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 las impurezas del hierro mediante oxidación con aire soplado a través del hierro fundido. La oxidación también eleva la temperatura de la masa de hierro y la mantiene fundida.
La descarburación similar con aire se utiliza desde hace cientos de años fuera de Europa, pero no a escala industrial. [1] Uno de esos procesos (similar al charco ) se conoció en el siglo XI en el este de Asia, donde el erudito Shen Kuo de esa época describió su uso en la industria china del hierro y el acero. [2] [3] En el siglo XVII, relatos de viajeros europeos detallaron su posible uso por parte de los japoneses. [4]
El proceso moderno lleva el 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 de forma independiente 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 de Bessemer" o proceso Gilchrist-Thomas en honor a los descubridores ingleses Percy Gilchrist y Sidney Gilchrist Thomas .
Desde el siglo XI existe en Asia oriental un sistema similar al proceso de Bessemer. [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 una explosión fría. [11] El sinólogo Joseph Needham y el historiador de la metalurgia Theodore A. Wertime han descrito el método como un predecesor del proceso Bessemer de fabricación de acero. [2] [12] [13] Este proceso fue descrito por primera vez por el prolífico erudito y erudito funcionario gubernamental Shen Kuo (1031-1095) en 1075, cuando visitó Cizhou. [11] Hartwell afirma que quizás el primer centro donde se practicó esto 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 gala , otro proceso que comparte el principio de 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 tenía relación con el proceso tipo Bessemer que empleaba descarburación.
Es posible que los japoneses hayan 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, un invento particular para fundir el hierro, sin utilizar fuego, echándolo en una cuba". Se hace por dentro sin como medio pie de tierra, donde la guardan con continuo soplo, la sacan con cucharones llenos, para darle la forma que quieran. Según el historiador Donald Wagner, Mandelslo no visitó personalmente Japón, por lo que su descripción del proceso probablemente se derive de 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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Desde principios hasta mediados de la década de 1850, el inventor estadounidense William Kelly experimentó con un método similar al proceso Bessemer. Wagner escribe que Kelly pudo 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 Scientific American informó sobre la patente de Bessemer para el proceso , Kelly respondió escribiendo una carta a la revista. En la carta, Kelly afirma que había experimentado previamente con el proceso y afirmó que Bessemer conocía el descubrimiento de Kelly. Escribió: "Tengo razones para creer que mi descubrimiento fue conocido en Inglaterra hace tres o cuatro años, ya que varios charlistas ingleses visitaron este lugar para ver mi nuevo proceso. Varios de ellos han regresado desde entonces a Inglaterra y pueden haber hablado de mi invención allí." [4] Se sugiere que el proceso de Kelly estuvo menos desarrollado y tuvo menos éxito 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 sobre el acero necesario para una mejor artillería. Bessemer afirmó que "fue la chispa que encendió una de las mayores revoluciones que el siglo actual tuvo que registrar, porque durante mi viaje solitario en un taxi esa noche de Vincennes a París, decidí hacer todo lo posible para mejorar". la calidad del hierro en la fabricación de armas." [5] En ese momento, el acero se usaba solo para fabricar 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 enormes cantidades necesarias para la artillería y en octubre presentó su primera patente relacionada con el proceso Bessemer. Patentó el método un año después, en 1856. [5] William Kelley recibió la patente prioritaria en 1857. [15]
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Bessemer otorgó la patente de su proceso a cuatro maestros del hierro , [ ¿cuándo? ] por un total de £ 27.000, pero los licenciatarios no lograron producir la calidad del acero que había prometido (estaba "podrido por el calor y por el frío", según su amigo William Clay [16] ) y luego los volvió a comprar por £ 32.500. [17] Su plan había sido ofrecer las licencias a una empresa en cada una de varias áreas geográficas, a un precio de regalía por tonelada que incluía una tasa más baja sobre una proporción de su producción para fomentar la producción, pero no una proporción tan grande. que podrían decidir reducir sus precios de venta. Con este método esperaba que el nuevo proceso ganara prestigio y cuota de mercado. [dieciséis]
Se dio cuenta de que el problema técnico se debía a las impurezas del hierro y concluyó que la solución estaba en saber cuándo cortar el flujo de aire en su proceso para que se quemaran las impurezas pero 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 atravesaba el 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 carbono y 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 resistir 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 [ se necesita aclaración ] en regalías por 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 devolvió los derechos de licencia. Sin embargo, posteriormente rescindieron su licencia en 1858 a cambio de la oportunidad de invertir en sociedad con Bessemer y otros. Esta asociación comenzó a fabricar acero en Sheffield a partir de 1858, inicialmente utilizando arrabio de carbón vegetal importado de Suecia . Esta fue la primera producción comercial. [16] [22]
