producido por las burbujas de monóxido de carbono que emergen del metal fundido […] Cuando la ebullición ha cesado o ha disminuido, se toma la primera muestra de ensayo. para ello, se sumerge en la bañera una pequeña bolsa de hierro previamente calentada, se saca un poco de metal y se vierte en un molde de hierro fundido; se obtiene un tubo de ensayo; las chispas que emergen del metal a medida que se va vertiendo, la hinchazón que se produce en el molde, o el asentamiento ya son indicios de la naturaleza del metal, lo llevamos bajo el martillo, lo forjamos rápido y tratamos de doblar hace frío […] para un ojo entrenado, el simple examen de la rotura es suficiente para mostrar la descarburación del metal. "
- A. Ledebur, Manual teórico y práctico de metalurgia del hierro
Se necesitarán muchos años para ver la aparición de los dispositivos de medición, especialmente la temperatura. Colombier señala en su trabajo: “No podemos enfatizar lo suficiente la importancia de introducir el mayor número de medidas posibles en la producción de acero, cuya conducción se dejó durante tanto tiempo al estilo adquirido por la larga experiencia” .
Cuando el operador estima que la descarburación es suficiente, se añaden varios elementos ( ferromanganeso , ferrosilicio o aluminio ) para desoxidar y desgasificar (“calmar”) la carga; “Si queremos obtener hierro dulce destinado a laminar, la adición consistirá en ferromanganeso con un contenido de 50 a 80% de manganeso, y su peso será del 0,5 al 1% del metal cargado. Para obtener menos hierro o acero dulce, añadiremos del 1 al 3% de este ferromanganeso ” .
Una vez finalizadas todas las operaciones, el metal obtenido se vierte en una cuchara o lingotera.
El refinado no se logra mediante el paso de aire a través de la carga de la masa fundida , como en los convertidores, sino mediante el contacto entre el metal fundido y la escoria . Por lo tanto, la duración total de la operación es mucho más larga y varía mucho según la proporción de hierro fundido, la naturaleza del hogar, la temperatura del horno y el tiempo utilizado para la carga (debido al tiempo de carga pero también al enfriamiento del horno). si las puertas se dejan abiertas más tiempo) y el peso de la carga. Ledebur da un tiempo que varía de 4 a 12 horas con un tiempo más clásico que varía de 5 a 8 horas. Esto hizo posible hacer de tres a cuatro vertidos durante el día. La duración es una desventaja en términos de productividad pero es una ventaja en términos de controlar la calidad del producto obtenido. El mayor tiempo y las posibilidades de ajuste o adición en la carga permiten obtener aceros de mejor calidad en comparación con los obtenidos con los procesos Bessemer y Thomas. El proceso también es apreciado en términos de costes por los proveedores de armas o raíles en el centro de Francia ( Forges Verdié , Forges Terrenoire ), a veces además de Bessemer.
La acería moderna
El retorno limitado a la reducción directa
Mientras que la supremacía del alto horno se afirma desde la I er siglo de China y el XIII ° siglo en Europa , hornos desarrollaron bajadas, como Tatara o forja catalán , sobrevivir hasta el XIX ° siglo, gracias a su contenido tamaño y su capacidad de uso Minerales o combustibles no aptos para el alto horno.
Estos procesos, conocidos como reducción directa, porque producen hierro en un solo paso en lugar de dos para el par alto horno - convertidor, se reconsideran después de la invención de procesos de fusión económicos, como el horno Martin-Siemens o el horno eléctrico. De hecho, el diagrama de Ellingham muestra que basta con colocarlo por encima de los 830 ° C para que el monóxido de carbono reduzca por completo el mineral de hierro. A partir de esto, muy diferentes procesos de hornos bajas fueron inventados a finales del XIX ° siglo. Permiten la fabricación industrial de un mineral de hierro prerreducido mucho más homogéneo que una lupa. Algunas fábricas operaron antes de la Segunda Guerra Mundial (proceso Chenot en la década de 1850, reducción directa por parte de Siemens alrededor de 1880, proceso Krupp-Renn en la década de 1930, etc. ). Sin embargo, permanecen confidenciales, y su rentabilidad se discute generalmente:
"Es difícil entender hoy que originalmente se consideró que el proceso Chenot tenía la intención de revolucionar la industria del hierro, mientras que solo se puede aplicar a minerales absolutamente puros, todos los cuales son momentos en los que uno no resuelve volver a fundir la esponja en el crisol o en el horno Martin. Tampoco se entiende que, en una sola fábrica, se podrían haber ensamblado diez hornos, lo que representa un gasto considerable, para fabricar un producto que implica, por tonelada de esponja, el consumo de 1.400 kilogramos de carbón vegetal para la reducción y 1.723 kilos de carbón. para calentar retortas: la esponja sólo podía transformarse en hierro aglomerándola en el fuego de Comtois a costa de un nuevo consumo de carbón y un considerable desperdicio. "
- A. Ledebur, Manual teórico y práctico de metalurgia del hierro
En la década de 1950 apareció una nueva generación de procesos de reducción directa . Los procesos estudiados sustituyen el gas natural por carbón, como combustible y agente reductor. Luego se encuentra que la combinación de monóxido de carbono con hidrógeno a temperaturas de alrededor de 1050 ° C mejora tanto la velocidad como el consumo térmico del proceso de reducción.
