La arena de hierro , también conocida como arena de hierro o arena de hierro , es un tipo de arena con fuertes concentraciones de hierro . Suele ser de color gris oscuro o negruzco.
Está compuesto principalmente por magnetita , Fe 3 O 4 , y también contiene pequeñas cantidades de titanio, sílice, manganeso, calcio y vanadio. [1]
Ironsand tiene tendencia a calentarse con la luz solar directa , provocando temperaturas lo suficientemente altas como para provocar quemaduras leves. Como tal, constituye un peligro en Nueva Zelanda en las populares playas de surf de la costa oeste, como Piha . [2]
Ironsand se encuentra en todo el mundo. Aunque la composición mineral de hierro de la arena de hierro es principalmente magnetita, la arena generalmente se mezcla con otros tipos de arena que se lavan río abajo o hacia la costa desde depósitos montañosos o submarinos. [3] La composición exacta de la mezcla de arena puede variar drásticamente incluso en la misma región geográfica. En algunas áreas la arena puede contener principalmente cuarzo , mientras que en otras la arena puede estar hecha principalmente de roca volcánica como basalto , dependiendo de los tipos de minerales a lo largo del camino del agua. La arena de hierro generalmente se recoge a lo largo del camino desde lechos, vetas o inclusiones de magnetita, que pueden originarse a gran distancia de los depósitos de arena, y se lava río abajo o a lo largo de las corrientes con el resto de la arena. [4] Al ser más pesada que otras arenas, a menudo se deposita en áreas donde el agua experimenta un cambio repentino de dirección o velocidad, como el ensanchamiento de un río o donde las olas van y vienen contra la costa. [5]
La arena de hierro se mezcla con otras arenas en forma de pequeños granos de magnetita negra o azul oscura. La arena utilizada para la minería normalmente tenía desde un 19% de magnetita hasta un 2%. Por lo general, la arena de hierro debía separarse de la mezcla de arena. Debido a que la magnetita suele ser más pesada que el cuarzo, el feldespato u otros minerales, la separación generalmente se realizaba lavándola en esclusas (un método similar al lavado de oro pero a mayor escala). La separación por esclusas normalmente produjo concentraciones de magnetita que oscilaban entre el 30 y el 50%, según el tipo de arena y el método utilizado. A principios del siglo XX se desarrolló un proceso de separación magnética que podía producir concentraciones de hasta el 70%. [6] Una vez concentrados, los granos de magnetita podrían fundirse en diversas formas de hierro. Sin embargo, la naturaleza suelta y granular del mineral era difícil de mantener contenida en los hornos comunes o en los altos hornos, ya que tenía una tendencia al flujo granular (imitando un líquido a escalas mayores) y era fácilmente arrastrado por las explosiones de fuelle, por lo que era imposible proceso utilizando métodos comunes de producción de hierro o acero. Así se desarrollaron métodos innovadores para fundir el mineral. Sin embargo, los granos de magnetita suelen contener otras impurezas metálicas , como cromo , arsénico o titanio . [7] Debido a la naturaleza de la arena, las operaciones mineras rara vez eran estacionarias, sino que con frecuencia se trasladaban de un lugar a otro. [8]
Históricamente, la arena de hierro se utilizó predominantemente en las culturas del este de Asia ; sobre todo en China y Japón.
La arena de hierro tuvo usos moderados y localizados en China durante la última Revolución Industrial , pero fue un producto bastante sin importancia a lo largo de la larga historia de la industria del hierro china. A diferencia del resto de Eurasia y África , hay muy poca evidencia arqueológica que sugiera que en la antigua China se utilizaba la fundición de flores . [9] El campo chino era rico en depósitos que contenían tanto carbón , un combustible que arde a alta temperatura, como un mineral de hierro que contenía un alto contenido de fósforo . Alrededor del año 1200 a. C., los chinos desarrollaron un método para fundir el mineral rocoso y obtener arrabio, que luego se refundía y se vertía en moldes ( fundido ) para formar hierro fundido. Aunque el metal era muy frágil, este método fue capaz de producir hierro en volúmenes mucho mayores que la fundición en flor, y con rendimientos mucho mayores de metal por mineral. En el siglo I a. C., la industria del hierro china era, con diferencia, la más grande y avanzada del mundo. En el siglo I d. C. habían desarrollado el encharcado para la producción de acero dulce , el acero al crisol para la fabricación de espadas y armas, y un proceso químico para descarburar rápidamente el arrabio líquido para fabricar hierro forjado, utilizando las propiedades de oxidación del salitre (llamado el proceso Heaton , fue descubierto de forma independiente por John Heaton en la década de 1860). [10] China siguió siendo el mayor productor de hierro del mundo hasta el siglo XI, fabricando grandes cantidades de acero y hierro relativamente asequibles. [11] [12]
