El proceso Bessemer fue el primer proceso industrial económico para la producción en masa de acero a partir de arrabio fundido antes del desarrollo del horno de solera abierta . El principio clave es la eliminación de impurezas del hierro mediante oxidación con aire que se sopla a través del hierro fundido. La oxidación también eleva la temperatura de la masa de hierro y la mantiene fundida.
Los procesos relacionados con la descarburación con aire se habían utilizado fuera de Europa durante cientos de años, pero no a escala industrial. [1] Uno de esos procesos (similar al pudling ) era conocido en el siglo XI en el este de Asia, donde el erudito Shen Kuo de esa época describió su uso en la industria siderúrgica china. [2] [3] En el siglo XVII, los relatos de viajeros europeos detallaron su posible uso por parte de los japoneses. [4]
El proceso moderno recibe su nombre de su inventor, el inglés Henry Bessemer , quien obtuvo una patente sobre el proceso en 1856. [5] Se dice que el proceso fue descubierto independientemente en 1851 por el inventor estadounidense William Kelly [4] [6] aunque la afirmación es controvertida. [7] [8] [9] [10]
El proceso que utiliza un revestimiento refractario básico se conoce como "proceso básico Bessemer" o proceso Gilchrist-Thomas en honor a los descubridores ingleses Percy Gilchrist y Sidney Gilchrist Thomas .
Un sistema similar al proceso Bessemer ha existido desde el siglo XI en Asia Oriental. [2] [3] El historiador económico Robert Hartwell escribe que los chinos de la dinastía Song (960-1279 d. C.) innovaron un método de "descarbonización parcial" de forjado repetido de hierro fundido bajo un chorro de aire frío. [11] El sinólogo Joseph Needham y el historiador de la metalurgia Theodore A. Wertime han descrito el método como un predecesor del proceso Bessemer para fabricar acero. [2] [12] [13] Este proceso fue descrito por primera vez por el prolífico erudito y funcionario del gobierno polímata Shen Kuo (1031-1095) en 1075, cuando visitó Cizhou. [11] Hartwell afirma que quizás el primer centro donde esto se practicó fue el gran distrito de producción de hierro a lo largo de la frontera entre Henan y Hebei durante el siglo XI. [11]
En el siglo XV se desarrolló en Europa el proceso de refinado , otro proceso que comparte el principio del soplado de aire con el proceso Bessemer. En 1740, Benjamin Huntsman desarrolló la técnica del crisol para la fabricación de acero en su taller del distrito de Handsworth en Sheffield . Este proceso tuvo un enorme impacto en la cantidad y calidad de la producción de acero, pero no estaba relacionado con el proceso de tipo Bessemer que empleaba la descarburación.
Los japoneses pueden haber utilizado un proceso de tipo Bessemer, que fue observado por los viajeros europeos en el siglo XVII. [4] El aventurero Johan Albrecht de Mandelslo describe el proceso en un libro publicado en inglés en 1669. Escribe: "Tienen, entre otras cosas, una invención particular para la fundición de hierro, sin el uso del fuego, vertiéndolo en una cuba hecha por dentro sin aproximadamente medio pie de tierra, donde lo guardan con un soplo continuo, lo sacan a cucharones llenos, para darle la forma que les plazca". Según el historiador Donald Wagner, Mandelslo no visitó personalmente Japón, por lo que su descripción del proceso probablemente se deriva de los relatos de otros europeos que habían viajado a Japón. Wagner cree que el proceso japonés puede haber sido similar al proceso Bessemer, pero advierte que también son plausibles explicaciones alternativas. [4]
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A principios y mediados de la década de 1850, el inventor estadounidense William Kelly experimentó con un método similar al proceso Bessemer. Wagner escribe que Kelly puede haberse inspirado en técnicas introducidas por herreros chinos contratados por Kelly en 1854. [4] La afirmación de que tanto Kelly como Bessemer inventaron el mismo proceso sigue siendo controvertida. Cuando la patente de Bessemer para el proceso fue informada por Scientific American , Kelly respondió escribiendo una carta a la revista. En la carta, Kelly afirma que anteriormente había experimentado con el proceso y afirmó que Bessemer sabía del descubrimiento de Kelly. Escribió que "tengo razones para creer que mi descubrimiento era conocido en Inglaterra hace tres o cuatro años, ya que varios puddlers ingleses visitaron este lugar para ver mi nuevo proceso. Varios de ellos han regresado desde entonces a Inglaterra y pueden haber hablado de mi invento allí". [4] Se sugiere que el proceso de Kelly estaba menos desarrollado y menos exitoso que el proceso de Bessemer. [14]