El 5 de diciembre de 1957, la empresa mexicana Hylsa puso en marcha en Monterrey la primera planta de reducción directa a gas natural, siendo el producto prerreducido obtenido destinado a la fusión en horno de arco eléctrico. Como la producción de mineral prerreducido con gas natural demostró ser económicamente viable, se construyeron varias fábricas a fines de la década de 1960. Dado que el suministro de gas natural barato era esencial para su rentabilidad, la mayoría de las fábricas estaban ubicadas en países con recursos suficientes. . campos de gas, América Latina (donde se han desarrollado muchos) y Oriente Medio .
Desarrollado en la década de 1970, el proceso Midrex es el mejor ejemplo de estos procesos de reducción directa de gas natural. Éxito tanto técnico como comercial, desde 1980 representa aproximadamente dos tercios de la producción mundial de productos pre-reducidos. Operando continuamente, es similar a un alto horno sin crisol, unido a una unidad de producción de gas reductor caliente. Su competidor directo, el proceso HYL III, es el resultado de un esfuerzo de investigación del grupo Tenova , heredero de los pioneros mexicanos de Hylsa. Asegurando cerca del 20% de la producción de productos pre-reducidos, se diferencia del Midrex por su unidad de producción de gas reductor con su reforma interna. Estos dos procesos de gas, técnicamente maduros y vendidos llave en mano , proporcionan a los inversores una buena visibilidad financiera ... en comparación con las esperanzas a menudo decepcionadas de los procesos competidores.
En cuanto a los procesos de carbón, evolucionan desde el tambor de reducción directa de Siemens, basado en el uso de un tambor corto, hacia un horno rotatorio largo inspirado en los utilizados en las fábricas de cemento. Esto implica remover a alta temperatura el polvo de mineral de hierro y el carbón, con un poco de piedra caliza para reducir la acidez del mineral. Le procédé Krupp-Renn démontre la viabilité du principe : développé dans les années 1930 , il y a jusqu'à 38 fours en 1945 qui, quoiqu'ils ne totalisent alors qu'une capacité de 1 Mt/an , ont été installés partout dans el mundo. Si el éxito de los acontecimientos posteriores Midrex Eclipse procesa carbón, algunas unidades encargadas durante la segunda mitad del XX ° siglo demuestran la rentabilidad de las variantes modernas rotatorio reducción de los hornos.
Cada vez que una innovación técnica, o la situación económica, desequilibra los sectores productivos tradicionales, se reevalúa la reducción directa. Numerosos desarrollos han permitido el desarrollo de procesos de plasma , oxígeno, lecho fluidizado o solera rotativa, etc. Se trata, por tanto, de explorar soluciones innovadoras que sustituyan la chatarra (que escaseó en la década de 1960 con el desarrollo de las acerías eléctricas), limitar las emisiones de gases de efecto invernadero , explotar un depósito de gas natural, etc.
Pour autant, malgré le fait que la quantité d'acier produite à partir de préréduits croît de manière continue, et plus vite que la production mondiale d'acier, aucun procédé n'a été en mesure de supplanter la production au haut fourneau ou au horno. Después de 40 años de desarrollo, la producción de acero a partir de productos pre-reducidos nunca ha superado el 5% de la producción mundial de acero. Esencialmente basado en procesos de gas, permanece confinado a los países productores de petróleo. De hecho, en 1998, las acerías europeas aún observaban que "para ser competitivos, la reducción directa debe tener el gas natural a 2 dólares por gigajulio, la mitad de los precios europeos" . Sin embargo, desde 2005, los procesos del carbón han recuperado importancia, impulsados por muchas unidades de producción desarrolladas en India .
La planta de acero al oxígeno
En 1895, Carl von Linde licuó con éxito el aire. Independientemente de este enfoque, Georges Claude encargó la23 de abril de 1905un proceso de licuefacción de aire industrial. Sus patentes autorizan la producción industrial, y sobre todo económica, de grandes cantidades de oxígeno y nitrógeno líquido. Las empresas nacen rápidamente (Claude funda Air Liquide , mientras que von Linde crea Linde AG y Praxair ).
