El acero de crisol es acero que se obtiene fundiendo arrabio ( hierro fundido ), hierro y, a veces , acero , a menudo junto con arena , vidrio , cenizas y otros fundentes , en un crisol . En la antigüedad, el acero y el hierro eran imposibles de fundir usando carbón o fuegos de carbón, que no podían producir temperaturas lo suficientemente altas. Sin embargo, el arrabio, que tiene un mayor contenido de carbono y, por lo tanto, un punto de fusión más bajo, podría fundirse, y sumergiendo hierro forjado o acero en el arrabio líquido durante un largo tiempo, el contenido de carbono del arrabio podría reducirse como lentamente se difundió en el hierro, convirtiendo a ambos en acero. El acero de crisol de este tipo se produjo en Asia central y meridional durante la época medieval . De este modo se obtenía generalmente un acero muy duro, pero también un acero compuesto no homogéneo, formado por un acero con un alto contenido de carbono (antes arrabio) y un acero con menos carbono (antes hierro forjado). Esto a menudo daba como resultado un patrón intrincado cuando el acero se forjaba, limaba o pulía; posiblemente los ejemplos más conocidos provienen del acero wootz utilizado en las espadas de Damasco . El acero era a menudo mucho más alto en contenido de carbono (normalmente oscilaba entre 1,5 y 2,0%) y en calidad (carecía de impurezas) en comparación con otros métodos de producción de acero de la época debido al uso de fundentes. El acero se solía trabajar muy poco y a temperaturas relativamente bajas para evitar cualquier descarburación , desmenuzamiento corto en caliente o difusión excesiva de carbono; suficiente martillazo para formar la forma de una espada. Con un contenido de carbono cercano al del hierro fundido, generalmente no requería ningún tratamiento térmico después de darle forma, aparte del enfriamiento por aire, para lograr la dureza correcta, dependiendo únicamente de la composición. El acero con alto contenido de carbono proporcionó un borde muy duro, pero el acero con bajo contenido de carbono ayudó a aumentar la tenacidad, lo que ayudó a disminuir la posibilidad de astillarse, agrietarse o romperse. [1]
En Europa, el acero de crisol fue desarrollado por Benjamin Huntsman en Inglaterra en el siglo XVIII. Huntsman utilizó coque en lugar de carbón o carbón vegetal, alcanzando temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el acero y disolver el hierro. El proceso de Huntsman se diferenciaba de algunos de los procesos de Wootz en que utilizaba más tiempo para fundir el acero y enfriarlo y, por tanto, permitía más tiempo para la difusión del carbono. [2] El proceso de Huntsman utilizó hierro y acero como materias primas, en forma de acero ampolla , en lugar de la conversión directa a partir de hierro fundido como en el proceso de charcado o el posterior proceso Bessemer . La capacidad de fundir completamente el acero eliminó cualquier falta de homogeneidad en el acero, lo que permitió que el carbono se disolviera uniformemente en el acero líquido y anuló la necesidad previa de una extensa herrería en un intento de lograr el mismo resultado. De manera similar, permitió fundir acero vertiéndolo en moldes. El uso de fundentes permitió la extracción casi completa de las impurezas del líquido, que luego simplemente flotaban hacia la superficie para su eliminación. Esto produjo el primer acero de calidad moderna, proporcionando un medio para transformar eficientemente el exceso de hierro forjado en acero útil. El proceso de Huntsman aumentó enormemente la producción europea de acero de calidad adecuado para su uso en artículos como cuchillos, herramientas y maquinaria, lo que ayudó a allanar el camino para la Revolución Industrial .
Las aleaciones de hierro se dividen de forma más amplia según su contenido de carbono : el hierro fundido tiene entre un 2% y un 4% de impurezas de carbono; El hierro forjado oxida la mayor parte de su carbono, a menos del 0,1%. El acero , mucho más valioso , tiene una fracción de carbono delicadamente intermedia y las propiedades de su material varían según el porcentaje de carbono: el acero con alto contenido de carbono es más resistente pero más frágil que el acero con bajo contenido de carbono . El acero al crisol secuestra las materias primas de entrada de la fuente de calor, lo que permite un control preciso de la carburación (aumento) o descarburización (reducción del contenido de carbono). Se podrían agregar fundentes , como piedra caliza , al crisol para eliminar o promover el azufre , el silicio y otras impurezas, alterando aún más sus cualidades materiales.
