Un horno de fundición es un tipo de horno metalúrgico que se utilizó mucho para fundir hierro a partir de sus óxidos . El horno de fundición fue la primera forma de fundición capaz de fundir hierro. Los hornos de fundición producen una masa porosa de hierro y escoria llamada tocho . La mezcla de escoria y hierro en el tocho, denominada hierro esponjado , generalmente se consolida y se forja para formar hierro forjado . Los altos hornos , que producen arrabio , han reemplazado en gran medida a los hornos de fundición.
Un horno de cocción consiste en un pozo o chimenea con paredes resistentes al calor hechas de tierra, arcilla o piedra . Cerca del fondo, uno o más tubos (hechos de arcilla o metal) ingresan a través de las paredes laterales. Estos tubos, llamados toberas , permiten que el aire ingrese al horno, ya sea por tiro natural o forzado con fuelles o una trompa . Se puede usar una abertura en la parte inferior del horno de cocción para quitar la tobera, o se puede volcar el horno y quitar la tobera desde la parte superior.
El primer paso que se da antes de poder utilizar el carbón vegetal es la preparación del carbón vegetal y del mineral de hierro. El carbón vegetal es carbono casi puro , que, al quemarse, produce la alta temperatura necesaria para el proceso de fundición y proporciona el monóxido de carbono necesario para la reducción del metal.
El mineral se rompe en pedazos pequeños y generalmente se tuesta en el fuego, para facilitar la trituración de los minerales de base rocosa, eliminar algunas impurezas y (en menor medida) eliminar la humedad del mineral. Las impurezas grandes (como la sílice) del mineral se pueden eliminar a medida que se tritura. El tamaño de partícula deseado depende principalmente de cuál de los varios tipos de mineral esté disponible, lo que también tendrá una relación con la disposición y el funcionamiento del horno, del cual existen varias formas regionales, históricas/tradicionales. Los minerales de hierro naturales pueden variar considerablemente en forma de óxido ( Fe
2Oh
3/ Fe
3Oh
4/ FeO(OH) ), y, lo que es más importante, en el contenido relativo de hierro. Dado que la escoria de los desmontes anteriores puede tener un alto contenido de hierro, también se puede desintegrar y reciclar en el desmonte con el nuevo mineral.
En funcionamiento, después de que el horno se calienta, generalmente con un fuego de leña, y se pasa a quemar carbón de tamaño adecuado, se introduce mineral de hierro y carbón adicional por la parte superior. Nuevamente, los métodos tradicionales varían, pero normalmente se agregan cargas más pequeñas de mineral al comienzo de la secuencia de fundición principal, aumentando a cantidades mayores a medida que avanza la fundición. En general, una proporción típica de carbón total a mineral agregado es de aproximadamente uno a uno. Dentro del horno, el monóxido de carbono de la combustión incompleta del carbón reduce los óxidos de hierro en el mineral a hierro metálico sin fundir el mineral; esto permite que el horno funcione a temperaturas más bajas que la temperatura de fusión del mineral. Como el producto deseado de un horno es hierro que se puede forjar fácilmente , requiere un bajo contenido de carbono. La temperatura y la proporción de carbón a mineral de hierro deben controlarse cuidadosamente para evitar que el hierro absorba demasiado carbono y, por lo tanto, se vuelva infalsificable. El hierro fundido se produce cuando el hierro absorbe entre un 2% y un 4% de carbono. Debido a que el material fundente es autofundente , no se requiere la adición de piedra caliza para formar una escoria.