Este acceso al elemento clave de la descarburación no se le escapa a Georges Claude, quien en 1910 recomendó el uso de oxígeno puro en la industria del acero . De hecho, previsto ya en 1856 por Bessemer, el uso de oxígeno puro es una mejora lógica de los convertidores, el soplado de aire en los procesos de Bessemer y Thomas presenta inconvenientes obvios:
- El 78% del aire está compuesto de nitrógeno y no tiene ningún papel útil en la descarburación. Esta inyección de gas representa una pérdida de calor, apenas compensado por el equilibrio exotérmica de oxidación del carbono: "cada m 3 de nitrógeno dejando el convertidor apreciablemente se lleva el calor necesario para la fusión de un poco más de un kilogramo de chatarra.” .
- el bajo contenido de oxígeno del aire ralentiza la reacción química; el soplado dura más ya que no es posible aumentar los caudales sin riesgo de desbordamiento;
- parte del nitrógeno permanece disuelto en el acero líquido; sin embargo, el nitrógeno es un elemento debilitante del hierro.
El proceso de Thomas es el primero en atraer la atención de los investigadores. De hecho, a diferencia del proceso de Martin, tiene dos inconvenientes evidentes: el aire se inyecta frío y atraviesa la carga. Su ajuste térmico es delicado: la temperatura del baño, calentada por la oxidación del carbón, aumenta menos rápidamente que el punto de fusión del metal que regularmente se agota en carbón. Es la oxidación del silicio y el fósforo, o el uso de un hierro fundido más caliente y más cargado de carbono lo que realmente permite la fusión. Esta observación conduce a prácticas paradójicas: para poder descarburar y desfosforizar, se hace necesario tener una cantidad mínima de estos elementos indeseables.
Sin embargo, la simple sustitución del aire por oxígeno puro presenta considerables dificultades. La reacción de oxígeno puro con hierro fundido conduce a temperaturas de 2.500 a 2.700 ° C : en estas condiciones, sin enfriar las boquillas , el fondo de un convertidor se destruye en unas pocas horas. Entre 1937 y 1940, Lellep, en Oberhausen en el área del Ruhr , probó boquillas de cobre refrigeradas por agua en el laboratorio: suficiente durante la descarburación, esta solución no resistió en la fase de desfosforización, sin mencionar la naturaleza peligrosa de este enfriamiento con agua. .agua , lo que elimina la necesidad de realizar pruebas en la acería.
El enriquecimiento del aire con oxígeno representa, por tanto, una solución de transición que se exploró ya en la década de 1920. En 1925, nuevamente en Oberhausen, se probó el enriquecimiento del viento con oxígeno en un convertidor Thomas. En 1930, la primera gran planta de destilación de aire y gas permitió a Maximilianshütte en Sulzbach-Rosenberg soplar sus convertidores con viento enriquecido. Después de la Segunda Guerra Mundial , el proceso se probó más ampliamente en Europa. Esto permite impulsar la producción de acerías en un momento en el que es necesario abastecer las fábricas construidas gracias al Plan Marshall .
No solo mezclamos oxígeno con aire. Para superar el 40% de oxígeno, se necesitan diluyentes más adecuados que el nitrógeno: el dióxido de carbono se prueba en Domnarvet en Suecia en 1947-1949, el vapor de agua se prueba alrededor de 1950 en Francia y Alemania, luego se adoptó en Gales en 1958. La mejora es notable, pero los investigadores no saben cómo aprovechar el poder de enfriamiento del vapor y el CO 2, que procede de otro mecanismo: el agrietamiento por alta temperatura.
Adaptación del convertidor MartinEl horno Martin, en principio poco perjudicado por el nitrógeno en el aire, no justificaba el mismo entusiasmo por parte de los investigadores. Los experimentos con el uso de oxígeno no se iniciaron hasta 1946 en Estados Unidos y Canadá, pero la industrialización del enriquecimiento de oxígeno se produjo desde finales de la década de 1950, simultáneamente en todo tipo de convertidores. Este retraso, debido a la falta de capacidad de producción de oxígeno, enmascara un ajuste rápido: la inyección de oxígeno se realiza por encima del baño, lo que elimina el problema de enfriamiento de la boquilla.
El proceso Martin, cuya versatilidad y aptitud para refinamientos avanzados le permitió fabricar más del 70% del acero mundial producido entre 1930 y 1960, impulsará aún más su ventaja frente a los convertidores Bessemer y Thomas. De hecho, la descarburación del hierro fundido se realizó allí gracias al oxígeno contenido en un lecho de mineral de hierro depositado en el hogar antes del vertido del hierro fundido. El uso de oxígeno aumenta la temperatura de la llama y su impulso: se vuelve capaz de descarburar el hierro fundido sin recurrir al mineral.