Se utilizaron varios métodos para producir acero al crisol. Según textos islámicos como al-Tarsusi y Abu Rayhan Biruni , se describen tres métodos para la producción indirecta de acero. [3] El historiador islámico medieval Abu Rayhan Biruni (c. 973-1050) proporciona la referencia más antigua de la producción de acero de Damasco . [4] El primer método tradicional, y el más común, es la carburación en estado sólido del hierro forjado . Este es un proceso de difusión en el que el hierro forjado se empaqueta en crisoles o en un hogar con carbón y luego se calienta para promover la difusión del carbono en el hierro para producir acero. [5] La carburación es la base del proceso Wootz del acero. El segundo método es la descarburación del hierro fundido eliminando el carbono del hierro fundido. [4] El tercer método utiliza hierro forjado y hierro fundido. En este proceso, el hierro forjado y el hierro fundido se pueden calentar juntos en un crisol para producir acero por fusión. [5] Con respecto a este método, Abu Rayhan Biruni afirma: "este fue el método utilizado en Hearth". Se propone que el método indio se refiera al método de carburación de Wootz; [4] es decir, los procesos de Mysore o Tamil . [6]
Se han encontrado variaciones del proceso de cofusión principalmente en Persia y Asia Central, pero también se han encontrado en Hyderabad, India [7] llamado proceso Deccani o Hyderabad. [6] Para el carbono, las autoridades islámicas contemporáneas especifican una variedad de materiales orgánicos, incluidas cáscaras de granada, bellotas, pieles de frutas como la cáscara de naranja, hojas, así como la clara de huevo y las cáscaras. En algunas de las fuentes indias se mencionan astillas de madera, pero significativamente ninguna de las fuentes menciona el carbón vegetal. [8]
El acero al crisol se atribuye generalmente a centros de producción de la India y Sri Lanka donde se producía mediante el proceso llamado " wootz ", y se supone que su aparición en otras localidades se debió al comercio a larga distancia. [9] Sólo recientemente se ha hecho evidente que lugares en Asia Central como Merv en Turkmenistán y Akhsiket en Uzbekistán eran importantes centros de producción de acero al crisol. [10] Todos los hallazgos de Asia Central provienen de excavaciones y datan de los siglos VIII al XII d.C., mientras que el material indio/srilanqués data del año 300 a.C. El mineral de hierro de la India tenía trazas de vanadio y otros elementos de aleación que conducían a una mayor templabilidad del acero de crisol indio, famoso en todo el Medio Oriente por su capacidad para retener un filo.
Si bien el acero de crisol se atribuye más al Medio Oriente en los primeros tiempos, en Europa, desde el siglo III d.C., se han descubierto espadas soldadas con patrones que incorporan alto contenido de carbono y probablemente acero de crisol, [11] [12] particularmente en Escandinavia . Las espadas que llevan la marca Ulfberht y que datan de un período de 200 años desde el siglo IX hasta principios del siglo XI, son excelentes ejemplos de esta técnica. Muchos lo especulan [ ¿quién? ] que el proceso de fabricación de estas palas se originó en el Medio Oriente y posteriormente se comercializó durante los días de la Ruta Comercial del Volga . [13]
En los primeros siglos del periodo islámico aparecieron algunos estudios científicos sobre espadas y acero. Los más conocidos son Jabir ibn Hayyan (siglo VIII), al-Kindi ( siglo IX), Al-Biruni a principios del siglo XI, al-Tarsusi a finales del siglo XII y Fakhr-i-Mudabbir (siglo XIII). Cualquiera de ellos contiene mucha más información sobre los aceros indios y damasquinados que la que aparece en toda la literatura superviviente de la Grecia y Roma clásicas . [14]
Hay muchos relatos etnográficos sobre la producción india de acero al crisol; sin embargo, sólo se han publicado investigaciones científicas sobre los restos de la producción de acero al crisol en cuatro regiones: tres en la India y una en Sri Lanka. [15] El acero de crisol de India y Sri Lanka se conoce comúnmente como wootz , que generalmente se considera una corrupción inglesa de la palabra ukko (en el idioma canarese ) o hookoo (en el idioma telugu ). [16] [17]
Los relatos europeos desde el siglo XVII en adelante se han referido a la reputación y fabricación del "wootz", un acero de crisol tradicional fabricado especialmente en partes del sur de la India en las antiguas provincias de Golconda , Mysore y Salem. Hasta el momento, la escala de las excavaciones y los estudios de superficie es demasiado limitada para vincular los relatos literarios con la evidencia arqueometalúrgica. [18]