Donald B. Wagner, experto en metalurgia china antigua, señala que los intentos de rastrear la historia de la arena de hierro en China terminan sin resultados concluyentes. Una fuente puede indicar su uso ya en la dinastía Tang (~700-900 d.C.), mientras que otras parecen contradecir esta interpretación. [13] Debido a guerras, invasiones, hambrunas, desconfianza en el gobierno, superpoblación, una creciente epidemia de opio y enfrentamientos entre varios grupos de mineros, existe muy poca información sobre la industria entre el siglo XI y el siglo XIX, cuando un europeo El minero llamado Felix Tegengren llegó y encontró la industria china en ruinas. Tegengren señala que los agricultores locales extraían la arena de hierro en esclusas en Henan y Fujian y la fundían sobre fuego de carbón para fabricar herramientas, pero implicaba mucho trabajo, lo que la hacía muy costosa. Sólo se fundía donde había suficiente madera para el fuego y no se disponía de acero más barato. Por lo tanto, en China se consideraba que el material no tenía importancia económica. [14] [15] Sin embargo, debido a que la minería era un trabajo seguro y al aire libre, los agricultores locales la practicaban para complementar sus ingresos dondequiera que estuviera disponible; en el siglo XIX, 450 kg (1000 lb) de arena esclusa se vendían normalmente por el equivalente de 50 a 60 dólares estadounidenses (al tipo de cambio de 2016, ~ 900-1000 dólares o 700-800 euros). [dieciséis]
Sin embargo, en la era moderna, la arena de hierro se extrae a lo largo de la costa sureste de China y se utiliza para fundir acero. [17] [18] La composición típica de esta arena de hierro es 48,88% de hierro metálico, 25,84% de sílice, 0,232% de fósforo y 0,052% de azufre. [19]
En Indonesia, la arena de hierro predomina en la costa sur de la isla de Java .
La minería a gran escala no se practicó en Japón hasta los siglos VII u VIII. Antes de esto, los metales se importaban comúnmente a Japón desde China y Corea. [20] Se cree que los depósitos de mineral de hierro eran escasos en Japón, por lo que, alrededor del siglo VIII, se desarrolló la tecnología de fabricación de hierro con el uso de arena de hierro ( satetsu ) como ingrediente crudo. Debido a la naturaleza suelta de la arena, era difícil fundirla en un florero normal , o usarla en un alto horno para fabricar arrabio , por lo que los japoneses desarrollaron un florero con la parte superior abierta llamado tatara . La tatara se construyó con una forma baja, parecida a una tina, que se asemejaba a un alto horno horizontal, en el que se podía verter arena de hierro, contenerla y fundirla por etapas. A diferencia de otros métodos, el carbón se apilaba sobre la arena y se fundía desde arriba, evitando que fuera arrastrado por las explosiones de los fuelles . En lugar de ladrillo o piedra, el tatara estaba hecho de arcilla para que pudiera simplemente romperse para extraer la flor de metal. Este método permitió fundir volúmenes de mineral mucho mayores que otros tipos de fundición de flores.
La arena de hierro en Japón se presenta en dos formas. La arena de hierro Masa se encuentra mezclada con arena de cuarzo que baja de las montañas de granito . La magnetita de la arena contiene pocas impurezas u otros óxidos metálicos. La arena de hierro Masa se utilizaba para fabricar hierro forjado y acero , y se utilizaba en todo, desde herramientas hasta utensilios de cocina. Ironsand se utilizó ampliamente en Japón para la producción de hierro, especialmente para las espadas tradicionales japonesas . [21]
La arena de hierro de Akome se encuentra mezclada con arena elaborada a partir de una roca ígnea llamada diorita . La magnetita en la arena contiene a menudo más del 5% de dióxido de titanio , lo que reduce la temperatura de fundición. La arena de hierro akome se utiliza en el tatara para fabricar arrabio, que luego se utiliza para fabricar artículos de hierro fundido ( nabegane ). En la fabricación de acero, el akome se agregaba al tatara durante la etapa inicial de fundición, actuando como aglutinante y catalizador para la producción de acero, sobre el cual se vertía la masa de hierro y arena durante las etapas posteriores. [22] [23] Cuando se funden para obtener arrabio, 1000 lb (450 kg) o 120 kanme ) generalmente producen alrededor de 200 lb (91 kg) de arrabio, 20 lb (9,1 kg) de acero y 70 lb (32 kg). ) de escoria. Cuando se fundieron para obtener acero, 450 kg (1000 lb) de arena produjeron aproximadamente 45 kg (100 lb) de acero, 45 kg (100 lb) de escoria y 41 kg (90 lb) de arrabio. Luego, la escoria y el arrabio que no eran adecuados para su uso se fundieron juntos para formar hierro forjado, del cual 1000 libras (450 kg) mezclados produjeron alrededor de 500 libras (230 kg) de hierro. [24]