A partir de 1960 se generalizará la inyección de oxígeno. Se realiza mediante una lanza similar a la que están desarrollando los austriacos como parte de su investigación sobre convertidores de oxígeno puro.
El convertidor de oxígeno puro: el tipo LDLa idea de combinar una ráfaga de oxígeno desde arriba, como se desarrolló en el horno Thomas, con una retorta Bessemer-Martin no es nada atractiva: parece difícil obtener la penetración del chorro de oxígeno en el baño de acero líquido (densidad 7) sin generar grandes remolinos y humos.
Por lo tanto, solo después de haber notado los límites de una mejora de los procesos existentes, comienzan las primeras pruebas de soplado con oxígeno puro. El metalúrgico suizo Robert Durrer demuestra el valor económico del proceso. La1 st de abril de 1948, realiza la primera colada de acero refinado con oxígeno, con soplado lateral. Aconseja a Theodor Suess que, en Linz , mejora el proceso eligiendo una lanza que penetra verticalmente en la retorta . La3 de junio de 1949, comienzan las pruebas.
Los resultados son desconcertantes para los investigadores: obligado a alejar la lanza de la superficie debido a sus frecuentes bloqueos, no nota ningún deterioro en su rendimiento. Las pruebas continúan con cargas cada vez más pesadas. El proceso resultó ser muy prometedor: desde finales de 1949, seis meses después de la primera prueba, los prototipos parecían más económicos que los mejores convertidores convencionales.
El mismo año, la planta de Linz, inmersa en un profundo proceso de reorganización, tuvo que construir una acería para abastecer su nuevo tren de laminación en caliente. Audaz, la empresa apuesta por el nuevo proceso que solo existe desde hace unos meses. Unos kilómetros más adelante, la fábrica de OAMG en Donawitz, que realizó las mismas pruebas, también puso en marcha en 1950 la construcción de una acería de oxígeno con soplado por lanza emergida. Las dos empresas, que han solicitado una patente de forma independiente, se llevan bien y el nombre del proceso cambia de Linz Düsenstahl (“Lanza de Linz”) a Linz-Donawitz .
El proceso se extiende: en 1951, los metalúrgicos japoneses conocieron el nuevo proceso. La invención es realmente radical: más eficiente y por tanto menos numerosa que sus equivalentes en aire, los nuevos convertidores sólo requieren una inversión de aproximadamente dos tercios y unos costes operativos limitados al 55% de los de una fábrica clásica de capacidad comparable. Los competidores europeos, que han llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones en la misma dirección, disputan largamente la autoría exclusiva de la invención a las dos acerías. En los Estados Unidos , varias empresas adquieren la experiencia austriaca y luego se niegan a pagar las tarifas , sin reconocer la validez de la patente y hasta cambiar la ley de patentes de los Estados Unidos, entonces en trámite en mayo de 1971.
Esto se debe a que, a diferencia de sus colegas, Durrer y Suess entendieron que la mezcla del metal líquido está asegurada por las burbujas de monóxido de carbono que resultan de la descarburación:
“En el proceso LD, se sopla oxígeno en el baño desde una lanza vertical enfriada por agua, cuyo extremo de cobre se perfora con cinco a siete boquillas convergentes-divergentes. La presión de soplado, alrededor de 20 bares , determina una velocidad de expulsión del orden de 700 m / s , es decir, la velocidad del Concorde. La altura de la lanza varía durante la maduración. Al pasar a través de la capa de escoria, el oxígeno reacciona inmediata y completamente con el hierro en el hierro fundido, dando como resultado monóxido de hierro líquido, que a su vez es inmediatamente reducido por el silicio y el carbono presentes. La sílice formada es neutralizada por la cal que se vierte en la estación de carga y contribuye a la formación de la escoria que flota sobre el metal y forma espuma bajo el efecto del desprendimiento de gas hasta que el convertidor está casi completamente lleno. Esta liberación de CO en el punto de impacto también empuja las capas superficiales del baño hacia el borde, provocando que nuevas masas de metal se eleven desde las profundidades de la retorta . "
- Olivier Bisanti, Un siglo de oxígeno en la industria del acero
La conversión a oxígeno, sin embargo, produce grandes cantidades de humos rojizos (óxido de hierro), muy calientes y ricos en monóxido de carbono . Por lo tanto, el desarrollo del proceso requerirá la construcción de costosos sistemas de recolección de polvo. El tamaño de las campanas y chimeneas, la complejidad de su manejo (cualquier toma de aire que provoque la combustión de monóxido de carbono que puede destruir la chimenea) requiere la construcción de nuevas acerías, cuya altura permite que el sistema se aloje allí. A cambio, los humos, lavados y espolvoreados, son un gas con alto potencial energético, cuyo interés crecerá tras el primer choque petrolero .