Sir Henry Bessemer describió el origen de su invento en su autobiografía escrita en 1890. Durante el estallido de la Guerra de Crimea , muchos industriales e inventores ingleses se interesaron por la tecnología militar. Según Bessemer, su invento se inspiró en una conversación con Napoleón III en 1854 relacionada con el acero necesario para una mejor artillería. Bessemer afirmó que "fue la chispa que encendió una de las mayores revoluciones que el presente siglo tuvo que registrar, ya que durante mi solitario viaje en taxi esa noche desde Vincennes a París, decidí intentar lo que pudiera para mejorar la calidad del hierro en la fabricación de armas". [5] En ese momento, el acero se usaba para hacer solo artículos pequeños como cubiertos y herramientas, pero era demasiado caro para los cañones. A partir de enero de 1855, comenzó a trabajar en una forma de producir acero en las cantidades masivas requeridas para la artillería y en octubre presentó su primera patente relacionada con el proceso Bessemer. Un año después, en 1856, patentó el método. [5] William Kelley obtuvo la patente prioritaria en 1857. [15]
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Bessemer concedió la patente de su proceso a cuatro fabricantes de hierro , [ ¿cuándo? ] por un total de 27.000 libras, pero los licenciatarios no consiguieron producir la calidad de acero que había prometido (hacía un calor terrible y un frío terrible), según su amigo, William Clay [16] , y más tarde los volvió a comprar por 32.500 libras. [17] Su plan había sido ofrecer las licencias a una empresa en cada una de varias áreas geográficas, a un precio de regalías por tonelada que incluía una tasa más baja sobre una proporción de su producción para fomentar la producción, pero no una proporción tan grande como para que decidieran reducir sus precios de venta. Con este método esperaba hacer que el nuevo proceso ganara prestigio y cuota de mercado. [16]
Se dio cuenta de que el problema técnico se debía a las impurezas del hierro y concluyó que la solución estaba en saber cuándo apagar el flujo de aire en su proceso para que las impurezas se quemaran pero que quedara la cantidad justa de carbono . Sin embargo, a pesar de gastar decenas de miles de libras en experimentos, no pudo encontrar la respuesta. [18] Ciertos grados de acero son sensibles al 78% de nitrógeno que formaba parte del chorro de aire que pasaba a través del acero.
La solución fue descubierta por primera vez por el metalúrgico inglés Robert Forester Mushet , que había llevado a cabo miles de experimentos en el bosque de Dean . Su método consistía en quemar primero, en la medida de lo posible, todas las impurezas y el carbono, y luego reintroducir el carbono y el manganeso añadiendo una cantidad exacta de spiegeleisen , una aleación de hierro y manganeso con trazas de carbono y silicio . Esto tuvo el efecto de mejorar la calidad del producto terminado, aumentando su maleabilidad (su capacidad para soportar el laminado y el forjado a altas temperaturas) y haciéndolo más adecuado para una amplia gama de usos. [19] [20] La patente de Mushet finalmente caducó debido a la incapacidad de Mushet para pagar las tarifas de la patente y fue adquirida por Bessemer. Bessemer ganó más de 5 millones de dólares [ aclaración necesaria ] en regalías de las patentes. [21]
La primera empresa que autorizó el proceso fue la firma de Manchester W & J Galloway , y lo hizo antes de que Bessemer lo anunciara en Cheltenham en 1856. No están incluidos en su lista de los cuatro a quienes les reembolsó las tarifas de la licencia. Sin embargo, posteriormente rescindieron su licencia en 1858 a cambio de la oportunidad de invertir en una sociedad con Bessemer y otros. Esta sociedad comenzó a fabricar acero en Sheffield a partir de 1858, inicialmente utilizando arrabio de carbón importado de Suecia . Esta fue la primera producción comercial. [16] [22]
El comerciante y cónsul sueco Göran Fredrik Göransson también adquirió una participación del 20% en la patente de Bessemer para su uso en Suecia y Noruega durante una visita a Londres en 1857. Durante la primera mitad de 1858, Göransson, junto con un pequeño grupo de ingenieros, experimentó con el proceso Bessemer en Edsken, cerca de Hofors , Suecia, antes de que finalmente tuviera éxito. Más tarde, en 1858, se reunió nuevamente con Henry Bessemer en Londres, logró convencerlo de su éxito con el proceso y negoció el derecho a vender su acero en Inglaterra. La producción continuó en Edsken, pero era demasiado pequeña para la producción a escala industrial necesaria. En 1862, Göransson construyó una nueva fábrica para su empresa Högbo Iron and Steel Works en la orilla del lago Storsjön, donde se fundó la ciudad de Sandviken . La empresa pasó a llamarse Sandviken's Ironworks, continuó creciendo y finalmente se convirtió en Sandvik en la década de 1970. [23]