El comerciante y cónsul sueco Göran Fredrik Göransson también compró 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 lo lograra. Más tarde, en 1858, se reunió nuevamente con Henry Bessemer en Londres, logró convencerlo del éxito del 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, siguió 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 las prácticas contemporáneas de fabricación de armas y acero. En 1862, visitó las obras de Bessemer en Sheffield y se interesó en obtener una licencia del proceso para su uso en los Estados Unidos. Al regresar a Estados Unidos, 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 Griswold y Winslow para utilizar los procesos patentados de Bessemer y regresó a los Estados Unidos a finales de 1863. [24]
El trío comenzó a establecer una fábrica en Troy, Nueva York, en 1865. La fábrica contenía una serie de innovaciones de Holley que mejoraron enormemente la productividad con respecto a la fábrica de Bessemer en Sheffield, y los propietarios realizaron una exitosa exposición pública en 1867. La fábrica de Troy atrajo la atención. del Ferrocarril de Pensilvania , que quería utilizar el nuevo proceso para fabricar raíles de acero. Financió la segunda fábrica de Holley como parte de su filial Pennsylvania Steel. Entre 1866 y 1877, los socios pudieron conceder licencias para un total de 11 acerías de Bessemer.
Uno de los inversores que atrajeron fue Andrew Carnegie , quien 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 para sus negocios existentes, Keystone Bridge Company y Union Iron Works. Holley construyó la nueva acería para Carnegie y continuó mejorando y refinando el proceso. La nueva fábrica, conocida como Edgar Thomson Steel Works , se inauguró en 1875 e inició el crecimiento de Estados Unidos como uno de los principales productores mundiales de acero. [25] Utilizando el proceso Bessemer, Carnegie Steel pudo reducir los costos de los rieles ferroviarios de acero de $ 100 por tonelada a $ 50 por tonelada entre 1873 y 1875. El precio del acero continuó cayendo hasta que Carnegie vendió rieles a $ 18 por tonelada por la década de 1890. Antes de la apertura de Thomson Works de Carnegie, la producción de acero en Estados Unidos ascendía a alrededor de 157.000 toneladas por año. En 1910, las empresas estadounidenses producían 26 millones de toneladas de acero al año. [26]
William Walker Scranton , gerente y propietario de Lackawanna Iron & Coal Company en Scranton, Pensilvania , también había investigado el proceso en Europa. Construyó una fábrica en 1876 utilizando el proceso Bessemer para rieles de acero y cuadruplicó su producción. [27]
El acero Bessemer se utilizó en los Estados Unidos principalmente para rieles de ferrocarril. Durante la construcción del Puente de Brooklyn, surgió una gran disputa sobre si se debía utilizar acero al crisol en lugar del acero Bessemer, más barato. En 1877, Abram Hewitt escribió una carta instando contra el uso de acero Bessemer en la construcción del Puente de Brooklyn . [28] [29] Se habían presentado ofertas tanto para acero al crisol como para acero Bessemer; John A. Roebling's Sons presentó la oferta más baja por 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 necesitaría al menos un día completo 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 produce 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 en forma de gas o forman una escoria sólida . El revestimiento refractario del convertidor también desempeña un papel en la conversión: se pueden utilizar revestimientos de arcilla cuando hay poco fósforo en la materia prima, y el propio Bessemer utilizó arenisca de ganister ; esto se conoce como el proceso ácido de Bessemer . Cuando el contenido de fósforo es alto, se requieren revestimientos de dolomita o, a veces , magnesita , en el proceso básico de piedra caliza Bessemer , ver más abajo. Para producir acero con las propiedades deseadas, se pueden añadir al acero fundido aditivos como el spiegeleisen (una aleación de ferromanganeso) una vez que se han eliminado las impurezas.
Cuando se formó el acero requerido, se vertió en cucharones y luego se transfirió a moldes mientras se dejaba la escoria más ligera. El proceso de conversión, llamado "golpe", se completó en aproximadamente 20 minutos. Durante este período, el progreso de la oxidación de las impurezas se juzgaba por el aspecto de la llama que salía de la boca del convertidor. El uso moderno de métodos fotoeléctricos para registrar las características de la llama ayudó enormemente al soplador a controlar la calidad del producto final. Tras el soplado, se recarburó el metal líquido hasta el punto deseado y se añadieron otros materiales de aleación, dependiendo del producto deseado.