Los lugares probados de producción de acero al crisol en el sur de la India, por ejemplo en Konasamudram y Gatihosahalli, datan al menos del período medieval tardío, el siglo XVI. [19] Uno de los primeros sitios potenciales conocidos, que muestra algunas pruebas preliminares prometedoras que pueden estar relacionadas con procesos de crisol ferroso en Kodumanal , cerca de Coimbatore en Tamil Nadu . [20] El sitio está fechado entre el siglo III a.C. y el siglo III d.C. [21] En el siglo XVII, el principal centro de producción de acero al crisol parece haber estado en Hyderabad. Al parecer, el proceso fue bastante diferente del registrado en otros lugares. [22] Wootz de Hyderabad o el proceso Decanni para fabricar palas acuosas implicaba una cofusión de dos tipos diferentes de hierro: uno era bajo en carbono y el otro era un acero o hierro fundido con alto contenido de carbono. [23] El acero Wootz se exportó y comercializó ampliamente en toda la antigua Europa, China y el mundo árabe , y se hizo particularmente famoso en el Medio Oriente, donde llegó a ser conocido como acero de Damasco. [24] [25]
Investigaciones arqueológicas recientes han sugerido que Sri Lanka también apoyó tecnologías innovadoras para la producción de hierro y acero en la antigüedad. [26] El sistema de Sri Lanka de fabricación de acero al crisol era parcialmente independiente de los diversos sistemas indios y de Oriente Medio. [27] Su método era algo similar al método de carburación del hierro forjado. [26] El sitio de acero al crisol más antiguo confirmado se encuentra en la cordillera Knuckles en la zona norte de las Tierras Altas Centrales de Sri Lanka y data de los siglos VI-X d.C. [28] En el siglo XII, la tierra de Serendib (Sri Lanka) parece haber sido el principal proveedor de acero al crisol, pero con el paso de los siglos la producción disminuyó, y en el siglo XIX sólo sobrevivía una pequeña industria en el distrito de Balangoda del sierra central sur. [29]
Una serie de excavaciones en Samanalawewa indicaron la tecnología inesperada y previamente desconocida de los sitios de fundición orientados al oeste , que son diferentes tipos de producción de acero. [26] [30] Estos hornos se utilizaban para la fundición directa de acero. [31] Estos se denominan "orientados al oeste" porque estaban ubicados en los lados occidentales de las cimas de las colinas para aprovechar el viento predominante en el proceso de fundición. [32] Los aceros para hornos de Sri Lanka se conocieron y comercializaron entre los siglos IX y XI y antes, pero aparentemente no después. [33] Estos sitios datan de los siglos VII al XI. La coincidencia de esta datación con la referencia islámica a Sarandib en el siglo IX [32] es de gran importancia. El proceso de crisol existía en la India al mismo tiempo que la tecnología de orientación occidental operaba en Sri Lanka. [34] Las excavaciones del sitio de Yodhawewa (cerca de Mannar) (en 2018) han descubierto la mitad inferior de un horno esférico de fondo y fragmentos de crisol utilizados para fabricar acero para crisol en Sri Lanka durante los siglos VII-VIII d.C. Los fragmentos de crisol descubiertos en el sitio eran similares a los crisoles alargados en forma de tubo de Samanalawewa. [35]
Asia Central tiene una rica historia de producción de acero al crisol, que comenzó a finales del primer milenio d.C. [36] De los sitios en el moderno Uzbekistán y Merv en Turkmenistán, hay buena evidencia arqueológica de la producción a gran escala de acero al crisol. [37] Todos pertenecen en términos generales al mismo período medieval temprano entre finales del siglo VIII o principios del IX y finales del siglo XII d.C., [38] contemporáneo de las primeras cruzadas . [37]
Los dos yacimientos de acero al crisol más destacados del este de Uzbekistán en los que se lleva a cabo el Proceso de Ferghana son Akhsiket y Pap en el valle de Ferghana , cuya posición dentro de la Gran Ruta de la Seda ha sido demostrada histórica y arqueológicamente. [39] La evidencia material consiste en una gran cantidad de hallazgos arqueológicos relacionados con la fabricación de acero de los siglos IX al XII d.C. en forma de cientos de miles de fragmentos de crisoles, a menudo con enormes tortas de escoria . [36] El trabajo arqueológico en Akhsiket ha identificado que el proceso de acero al crisol consistía en la carburación del metal de hierro. [8] Este proceso parece ser típico y restringido al Valle de Ferghana en el este de Uzbekistán, y por eso se le llama Proceso de Ferghana. [40] Este proceso duró en esa región durante aproximadamente cuatro siglos.