Alexander Lyman Holley contribuyó significativamente al éxito del acero Bessemer en los Estados Unidos. Su Tratado sobre artillería y armaduras es una obra importante sobre la fabricación de armas contemporáneas y las prácticas de fabricación de acero. En 1862, visitó las obras de Bessemer en Sheffield y se interesó en obtener una licencia para el proceso para su uso en los EE. UU. Al regresar a los EE. UU., Holley se reunió con dos productores de hierro de Troy, Nueva York , John F. Winslow y John Augustus Griswold , quienes le pidieron que regresara al Reino Unido y negociara con el Banco de Inglaterra en su nombre. Holley obtuvo una licencia para que Griswold y Winslow utilizaran los procesos patentados de Bessemer y regresó a los Estados Unidos a fines de 1863. [24]
El trío comenzó a montar una fábrica en Troy, Nueva York, en 1865. La fábrica contenía una serie de innovaciones de Holley que mejoraron enormemente la productividad en comparación con la fábrica de Bessemer en Sheffield, y los propietarios dieron una exitosa exhibición pública en 1867. La fábrica de Troy atrajo la atención de Pennsylvania Railroad , que quería utilizar el nuevo proceso para fabricar rieles de acero. Financiaron la segunda fábrica de Holley como parte de su subsidiaria Pennsylvania Steel. Entre 1866 y 1877, los socios pudieron obtener licencias para un total de 11 fábricas de acero de Bessemer.
Uno de los inversores que atrajeron fue Andrew Carnegie , que vio una gran promesa en la nueva tecnología del acero después de una visita a Bessemer en 1872, y la vio como un complemento útil a sus negocios existentes, la Keystone Bridge Company y la Union Iron Works. Holley construyó la nueva fábrica de acero para Carnegie y continuó mejorando y refinando el proceso. La nueva fábrica, conocida como Edgar Thomson Steel Works , abrió en 1875 e inició el crecimiento de los Estados Unidos como un importante productor mundial de acero. [25] Usando el proceso Bessemer, Carnegie Steel pudo reducir los costos de los rieles de acero para ferrocarril de $100 por tonelada a $50 por tonelada entre 1873 y 1875. El precio del acero continuó cayendo hasta que Carnegie vendía rieles a $18 por tonelada en la década de 1890. Antes de la apertura de la fábrica Thomson de Carnegie, la producción de acero en Estados Unidos ascendía a unas 157.000 toneladas al año. En 1910, las empresas estadounidenses producían 26 millones de toneladas de acero al año. [26]
William Walker Scranton , gerente y propietario de la Lackawanna Iron & Coal Company en Scranton, Pensilvania , también había investigado el proceso en Europa. En 1876 construyó un molino utilizando el proceso Bessemer para rieles de acero y cuadriplicó su producción. [27]
El acero Bessemer se utilizó en los Estados Unidos principalmente para los rieles del ferrocarril. Durante la construcción del Puente de Brooklyn, surgió una importante disputa sobre si se debía utilizar acero al crisol en lugar del acero Bessemer, más económico. En 1877, Abram Hewitt escribió una carta en la que pedía que no se utilizara acero Bessemer en la construcción del Puente de Brooklyn . [28] [29] Se habían presentado ofertas tanto para el acero al crisol como para el acero Bessemer; John A. Roebling's Sons presentó la oferta más baja para el acero Bessemer, [30] pero, por orden de Hewitt, el contrato se adjudicó a J. Lloyd Haigh Co. [31]
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Utilizando el proceso Bessemer, se necesitaban entre 10 y 20 minutos para convertir de tres a cinco toneladas de hierro en acero; antes se necesitaba al menos un día entero de calentamiento, agitación y recalentamiento para lograrlo. [26]
El soplado de aire a través del arrabio fundido introduce oxígeno en la masa fundida, lo que da como resultado la oxidación , eliminando las impurezas que se encuentran en el arrabio, como el silicio , el manganeso y el carbono en forma de óxidos . Estos óxidos escapan como gas o forman una escoria sólida . El revestimiento refractario del convertidor también juega un papel en la conversión: se pueden usar revestimientos de arcilla cuando hay poco fósforo en la materia prima, y el propio Bessemer usó arenisca de Ganister ; esto se conoce como el proceso Bessemer ácido . Cuando el contenido de fósforo es alto, se requieren revestimientos de dolomita o, a veces , magnesita en el proceso básico de piedra caliza de Bessemer , consulte a continuación. Para producir acero con las propiedades deseadas, se pueden agregar aditivos como spiegeleisen (una aleación de ferromanganeso) al acero fundido una vez que se han eliminado las impurezas.