La arena de hierro se encuentra en muchos lugares de Europa, aunque rara vez se utilizaba para fundir. A menudo se encuentra asociado con arenas volcánicas o basálticas. Por ejemplo, se encuentra en Tenerife , España , donde los granos de magnetita contienen una cantidad muy elevada de titanio y otras impurezas. La composición típica es 79,2% de óxido de hierro, 14,6% de dióxido de titanio, 1,6% de óxido de manganeso , 0,8% de sílice y óxido de aluminio , y trazas de cromo . También se puede encontrar en el río Dee , en Aberdeenshire, Escocia , y contiene 85,3% de óxido de hierro, 9,5% de dióxido de titanio, 1,0% de arsénico y 1,5% de sílice y óxido de aluminio. [25]
Ironsand se encuentra extensamente en la costa oeste de la Isla Norte de Nueva Zelanda . [26] La arena constituye una gran parte de las playas de arena negra de la Isla Norte, así como el fondo marino circundante. La magnetita de la arena contiene cantidades bastante grandes de titanio y, a veces, se la denomina titanomagnetita. Se produjo a partir de erupciones volcánicas ocurridas en la época del Pleistoceno , y se forma debido a la erosión oceánica de la roca volcánica que es arrastrada a la orilla por las olas para formar las dunas de las playas negras. La magnetita se mezcla con arena de andesita y riolita . [27] La mezcla de arena normalmente contiene del 5 al 40% de magnetita. [28]
Nueva Zelanda tenía depósitos limitados de mineral de hierro, pero los depósitos de arena de hierro eran enormes. Algunos de los primeros colonos lo habían utilizado para fabricar acero y arrabio, pero el material no podía fundirse en florerías ni en altos hornos comunes. [29] Algunas empresas de fundición se formaron a finales del siglo XIX y principios del XX, pero no pudieron procesar el mineral con éxito económico debido a la naturaleza arenosa y el alto contenido de titanio, que tendían a formar carburos duros y quebradizos en el acero. En 1939, se formó una comisión para estudiar las propiedades del mineral e idear una forma de fundirlo a escala industrial. La comisión determinó que, al sinterizar la arena en trozos o gránulos más grandes, se podrían eliminar los problemas de fundir la arena en un alto horno. [30] Sin embargo, en ese momento comenzó la Segunda Guerra Mundial y, por lo tanto, se suspendió el desarrollo y no se reanudó hasta finales de la década de 1960, produciendo la primera producción de acero en 1969. [31]
Ironsand es una explotación minera de placer en Waikato North Head. New Zealand Steel utiliza 1,2 millones de toneladas para crear acero , en un proceso de fabricación único. La minería en Taharoa produce hasta 4 millones de toneladas para la exportación. Existía una mina anterior en Waipipi en South Taranaki. Una propuesta de Iron Ore NZ Ltd. para seguir extrayendo arenas de hierro frente a la costa de Taranaki enfrentó la resistencia de algunos maoríes y otros en 2005 a raíz de la controversia sobre las costas y los fondos marinos de Nueva Zelanda . [32] Una gran cantidad se envía a China y Japón, pero en 2011 la única planta de fabricación de Nueva Zelanda producía 650.000 toneladas métricas de acero y hierro al año. [33] Nueva Zelanda es el único país que utiliza arena de hierro para la fundición industrial. [34] La composición típica de la magnetita es 82% de óxido de hierro , 8% de dióxido de titanio y 8% de sílice ; 0,015% de azufre y 0,015% de fósforo . En concentraciones del 100% de magnetita, esto tenía un potencial máximo para producir ~ 58% de hierro metálico, aunque el titanio es irrecuperable mediante técnicas modernas. [35]
La arena de hierro se encuentra extensamente en los EE. UU., especialmente en el área de Nueva York , el sur de California , Nueva Inglaterra y los Grandes Lagos , donde a menudo se mezcla con arena de feldespato y, a veces, granos brillantes de granate . La magnetita de estas zonas suele contener altas cantidades de cromo y titanio. [36] En el siglo XIX, la arena de hierro se utilizaba a veces como arena secante para trabajos de hormigón y mampostería, o más raramente como materia prima para la producción de acero; un herrero de Connecticut lo utilizó para fabricar barras . [37]
Según la entrada en línea del OED para arena-hierro , Jedidiah Morse (1761-1826), escribiendo en The American universal geografía (nueva edición, 1796 (2 vols)), afirmó que Jared Eliot (1685-1763) inventó arena-hierro, o la fabricación de hierro a partir de arena negra , en 1761. [38] Sin embargo, los artesanos japoneses han estado utilizando arena-hierro, conocido como " tamahagane ", en la fabricación de espadas durante al menos 1200 años. Los artesanos japoneses todavía practican hoy en día la elaboración de arena y hierro en fundiciones " tatara ", hechas de ladrillo y arcilla.
La playa está formada por arena negra de hierro que puede calentarse demasiado durante el verano y caminar en el agua o con zapatos protegerá sus pies de quemaduras.