Se han encontrado pruebas de la producción de acero al crisol en Merv, Turkmenistán, una ciudad importante en la "Ruta de la Seda". El erudito islámico al-Kindi (801–866 d.C.) menciona que durante el siglo IX d.C. la región de Khorasan, el área a la que pertenecen las ciudades Nishapur , Merv, Herat y Balkh , era un centro de fabricación de acero. [41] La evidencia de un taller metalúrgico en Merv, que data del siglo IX y principios del X d.C., proporciona una ilustración del método de cofusión de producción de acero en crisoles, unos 1000 años antes que el proceso de wootz, claramente diferente. [42] El proceso de acero al crisol en Merv podría verse como tecnológicamente relacionado con lo que Bronson (1986, 43) llama proceso de Hyderabad, una variación del proceso wootz, después de la ubicación del proceso documentado por Voysey en la década de 1820. [43]
La producción de acero para crisol en China comenzó alrededor del siglo I a.C., o posiblemente antes. Los chinos desarrollaron un método para producir arrabio alrededor del año 1200 a. C., que utilizaron para fabricar hierro fundido . En el siglo I a. C., habían desarrollado la formación de charcos para producir acero dulce y un proceso de descarburación rápida del hierro fundido para producir hierro forjado agitándolo sobre lechos de salitre (llamado proceso Heaton , fue descubierto de forma independiente por John Heaton en el década de 1860). Por esta época, los chinos comenzaron a producir acero al crisol para convertir cantidades excesivas de hierro fundido y hierro forjado en acero adecuado para espadas y armas. [44] [45]
En 1064, Shen Kuo , en su libro Dream Pool Essays , dio la descripción escrita más antigua de los patrones en el acero, los métodos de producción de espadas y algunos de los razonamientos detrás de esto:
Los antiguos usaban chi kang (acero combinado) para el borde y jou thieh (hierro dulce) para la parte posterior, de lo contrario se rompería a menudo. Un arma demasiado fuerte cortará y destruirá su propio filo; por eso es aconsejable utilizar únicamente acero combinado. En cuanto al efecto yu-chhang (intestinos de pescado), es lo que ahora se llama la espada de acero de "serpiente enroscada" o, alternativamente, el "diseño de pino". Si cocinas un pescado completamente y le quitas las espinas, la forma de sus tripas se verá como las líneas de una "espada de serpiente enroscada". [46]
Las primeras referencias europeas al acero al crisol no parecen ser anteriores al período posmedieval . [47] Los experimentos europeos con aceros “ Damasco ” se remontan al menos al siglo XVI, pero no fue hasta la década de 1790 que los investigadores de laboratorio comenzaron a trabajar con aceros que se sabía específicamente que eran indios/wootz. [48] En ese momento, los europeos conocían la capacidad de la India para fabricar acero al crisol a partir de informes traídos por viajeros que habían observado el proceso en varios lugares del sur de la India.