Finalmente, al eliminar el nitrógeno, el exceso de calor se puede utilizar para derretir la chatarra en el convertidor. Los hornos de reverberación de Siemens y Martin se vuelven entonces inútiles, ya que una sola instalación se vuelve capaz de refinar el hierro fundido a partir de reciclar la chatarra ; además, la chatarra es generalmente menos costosa que el hierro fundido de altos hornos, especialmente si este último proviene de carcasas fabricadas en instalaciones posteriores a la acería .
Otros convertidores de oxígeno puroCon el convertidor LD, la agitación está asegurada por el aumento de burbujas de monóxido de carbono resultantes de la descarburación. Pero este movimiento, efectivo al inicio del soplado, tiende a ralentizarse cuando el carbono disuelto cae por debajo del 0,1% y la mezcla con la escoria disminuye en consecuencia.
La historia se repite: al igual que el convertidor Bessemer, el proceso LD revolucionó la industria del acero pero demostró ser inadecuado para la desfosforización. De hecho, la oxidación del fósforo solo ocurre después de la salida de todo el carbono y la eliminación del óxido P 2 O 5 requiere agitación vigorosa con cal de la escoria.
Por tanto, la aparición del proceso LD no detendrá los desarrollos. Aparecerán otros convertidores de oxígeno, todos muy diferentes:
- convertidores de soplado lateral, como los hornos Kaldo , donde la mezcla del acero líquido se realiza mediante la rotación de la retorta , imitando la cinemática de una hormigonera . La lanza de oxígeno ya no tiene que asegurar la agitación, se coloca lejos del baño, y así oxida los humos dentro de la propia retorta . El acero recupera el calor de la combustión del monóxido de carbono. Sin necesidad de eliminar el polvo y de una excelente eficiencia térmica, esta tecnología ha desaparecido, sin embargo, debido al costo prohibitivo de renovar los refractarios, sometidos a repetidos choques térmicos.
- convertidores de soplado inferior. Es la comprensión del papel del vapor o del dióxido de carbono durante las pruebas de dilución del oxígeno inyectado en los convertidores Thomas y Bessemer lo que permite el desarrollo de este proceso. El oxígeno se inyecta puro, pero la boquilla de cobre se enfría mediante una inyección periférica de hidrocarburos que, al entrar en contacto con el metal líquido, sufrirán un craqueo endotérmico suficiente para evitar que el cobre se derrita. El soplo completo desde el fondo es eficaz pero delicado.
La paulatina desaparición de estos procesos, que se especializan en la conversión de hierro fosforoso, no se debe únicamente a sus defectos intrínsecos. Se trata de la importación de minerales más ricos sin fósforo, que se ha vuelto económica gracias a la caída de los costos de extracción y transporte, lo que precipitará el abandono de minerales históricamente explotados. De hecho, un alto contenido de hierro limita la fusión de la ganga estéril en el alto horno (es decir, el consumo de coque) y la ausencia de fósforo reduce el consumo de cal en el convertidor. En este contexto, estos procesos desaparecen pero legan su mejora al conversor LD:
- Kaldo ha demostrado el beneficio de utilizar la lanza de oxígeno para lograr la combustión parcial de los humos en la retorta , lo que permite incrementar el reciclaje de la chatarra;
- Se han adoptado boquillas de soplado de fondo como medio de agitación metalúrgica con el convertidor LD: esta agitación se ha convertido en esencial en el desarrollo de nuevas aleaciones. En 2002, casi el 15% de los convertidores tenían soplado mixto lanza-boquilla, y el 85% restante estaba completamente soplado desde la parte superior, cuya simplicidad sigue siendo una ventaja obvia.
Un nuevo modelo tecnoeconómico: la acería eléctrica
Ya en 1810, Humphry Davy había demostrado experimentalmente la posibilidad de fundir hierro con un arco eléctrico. El XIX XX siglo vio a varios ingenieros intentan industrializar este proceso: en 1878-1879, William Siemens presentó una patente para un tipo de horno de arco. Los primeros hornos de arco eléctrico modernos fueron desarrollados por Paul Héroult , en Francia , antes de ser construidos en una fábrica en los Estados Unidos en 1907. En 1922, la energía eléctrica francesa costaba exactamente el doble que la obtenida por la combustión de coque: el futuro de la electricidad. El horno solo se considera en la producción de aleaciones especiales. Alrededor de 1950, sin embargo, la modernización de las redes eléctricas propició la aparición de fábricas en las que potentes hornos eléctricos sustituyeron a los altos hornos y convertidores.