Una vez formado el acero necesario, se vertía en cucharas y luego se transfería a moldes, dejando atrás la escoria más ligera. El proceso de conversión, llamado "soplado", se completaba en aproximadamente 20 minutos. Durante este período, el progreso de la oxidación de las impurezas se juzgaba por la apariencia de la llama que salía de la boca del convertidor. El uso moderno de métodos fotoeléctricos para registrar las características de la llama ayudó mucho al soplador a controlar la calidad del producto final. Después del soplado, el metal líquido se recarburaba hasta el punto deseado y se añadían otros materiales de aleación, según el producto deseado.
Un convertidor Bessemer podía tratar una "colada" (lote de metal caliente) de 5 a 30 toneladas a la vez. [32] Por lo general, se operaban en pares, uno se soplaba mientras otro se llenaba o sangraba.
A principios del siglo XIX, el proceso de pudling ya estaba muy extendido. Hasta que los avances tecnológicos permitieron trabajar a temperaturas más altas, las impurezas de la escoria no se podían eliminar por completo, pero el horno de reverbero permitió calentar el hierro sin colocarlo directamente en el fuego, ofreciendo cierto grado de protección frente a las impurezas de la fuente de combustible. Así, con la llegada de esta tecnología, el carbón empezó a sustituir al combustible de carbón vegetal . El proceso Bessemer permitió producir acero sin combustible, utilizando las impurezas del hierro para crear el calor necesario. Esto redujo drásticamente los costos de producción del acero, pero las materias primas con las características requeridas podían ser difíciles de encontrar. [33]
El acero de alta calidad se fabricaba mediante el proceso inverso de añadir carbono al hierro forjado sin carbono , generalmente importado de Suecia . El proceso de fabricación, llamado proceso de cementación , consistía en calentar barras de hierro forjado junto con carbón durante períodos de hasta una semana en una caja de piedra larga. Esto producía acero blíster . El acero blíster se colocaba en un crisol con hierro forjado y se fundía, produciendo acero de crisol . Se quemaban hasta 3 toneladas de coque costoso por cada tonelada de acero producida. Ese acero, cuando se laminaba en barras, se vendía a £ 50 a £ 60 (aproximadamente £ 3,390 a £ 4,070 en 2008) [34] la tonelada larga . Sin embargo, la parte más difícil y laboriosa del proceso era la producción de hierro forjado realizada en forjas de refinación en Suecia.
Este proceso se perfeccionó en el siglo XVIII con la introducción de las técnicas de fabricación de acero al crisol de Benjamin Huntsman , que añadían tres horas más de tiempo de cocción y requerían grandes cantidades adicionales de coque. Para fabricar acero al crisol, las barras de acero blíster se rompían en pedazos y se fundían en pequeños crisoles, cada uno de los cuales contenía unos 20 kg. Esto producía acero al crisol de mayor calidad, pero aumentaba el coste. El proceso Bessemer reducía el tiempo necesario para fabricar acero de menor calidad a aproximadamente media hora, mientras que solo requería el coque necesario inicialmente para fundir el arrabio. Los primeros convertidores Bessemer producían acero a 7 libras la tonelada larga , aunque inicialmente se vendía a unas 40 libras la tonelada.