Desde mediados del siglo XVII en adelante, los viajeros europeos al subcontinente indio escribieron numerosos y vívidos relatos de testigos presenciales sobre la producción de acero allí. Estos incluyen relatos de Jean-Baptiste Tavernier en 1679, Francis Buchanan en 1807 y HW Voysey en 1832. [49] Los siglos XVIII, XIX y principios del XX vieron un período embriagador de interés europeo por tratar de comprender la naturaleza y las propiedades del wootz. acero. El wootz indio atrajo la atención de algunos de los científicos más conocidos. [50] Uno fue Michael Faraday , que estaba fascinado por el acero wootz. Probablemente fueron las investigaciones de George Pearson, presentadas en la Royal Society en 1795, las que tuvieron el impacto de mayor alcance en términos de despertar el interés por la lana entre los científicos europeos. [51] Fue el primero de estos científicos en publicar sus resultados y, dicho sea de paso, el primero en utilizar la palabra "wootz" impresa. [52]
Otro investigador, David Mushet , pudo inferir que el wootz se elaboraba por fusión. [53] David Mushet patentó su proceso en 1800. [54] Hizo su informe en 1805. [52] Sin embargo, da la casualidad de que el primer proceso europeo exitoso había sido desarrollado por Benjamin Huntsman unos 50 años antes, en la década de 1740. [55]
Benjamin Huntsman era un relojero que buscaba un acero mejor para los resortes de los relojes. En Handsworth, cerca de Sheffield , comenzó a producir acero en 1740 después de años de experimentar en secreto. El sistema de Huntsman utilizaba un horno de coque capaz de alcanzar los 1.600 °C, en el que se colocaban hasta doce crisoles de arcilla, cada uno capaz de contener unos 15 kg de hierro. Cuando los crisoles o "ollas" estaban al rojo vivo, se cargaban con trozos de acero ampollado , una aleación de hierro y carbono producida por el proceso de cementación , y un fundente para ayudar a eliminar las impurezas. Las vasijas se retiraron después de aproximadamente 3 horas en el horno, se quitaron las impurezas en forma de escoria y el acero fundido se vertió en moldes para terminar como lingotes fundidos . [56] [57] La fusión completa del acero produjo una estructura cristalina altamente uniforme al enfriarse, lo que le dio al metal una mayor resistencia a la tracción y dureza en comparación con otros aceros que se fabricaban en ese momento.
Antes de la introducción de la técnica de Huntsman, Sheffield producía alrededor de 200 toneladas de acero al año a partir de hierro forjado sueco (ver Hierro mineral ). La introducción de la técnica de Huntsman cambió esto radicalmente: cien años más tarde la cantidad había aumentado a más de 80.000 toneladas por año, o casi la mitad de la producción total de Europa. Sheffield pasó de ser un pequeño municipio a convertirse en una de las principales ciudades industriales de Europa.
El acero se producía en talleres especializados llamados "hornos de crisol", que constaban de un taller a nivel del suelo y una bodega subterránea. Los edificios de los hornos variaban en tamaño y estilo arquitectónico, y crecieron en tamaño hacia la última parte del siglo XIX a medida que los avances tecnológicos permitieron "encender" varias ollas a la vez, utilizando gas como combustible para calefacción. Cada taller tenía una serie de características estándar, como filas de orificios de fusión, fosas de equipo, [ se necesita aclaración ] respiraderos en el techo, filas de estantes para las ollas de crisol y hornos de recocido para preparar cada olla antes de cocerla. Las salas auxiliares para pesar cada carga y para la fabricación de los crisoles de arcilla estaban adjuntas al taller o ubicadas dentro del complejo de bodegas. El acero, originalmente destinado a fabricar resortes de relojes, se utilizó posteriormente en otras aplicaciones como tijeras, hachas y espadas.
Abbeydale Industrial Hamlet de Sheffield opera para el público una fábrica de guadañas , que data de la época de Huntsman y funciona con una rueda hidráulica , utilizando acero al crisol fabricado en el lugar.