A mediados de la década de 1960 , aparecieron pequeñas acerías cerca de Brescia , en Piamonte , Italia, donde unos veinte empleados volvieron a fundir chatarra importada para producir barras de refuerzo a muy bajo costo. Pero la expansión del sector eléctrico, basada en la simplicidad de la planta, también requiere que las herramientas posteriores se puedan simplificar: se desarrollan gradualmente pequeños trenes de laminación flexible. En 1966, la empresa estadounidense Nuclear Corporation of America decidió asegurar sus suministros de acero comprando algunas acerías. Unos años más tarde, la empresa se convirtió en NUCOR, perdiendo interés sus puntos de venta de equipamiento militar ante la importancia de su rama siderúrgica y especialmente sus perspectivas de crecimiento. De hecho, NUCOR acaba de teorizar un concepto revolucionario: la acería eléctrica compacta, la miniacería .
Mientras las siderúrgicas tradicionales continúan la carrera por el gigantismo de las instalaciones, y creen haber bloqueado el acceso al mercado al someter la producción de acero a la capacidad de gestionar gigantescas inversiones, NUCOR pasa por alto el uso de altos hornos al dedicar los hornos eléctricos a la fundición de chatarra recuperada. Aguas abajo del horno, una colada continua produce el acero en la sección más cercana posible al producto final ( losas delgadas para la obtención de chapas, sección de "hueso de perro" para las vigas, etc.), luego unas herramientas de laminación aseguran la terminación.
De hecho, en este momento, terminada la fase de equipamiento de los Estados Unidos , se dispone de una gran cantidad de chatarra, la recuperación con el imán hace que la recolección sea económica. Esta mezcla de chatarra refundida da un acero de mala calidad, pero en gran medida suficiente para la mayoría de las aplicaciones en la construcción o la industria. Con la instalación de pequeñas unidades nuevas cerca de los centros de consumo, la empresa también se está liberando del dominio de los poderosos sindicatos metalúrgicos , que reinan en los viejos centros industriales cercanos a las minas.
El meteórico ascenso de NUCOR que, apostando por el desarrollo de aceros cada vez más técnicos sin renunciar a la acería compacta, se convierte en dos décadas en la principal siderúrgica estadounidense, pone en tela de juicio a la siderurgia:
- las acerías que apuestan por productos menos técnicos desaparecen o sustituyen sus altos hornos por hornos eléctricos. Sin embargo, este tipo de adaptación rara vez consigue la competitividad de una nueva fábrica diseñada desde el principio en torno a un horno eléctrico;
- la pérdida de cuotas de mercado conduce a una reestructuración , tanto más dolorosa cuanto que la industria del acero había anticipado mal la estabilización de la demanda de acero;
- los altos hornos migran cerca de los depósitos más ricos: es la “industria del acero en el agua” con, en Francia, las construcciones de los complejos de Fos-sur-Mer y Dunkerque operando con minerales importados.
A pesar de las ambiciones de estos nuevos participantes , el sector eléctrico apareció a finales de la década de 1990 como un complemento de los altos hornos tradicionales. Destaca en los mercados de:
- aceros habituales utilizados en electrodomésticos , construcción o embalajes que en ocasiones toleran aleaciones contaminadas por elementos debilitantes ( cobre , níquel , cromo y vanadio ), que no sabemos cómo eliminar del acero líquido; los productos largos, como las vigas o las barras, se producen casi exclusivamente a partir de chatarra recuperada;
- aceros especiales (aceros inoxidables , aceros de forja, etc.) donde la flexibilidad del horno eléctrico corresponde a las pequeñas cantidades producidas.
Los aceros destinados a embutición profunda o para tensiones severas (aplicaciones criogénicas , tanques de alta presión, etc.) permanecen de altos hornos, siendo la calidad del mineral de hierro más fácil de controlar que la de la chatarra .
Desarrollos recientes o futuros
Por lo tanto, las técnicas de producción de acero han evolucionado en etapas importantes durante las cuales han coexistido procesos complementarios: fundición y refinado en altos hornos, fundición de coque y hierro encharcado, acero de retorta o solera, horno eléctrico o acería con oxígeno. En cada ocasión, estos inventos han supuesto trastornos para toda la industria del acero.
El coste energético y la evolución de las fuentes de suministro han motivado esta sucesión de pares de herramientas. En un momento dado, la elección de un proceso se justifica tanto por la materia prima disponible, es decir el mineral (según su contenido de fósforo o su compatibilidad con el alto horno) o la chatarra, como por la disponibilidad. energía. Para la industria siderúrgica contemporánea, si el soplar con oxígeno puro es imprescindible tanto en los países emergentes como en las metalurgias más exigentes en cuanto a impurezas químicas, el sector eléctrico sustituye el refino de fundición en cuanto la cantidad o calidad de la chatarra disponible. permite esto.