Las pequeñas partículas de hierro producidas de esta manera caen al fondo del horno, donde se combinan con escoria fundida, que a menudo consiste en fayalita , un compuesto de silicio , oxígeno y hierro mezclado con otras impurezas del mineral. La escoria líquida caliente, que corre hacia el fondo del horno, se enfría contra la base y las paredes laterales inferiores del horno, formando efectivamente un recipiente que todavía contiene escoria fluida. A medida que se forman las partículas de hierro individuales, caen en este recipiente y se sinterizan juntas por su propio peso, formando una masa esponjosa conocida como el bloom . Debido a que el bloom es típicamente poroso y sus espacios abiertos pueden estar llenos de escoria, la masa extraída debe golpearse con martillos pesados para comprimir los huecos y expulsar cualquier escoria fundida restante. Este proceso puede requerir varios ciclos adicionales de calentamiento y compactación, trabajando a altas temperaturas de "soldadura". El hierro tratado de esta manera se dice que es forjado (trabajado), y el hierro resultante, con cantidades reducidas de escoria, se llama hierro forjado o hierro en barra. Debido al proceso de creación, las distintas flores pueden tener a menudo diferentes contenidos de carbono entre las superficies superior e inferior originales, diferencias que también se combinarán de algún modo mediante las secuencias de aplanamiento, plegado y soldadura con martillo. También es posible producir intencionalmente flores recubiertas de acero (es decir, hierro con un mayor contenido de carbono) manipulando la carga y el flujo de aire hacia la florería. [1]
A medida que comenzó la era de la fabricación comercial de acero moderno , la palabra "bloom" se extendió a otro sentido haciendo referencia a una pieza de acero de etapa intermedia , de un tamaño comparable a muchos desbastes de hierro tradicionales, que estaba lista para ser trabajada más a fondo para convertirse en palanquilla .
El inicio de la Edad del Hierro en la mayor parte del mundo coincide con el primer uso generalizado del hierro fundido. Aunque se han encontrado ejemplos anteriores de hierro, su alto contenido de níquel indica que se trata de hierro meteórico . Es posible que otras muestras tempranas de hierro se hayan producido por la introducción accidental de mineral de hierro en las operaciones de fundición de cobre. Parece que el hierro se fundía en Oriente Medio ya en el año 3000 a. C., pero los caldereros, al no estar familiarizados con el hierro, no lo utilizaron hasta mucho después. En Occidente, el hierro comenzó a utilizarse alrededor del año 1200 a. C. [2]
Durante mucho tiempo se ha considerado a China como la excepción al uso general de los hornos de fundición. Se cree que los chinos se saltaron por completo el proceso de fundición, comenzando con el alto horno y la fragua para producir hierro forjado; hacia el siglo V a. C., los trabajadores del metal del estado sureño de Wu habían inventado el alto horno y los medios para fundir el hierro y descarburar el arrabio rico en carbono producido en un alto horno hasta obtener un material similar al hierro forjado con bajo contenido de carbono. Sin embargo, evidencia reciente muestra que los hornos de fundición se usaban antes en la antigua China , migrando desde el oeste ya en el año 800 a. C., antes de ser reemplazados por el alto horno desarrollado localmente. En apoyo de esta teoría se encontró el descubrimiento de "más de diez" herramientas para excavar hierro encontradas en la tumba del duque Jing de Qin (fallecido en el año 537 a. C.), cuya tumba se encuentra en el condado de Fengxiang , Shaanxi (actualmente existe un museo en el sitio). [3]
Los primeros registros de hornos de fundición de hierro en África Oriental son descubrimientos de hierro fundido y carbón en Nubia, en el antiguo Sudán, que datan al menos del siglo VII al VI a. C. Las antiguas fundiciones de hierro que producían herramientas de metal para los nubios y los kushitas producían un excedente para la venta. Todos los procesos tradicionales de fundición de hierro del África subsahariana son variantes del proceso de fundición de hierro. [4] Existe un debate considerable sobre los orígenes de la metalurgia del hierro en África . La fundición en hornos de fundición de hierro en África Occidental y la forja de herramientas aparecieron en la cultura Nok de Nigeria central al menos en el año 550 a. C. y posiblemente varios siglos antes. [5] [6] Además, la evidencia indica fundición de hierro con hornos de estilo bloomery que datan de 750 a. C. en Opi (Augustin Holl 2009) y Lejja que datan de 2000 a. C. (Pamela Eze-Uzomaka 2009), ambos sitios en la región de Nsukka del sudeste de Nigeria en lo que ahora es Igboland . [7] [8] [6] El sitio de Gbabiri, en la República Centroafricana , también ha arrojado evidencia de metalurgia del hierro, de un horno de reducción y un taller de herrería, con fechas más tempranas de 896-773 y 907-796 a. C., respectivamente. [6]