Antes de Huntsman, el método más común de producir acero era la fabricación de acero de corte . En este método, se utilizó acero ampollado producido mediante cementación, que consistía en un núcleo de hierro forjado rodeado por una carcasa de acero con muy alto contenido de carbono, que normalmente oscilaba entre 1,5 y 2,0% de carbono. Para ayudar a homogeneizar el acero, se martillaba hasta obtener placas planas, que se apilaban y se soldaban entre sí. Esto produjo acero con capas alternas de acero y hierro. Luego, el tocho resultante se podía aplastar, cortar en placas, que se apilaban y soldaban nuevamente, adelgazando y combinando las capas, y nivelando más el carbono a medida que se difundía lentamente desde el acero con alto contenido de carbono hacia el hierro con bajo contenido de carbono. Sin embargo, cuanto más se calentaba y trabajaba el acero, más tendía a descarburarse , y esta difusión hacia el exterior se produce mucho más rápido que la difusión hacia el interior entre capas. Por lo tanto, nuevos intentos de homogeneizar el acero dieron como resultado un contenido de carbono demasiado bajo para su uso en artículos como resortes, cubiertos, espadas o herramientas. Por lo tanto, el acero destinado a este tipo de artículos, especialmente herramientas, se seguía fabricando principalmente mediante el lento y arduo proceso de floración , en cantidades muy pequeñas y a un coste elevado, que, aunque mejor, debía separarse manualmente del hierro forjado y ser Aún es imposible homogeneizar completamente en estado sólido.
El proceso de Huntsman fue el primero en producir un acero totalmente homogéneo. A diferencia de los métodos anteriores de producción de acero, el proceso Huntsman fue el primero en fundir completamente el acero, permitiendo la difusión total del carbono por todo el líquido. Con el uso de fundentes también permitió la eliminación de la mayoría de las impurezas, produciendo el primer acero de calidad moderna. Debido al alto punto de fusión del carbono (casi el triple que el del acero) y su tendencia a oxidarse (quemarse) a altas temperaturas, generalmente no se puede agregar directamente al acero fundido. Sin embargo, añadiendo hierro forjado o arrabio, permitiendo que se disolviera en el líquido, el contenido de carbono podría regularse cuidadosamente (de forma similar a los aceros de crisol asiáticos, pero sin las marcadas faltas de homogeneidad que caracterizan a esos aceros). Otro beneficio fue que permitía alear otros elementos con el acero. Huntsman fue uno de los primeros en comenzar a experimentar con la adición de agentes de aleación como el manganeso para ayudar a eliminar impurezas como el oxígeno del acero. Su proceso fue utilizado más tarde por muchos otros, como Robert Hadfield y Robert Forester Mushet , para producir los primeros aceros aleados como mangalloy , acero rápido y acero inoxidable .
Debido a las variaciones en el contenido de carbono del acero al ampolla, el acero al carbono producido podía variar en el contenido de carbono entre crisoles hasta en un 0,18 %, pero en promedio produjo un acero eutectoide que contenía ~ 0,79 % de carbono. Debido a la calidad y alta templabilidad del acero, se adoptó rápidamente para la fabricación de acero para herramientas, máquinas herramienta, cuchillería y muchos otros artículos. Debido a que no se soplaba oxígeno a través del acero, superó al acero Bessemer tanto en calidad como en templabilidad, por lo que el proceso de Huntsman se utilizó para fabricar acero para herramientas hasta que se desarrollaron mejores métodos, utilizando un arco eléctrico , a principios del siglo XX. [58] [59]
En otro método, desarrollado en los Estados Unidos en la década de 1880, el hierro y el carbono se fundían directamente para producir acero al crisol. [60] A lo largo del siglo XIX y hasta la década de 1920, una gran cantidad de acero de crisol se destinó a la producción de herramientas de corte , donde se le llamó acero para herramientas .
El proceso de crisol siguió utilizándose para aceros especiales, pero hoy en día está obsoleto. Ahora se fabrican aceros de calidad similar con un horno de arco eléctrico . Algunos usos del acero para herramientas fueron desplazados, primero por el acero rápido [60] y más tarde por materiales como el carburo de tungsteno .
Otra forma de acero al crisol fue desarrollada en 1837 por el ingeniero ruso Pavel Anosov . Su técnica se basaba menos en el calentamiento y enfriamiento, y más en el proceso de enfriamiento rápido del acero fundido cuando se había formado en su interior la estructura cristalina adecuada. Llamó a su acero bulat ; su secreto murió con él. En los Estados Unidos, el acero al crisol fue iniciado por William Metcalf .