A pesar de estas innovaciones, la producción de acero no ha escapado a la carrera por reducir los costos fijos , liderada por el aumento del tamaño de las plantas de acero. La industria del acero se ha convertido así en el ejemplo típico de industria pesada . Pero la mejora de la productividad también fue posible gracias a la especialización de herramientas. De hecho, el proceso Siemens-Martin, que proporcionó el 80% de la producción mundial en 1950, ha sido reemplazado por herramientas optimizadas para fundir o convertir hierro fundido en acero. Además, estas nuevas herramientas resultan poco adecuadas para el dominio completo de la composición química: así es como aparece gradualmente la metalurgia de bolsillo , un conjunto de herramientas especializadas en la obtención de aleaciones.
Queda al comienzo de la XXI ° siglo, las principales preocupaciones de la industria del acero, en consonancia con los de otras industrias pesadas como la química o la producción de electricidad :
- limitar el impacto ambiental, mediante instalaciones que pueden llegar a costar hasta el 20% del costo de una nueva planta. La producción de una tonelada de acero también da como resultado la liberación de al menos dos toneladas de dióxido de carbono ;
- adaptación a las materias primas: la importación de minerales ricos y fácilmente fundibles permitió la expansión de la industria siderúrgica japonesa. Pero a más largo plazo, el agotamiento de los mejores depósitos (tanto en términos de riqueza como de acceso) es previsible, incluso si la abundancia de hierro y el reciclaje a menudo rechazan esta perspectiva;
- Reducir el costo de la energía, el coque y la electricidad siguen siendo fuentes de energía costosas.
Notas y referencias
Notas
- La definición precisa y científica de acero fue definitivamente establecida y aceptada al final de la XIX ª siglo.
- El descubrimiento de objetos de hierro en un lugar que no excluye que otros se encuentren en otros lugares.
- Para Huang Zhanyue y Donald B. Wagner, que señalan las contradicciones y la pobreza de muchas declaraciones, el alto horno probablemente precedió al alto horno en China. La temprana presencia de objetos de hierro fundido es más fácil de atribuir al rediseño de una lupa producida en el alto horno, que al desarrollo de un horno de fusión por reducción como el alto horno . La aparición de la fundición en Europa también podría haber seguido el mismo camino en el XIV ° siglo.
- El liquidus de un hierro fundido con 6% de carbono es del orden de 1150 ° C , y pasa a 1500 ° C cuando se acercó a la composición de hierro puro.
- La ilustración muestra un proceso de refinado de hierro fundido líquido mediante agitación en presencia de aire y polvo ( wuchaoni ). Adolf Ledebur y Donald B. Wagner rechazan que el polvo sea wustita pero proponen el salitre , más común, triturable y muy oxidante. Entonces, tal proceso es muy diferente del encharcamiento .
- 20 siglos después de los chinos, Réaumur defendió el método de co-fusión de hierro y hierro fundido para obtener acero ... sin éxito porque los europeos no podían producir económicamente hierro fundido de suficiente calidad.
- Si se añade a una mezcla ferroso, hasta el 6% de fósforo, la temperatura de fusión a 950 ° C .
- Tautológico compuesto cuyo primer componente se tomó prestado del "hierro" del álamo temblón iraní oriental * ( cfr. Sogdian 'spn- , Khwarezm ' spny , æfsǽn osetio , pashto ōspana ) mientras que el segundo, heredado, que significa "hierro".
- En su libro Metallum Martis , Dudd Dudley afirma haber producido coque de hierro de buena calidad ya en 1622. Pero, por falta de otras fuentes, no es posible evaluar su técnica.
- La moderación de Neilson fue mal recompensada: tuvo que esperar hasta 1843 para recibir sus regalías, después de un largo juicio en la Corte Escocesa de Edimburgo.
- El viento caliente también facilitó el funcionamiento del alto horno, se hizo posible el uso de otros materiales. Según Thomas Turner , la invención de Neilson permitió la valorización del mineral escocés y la expansión de la industria siderúrgica escocesa, que pasó de una producción anual de 37.500 toneladas en 1830 a 200.000 toneladas en 1840. El uso de viento caliente también permitió el uso de antracita en los Estados Unidos, donde aún no se había descubierto carbón coquizable (patente de FW Gessenhainer en 1836).
- Este argumento, parcialmente inexacto, muestra el desconocimiento que tenían los científicos al momento de las reacciones químicas en el alto horno: no solo la transformación del CO 2 en CO es endotérmica, sino que solo puede ocurrir si la temperatura aumenta, lo cual solo es cierto en el centro del horno y no por encima de las boquillas.
- Los gases se toman a través de aberturas realizadas en el espesor del tanque y se recogen en una tubería circular. Las cargas ubicadas sobre estas aberturas sirven como cierre.