Durante un proyecto de planta hidroeléctrica, en las estribaciones meridionales de las Tierras Altas Centrales, Samanalawewa, en Sri Lanka , se encontró un horno impulsado por el viento en un sitio de excavación. Estos hornos eran alimentados por los vientos monzónicos y han sido datados en el año 300 a. C. utilizando técnicas de datación por radiocarbono. Estos antiguos hornos de Sri Lanka podrían haber producido el acero de mejor calidad para las legendarias espadas de Damasco, como se menciona en registros sirios anteriores. [9] Las pruebas de campo con réplicas de hornos confirmaron que este tipo de horno utiliza un principio de suministro de aire basado en el viento que es distinto del tiro forzado o natural, y también muestran que son capaces de producir acero con alto contenido de carbono. [10]
El hierro forjado se utilizó en la construcción de monumentos como el pilar de hierro de Delhi , construido en el siglo III d. C. durante el Imperio Gupta . Este último se construyó utilizando una serie de imponentes bloques de hierro con forma de disco. Al igual que en China, el acero con alto contenido de carbono se utilizó con el tiempo en la India, aunque el hierro fundido no se utilizó en arquitectura hasta los tiempos modernos. [11]
Los hornos de fundición europeos primitivos eran relativamente pequeños, principalmente debido a los límites mecánicos de los fuelles accionados por el hombre y la cantidad de fuerza posible de aplicar con mazas accionadas a mano. Los conocidos arqueológicamente de la Edad del Hierro prerromana tienden a estar en el rango de los 2 kg, producidos en hornos de cuba baja. La producción de la era romana a menudo utilizaba hornos lo suficientemente altos como para crear un efecto de tiro natural (en el rango de 200 cm de altura), y tamaños de cuba crecientes en el rango de 10-15 kg. [12] Los experimentadores contemporáneos habían fabricado rutinariamente cubas utilizando hornos de "cuba corta" derivados del norte de Europa con suministros de aire soplado en el rango de 5-10 kg [13] El uso de ruedas hidráulicas , que se extendió alrededor del cambio del primer milenio y se utilizó para impulsar fuelles más masivos, permitió que la fundición de fundición se volviera más grande y más caliente, con martillos de viaje asociados que permitían la forja de consolidación de las cubas más grandes creadas. A finales del siglo XIV se construyeron florerías cada vez más grandes, con una capacidad media de unos 15 kg, aunque hubo excepciones. El tamaño medio europeo de las flores aumentó rápidamente hasta los 300 kg, donde se estabilizó hasta la desaparición de las florerías.
A medida que aumenta el tamaño de una caldera, el mineral de hierro queda expuesto a la combustión del carbón durante más tiempo. Esto, combinado con el fuerte chorro de aire necesario para penetrar en la gran pila de mineral y carbón, puede hacer que parte del hierro se funda y se sature de carbono en el proceso, produciendo arrabio infalsificable, que requiere oxidación para reducirse a hierro fundido, acero y hierro. Este arrabio se consideraba un producto de desecho que restaba rendimiento a las calderas más grandes, y los primeros altos hornos , de construcción idéntica, pero dedicados a la producción de hierro fundido, no se construyeron hasta el siglo XIV. [14] [15]
Los hornos de tipo desbaste producían normalmente una gama de productos de hierro, desde hierro con muy bajo contenido de carbono hasta acero con un contenido de carbono de entre el 0,2 y el 1,5 %. El maestro herrero tenía que seleccionar piezas de hierro con bajo contenido de carbono, carburarlas y soldarlas mediante patrones para fabricar láminas de acero. Incluso cuando se aplicaba a un desbaste no carburado, este proceso de golpear, doblar y soldar daba como resultado un producto más homogéneo y eliminaba gran parte de la escoria. El proceso tenía que repetirse hasta 15 veces cuando se necesitaba acero de alta calidad, como para una espada. La alternativa era carburar la superficie de un producto terminado. El calor de cada soldadura oxida algo de carbono, por lo que el maestro herrero tenía que asegurarse de que hubiera suficiente carbono en la mezcla inicial. [16] [17]
En Inglaterra y Gales, a pesar de la llegada del alto horno al Weald en torno a 1491, las forjas de fundición, que probablemente utilizaban energía hidráulica para el martillo y el fuelle, funcionaban en la región de West Midlands más allá de 1580. En Furness y Cumberland , funcionaron hasta principios del siglo XVII y la última de Inglaterra (cerca de Garstang ) no cerró hasta alrededor de 1770. [18] [19]
En Lapphyttan, Suecia , se ha encontrado uno de los altos hornos más antiguos conocidos en Europa , que se ha datado mediante carbono-14 en el siglo XII. [20] [ cita completa requerida ] El horno de fundición más antiguo de Suecia, también encontrado en la misma zona, se ha datado mediante carbono-14 en el año 700 a. C. [21]
Las bloomeries sobrevivieron en España y el sur de Francia como forjas catalanas hasta mediados del siglo XIX, [22] y en Austria como Stückofen [fr] hasta 1775.