Sidney Gilchrist Thomas , un londinense de padre galés, era un químico industrial que decidió abordar el problema del fósforo en el hierro, que dio lugar a la producción de acero de baja calidad. Creyendo que había descubierto una solución, se puso en contacto con su primo, Percy Gilchrist , que era químico en Blaenavon Ironworks . El gerente en ese momento, Edward Martin, ofreció a Sidney equipos para pruebas a gran escala y lo ayudó a redactar una patente que se obtuvo en mayo de 1878. La invención de Sidney Gilchrist Thomas consistió en utilizar revestimientos de dolomita o, a veces, de piedra caliza para el convertidor Bessemer en lugar de arcilla, y se conoció como el proceso Bessemer "básico" en lugar del proceso Bessemer "ácido". Una ventaja adicional fue que los procesos formaban más escoria en el convertidor, y esta se podía recuperar y utilizar de manera muy rentable como fertilizante de fosfato. [35]
En 1898, Scientific American publicó un artículo titulado Bessemer Steel and its Effect on the World (El acero Bessemer y su efecto en el mundo), en el que se explicaban los importantes efectos económicos del aumento de la oferta de acero barato. Se señalaba que la expansión de los ferrocarriles en regiones del país que antes estaban escasamente pobladas había propiciado el asentamiento de los habitantes en esas regiones y había hecho rentable el comercio de determinados productos cuyo transporte había sido demasiado costoso anteriormente. [36]
El proceso Bessemer revolucionó la fabricación de acero al reducir su costo, de £40 por tonelada larga a £6-7 por tonelada larga, junto con un gran aumento de la escala y la velocidad de producción de esta materia prima vital. El proceso también redujo los requisitos de mano de obra para la fabricación de acero. Antes de su introducción, el acero era demasiado caro para hacer puentes o la estructura de los edificios y, por lo tanto, el hierro forjado se había utilizado durante toda la Revolución Industrial . Después de la introducción del proceso Bessemer, el acero y el hierro forjado pasaron a tener un precio similar, y algunos usuarios, principalmente los ferrocarriles, recurrieron al acero. Los problemas de calidad, como la fragilidad causada por el nitrógeno en el aire de soplado, [37] impidieron que el acero Bessemer se utilizara para muchas aplicaciones estructurales. [38] El acero de hogar abierto era adecuado para aplicaciones estructurales.
El acero mejoró enormemente la productividad de los ferrocarriles. Los rieles de acero duraban diez veces más que los de hierro. Los rieles de acero, que se volvieron más pesados a medida que caían los precios, podían transportar locomotoras más pesadas, que podían tirar de trenes más largos. [39] Los vagones de acero eran más largos y podían aumentar la relación carga/peso del vagón de 1:1 a 2:1.
Ya en 1895, en el Reino Unido se empezó a notar que el apogeo del proceso Bessemer había terminado y que predominaba el método de hogar abierto . La Iron and Coal Trades Review dijo que estaba "en una condición semimoribunda. Año tras año, no sólo ha dejado de progresar, sino que ha declinado absolutamente". Se ha sugerido, tanto en ese momento como más recientemente, que la causa de esto fue la falta de personal capacitado y de inversión en tecnología, más que algo intrínseco al proceso en sí. [40] Por ejemplo, una de las principales causas de la decadencia de la gigantesca empresa siderúrgica Bolckow Vaughan de Middlesbrough fue su incapacidad para actualizar su tecnología. [41] El proceso básico, el proceso Thomas-Gilchrist, se siguió utilizando durante más tiempo, especialmente en Europa continental, donde los minerales de hierro tenían un alto contenido de fósforo [42] y el proceso de hogar abierto no podía eliminar todo el fósforo; Casi todo el acero de construcción barato en Alemania se produjo con este método en los años 1950 y 1960. [43] Finalmente fue reemplazado por la fabricación de acero básico con oxígeno .
En los EE. UU., la producción comercial de acero mediante este método se detuvo en 1968. Fue reemplazado por procesos como el proceso de oxígeno básico (Linz-Donawitz) , que ofrecía un mejor control de la química final. El proceso Bessemer era tan rápido (10-20 minutos para una colada) que dejaba poco tiempo para el análisis químico o el ajuste de los elementos de aleación en el acero. Los convertidores Bessemer no eliminaban el fósforo de manera eficiente del acero fundido; a medida que los minerales con bajo contenido de fósforo se volvieron más caros, los costos de conversión aumentaron. El proceso solo permitía cargar una cantidad limitada de chatarra de acero , lo que aumentaba aún más los costos, especialmente cuando la chatarra era barata. El uso de la tecnología de horno de arco eléctrico compitió favorablemente con el proceso Bessemer, lo que resultó en su obsolescencia.
La fabricación de acero con oxígeno básico es, en esencia, una versión mejorada del proceso Bessemer (descarburación mediante la inyección de oxígeno en forma de gas en el horno en lugar de quemar el exceso de carbono añadiendo sustancias portadoras de oxígeno al horno). Henry Bessemer conocía las ventajas del soplado de oxígeno puro sobre el soplado de aire, [ cita requerida ] pero la tecnología del siglo XIX no estaba lo suficientemente avanzada como para permitir la producción de las grandes cantidades de oxígeno puro necesarias para que fuera económica.
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"Progreso en la fabricación de acero" en Popular Science Monthly , volumen 19, octubre de 1881