- Los hierros fundidos blancos, que contienen poca silicona, son los más fáciles de descarburar. Pero también son más resistentes y difíciles de obtener que los grises, lo que los convierte en piezas de fundición caras.
- precursores Cort y Rogers envejecieron en la pobreza, mientras que Hall , al completar la mejora de los charcos, pudo vivir cómodamente de su invento.
- El charco seco se denomina así por el hecho de que la fundición blanca no es muy viscosa y que la suela, que no es muy fundible, genera poca escoria.
- El contenido de carbono de la mezcla disminuye, la temperatura permanece constante en el horno, siendo la temperatura de fusión del tipo eutéctico , la temperatura de fusión de la mezcla aumenta (ver el diagrama de fases hierro-carbono arriba ) provocando un aumento en la viscosidad.
- Según la tradición popular, Walker se había disfrazado de mendigo en harapos, suplicando calentarse junto a las fogatas en una fría noche de invierno.
- El horno de reverberación utilizado para hacer charcos es demasiado rudimentario para derretir fácilmente el hierro. Es necesario para dopar con varias mejoras para operar mucho más allá de 1500 ° C .
- Más de un siglo después de la invención, esta observación no ha cambiado. La única mejora significativa de los convertidores modernos es un orificio de drenaje lateral, separado del pico de la retorta.
- Debido a su mineral insuficientemente fósforo, el interés de los fabricantes de acero estadounidenses en el proceso de Thomas se mantuvo moderado: en 1880, Thomas se negó a vender sus derechos por £ 150,000 a los maestros del hierro de Wesfalia , pero los vendió £ 55,000 a los estadounidenses en 1881.
- Después de la anexión de la cuenca de hierro, los franceses descubrieron el depósito de Briey , con un contenido de hierro del 36% al 40% frente al 30% de media en el Mosela anexado. Aunque un poco más difícil de acceder, la minette francesa es, por tanto, la más ventajosa y se exporta masivamente a Alemania.
- Es esencial distinguir entre la capacidad de producción y la producción real. De hecho, muchas unidades nunca han alcanzado su capacidad de producción teórica y muchas otras se utilizan de forma episódica, cuando la situación económica hace rentable su funcionamiento.
- El proceso de soplado del convertidor con aire precalentado, bastante complejo, solo fue patentado en 1935 por los indios AM Malik y SMK Alvi. Parecía demasiado tarde para competir con los procesos de enriquecimiento de oxígeno.
- Este es el proceso VLN ( Very Low Nitrogen ), adoptado en Ebbw Vale.
- La descomposición térmica del vapor comienza a 900 ° C para ser completa en 2500 ° C . La de dióxido de carbono comienza en 700 ° C . La inyección de vapor a las boquillas era un método conocido para controlar térmicamente la carga de un convertidor Bessemer.
- laminación en caliente continua, desarrollado en los Estados Unidos en la década de 1930, fue llevado a Europa por el Plan Marshall . Muy potente, su suministro de lingotes , desbastes o florones conduce a la concentración de la producción en unas pocas acerías gigantes.
- La producción de aceros inoxidables se realiza en acerías especializadas, en particular mediante el uso de un convertidor específico, el tipo AOD , cuyo principio es similar al tipo LD. El desarrollo de este convertidor está vinculado al de la producción de ferrocromo en un horno eléctrico: estos desarrollos quedan fuera del alcance de este artículo.
- De 1955 a 1975, el consumo específico de coque de un alto horno podría reducirse a la mitad gracias a la inyección de carbón y la preparación del mineral. En cuanto a los hornos eléctricos, los quemadores o instalaciones de precalentamiento de chatarra reducen su dependencia de la electricidad.
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- p. 27
- p. 186
- p. 27-28
- p. 28
- p. 191
- p. 347
- p. 350
- p. 42
- p. 49
- Daniel Rivet , Steel and the Steel Industry , París, Prensas Universitarias de Francia , coll. " ¿Qué se yo? "( N o 561)1978, 128 p. [ detalle de ediciones ] ( ISBN 2-13-035632-X )
- p. 18
- p. 98
- p. 40
- p. 39
- p. 99
- p. 24
Ver también
Bibliografía
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- J. Galey , L. Beaujard , P. Vallet , G. Urbain , J. Tordeux , P. Vilette y J. Foulard , " Medición y registro de la temperatura del baño en el convertidor Thomas mirando a través del pico, aplicaciones al ' estudio de la conversión básica ', La Revue de métallurgie , n o 11,Julio de 1959, p. 69-93
- Emmanuel-Louis Grüner y Charles-Romain Lan , Estado actual de la metalurgia en Inglaterra , editor de Dunod,1862( leer en línea )
- Annie Laurant , De los hierros del Loira al acero de Martin (maestro de forjas en Berry y Nivernais) , ciencia de la saga Royer,1995
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