La fundición de hierro era desconocida en la América precolombina .
Las excavaciones en L'Anse aux Meadows , Terranova, han encontrado evidencia considerable del procesamiento de hierro de pantano y la producción de hierro en un bloomery por parte de los nórdicos. [23] El grupo de la Era Vikinga ( c. 1000 - 1022 d. C.) en L'Anse aux Meadows está situado en una terraza marina elevada, entre una turbera de juncia y el océano. Las estimaciones de la menor cantidad de escoria recuperada arqueológicamente sugieren que se produjeron 15 kg de escoria durante lo que parece haber sido un solo intento de fundición. Al comparar el contenido de hierro del mineral de hierro de pantano primario encontrado en la 'cabaña del horno' construida especialmente con el hierro que queda en esa escoria, se estima que se produjo un bloom de hierro de 3 kg. Con un rendimiento de, en el mejor de los casos, el 20% de lo que es un buen mineral rico en hierro, esto sugiere que los trabajadores que procesaban el mineral no habían sido particularmente hábiles. [23] Esto apoya la idea de que el conocimiento del procesamiento del hierro estaba extendido y no se limitaba a los principales centros de comercio. [23] Los arqueólogos también encontraron 98 clavos y, lo que es más importante, fragmentos de remaches de barco, en el sitio, así como evidencia considerable de carpintería, lo que indica que en el sitio se realizaron reparaciones de barcos o posiblemente de buques. [23] [24] (Una consideración importante sigue siendo que un potencial desbaste en bruto de 3 kg ciertamente no produce suficiente barra refinada para fabricar los 3 kg de clavos y remaches recuperados).
En la colonización española de las Américas , las fraguas o "forjas catalanas" formaban parte de la "autosuficiencia" en algunas de las misiones , encomiendas y pueblos . Como parte de las misiones franciscanas españolas en Alta California , las "fraguas catalanas" de la Misión de San Juan Capistrano de la década de 1790 son las instalaciones más antiguas de su tipo que existen en el actual estado de California . El letrero de las fraguas proclama que el sitio es "parte del primer complejo industrial del condado de Orange ".
Los arqueólogos de Jamestown, Virginia ( circa 1610-1615 [ cita requerida ] ) habían recuperado los restos de un sencillo horno de fundición de eje corto, probablemente concebido como otra "prueba de recursos" como la que se había encontrado en Vinland mucho antes. Los colonos ingleses de las Trece Colonias no podían fabricar nada por ley; durante un tiempo, los británicos intentaron situar la mayor parte de la artesanía especializada en lugares nacionales. De hecho, este fue uno de los problemas que llevaron a la revolución. [ cita requerida ] La fundición de hierro de Falling Creek fue la primera de los Estados Unidos. La fundición de hierro de Neabsco es un ejemplo del esfuerzo inicial de Virginia por formar una industria estadounidense viable.
La primera forja de hierro en la Pensilvania colonial fue la fragua de Thomas Rutter cerca de Pottstown , fundada en 1716. [25] En Adirondacks , Nueva York, se construyeron nuevas fraguas que utilizaban la técnica de soplado caliente en el siglo XIX. [26]
La versión final de este tipo de hogar bloomery sobrevivió en España hasta el siglo XIX.