Un convertidor Bessemer podría tratar un "calor" (un lote de metal caliente) de 5 a 30 toneladas a la vez. [32] Por lo general, se operaban en pares, uno soplaba mientras el otro se llenaba o golpeaba.
A principios del siglo XIX, el proceso de encharcamiento 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 permitía calentar el hierro sin colocarlo directamente en el fuego, ofreciendo cierto grado de protección contra las impurezas de la fuente de combustible. . Así, con la llegada de esta tecnología, el carbón comenzó a sustituir al carbón vegetal . El proceso Bessemer permitió producir acero sin combustible, utilizando las impurezas del hierro para generar el calor necesario. Esto redujo drásticamente los costes de producción de acero, pero podía resultar difícil encontrar materias primas con las características necesarias. [33]
El acero de alta calidad se fabricaba mediante el proceso inverso de añadir carbono al hierro forjado libre de carbono , generalmente importado de Suecia . El proceso de fabricación, llamado proceso de cementación , consistía en calentar barras de hierro forjado junto con carbón durante periodos de hasta una semana en una larga caja de piedra. Esto produjo acero ampolla . El acero blister se puso en un crisol con hierro forjado y se fundió, produciendo acero para crisol . Por cada tonelada de acero producida se quemaban hasta 3 toneladas de coque caro. Dicho acero, cuando se laminaba en barras, se vendía entre 50 y 60 libras esterlinas (aproximadamente entre 3.390 y 4.070 libras esterlinas en 2008) [34] la tonelada larga . Sin embargo, la parte más difícil y laboriosa del proceso fue la producción de hierro forjado en las forjas más finas de 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. Al fabricar acero para crisol, las barras de acero blister se rompían en pedazos y se fundían en pequeños crisoles, cada uno de los cuales contenía aproximadamente 20 kg. Esto produjo acero para crisol de mayor calidad pero aumentó el costo. El proceso Bessemer redujo el tiempo necesario para fabricar acero de menor calidad a aproximadamente media hora y solo requirió 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 , londinense de padre galés, fue un químico industrial que decidió abordar el problema del fósforo en el hierro, lo 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 de aquel momento, Edward Martin, ofreció a Sidney equipos para realizar pruebas a gran escala y le ayudó a redactar una patente que se obtuvo en mayo de 1878. El invento de Sidney Gilchrist Thomas consistía en utilizar revestimientos de dolomita o, a veces, de piedra caliza para el convertidor Bessemer en lugar de arcilla, y pasó a ser conocido como el proceso Bessemer "básico" en lugar de proceso Bessemer "ácido". Una ventaja adicional era que los procesos formaban más escoria en el convertidor, que podía recuperarse y utilizarse de forma muy rentable como fertilizante fosfatado. [35]
En 1898, Scientific American publicó un artículo llamado Bessemer Steel and its Effect on the World explicando los importantes efectos económicos del aumento de la oferta de acero barato. Señalaron que la expansión de los ferrocarriles en regiones del país que antes estaban escasamente habitadas había llevado a asentamientos en esas regiones y había hecho rentable el comercio de ciertos bienes, cuyo transporte antes había sido demasiado costoso. [36]
El proceso Bessemer revolucionó la fabricación de acero al disminuir su costo, de £ 40 por tonelada larga a £ 6-7 por tonelada larga, además de aumentar considerablemente la escala y la velocidad de producción de esta materia prima vital. El proceso también redujo las necesidades de mano de obra para la fabricación de acero. Antes de su introducción, el acero era demasiado caro para fabricar puentes o estructuras de edificios y, por lo tanto, el hierro forjado se utilizó durante toda la Revolución Industrial . Después de la introducción del proceso Bessemer, el acero y el hierro forjado tuvieron precios similares y algunos usuarios, principalmente los ferrocarriles, recurrieron al acero. Los problemas de calidad, como la fragilidad causada por el nitrógeno en el aire 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 duraron diez veces más que los de hierro. Los rieles de acero, que se volvieron más pesados a medida que bajaron los precios, podían transportar locomotoras más pesadas, que podían tirar de trenes más largos. [39] Los vagones de acero eran más largos y pudieron aumentar el peso de la carga por vagón de 1:1 a 2:1.
Ya en 1895 en el Reino Unido se notaba que el apogeo del proceso Bessemer había terminado y que predominaba el método de hogar abierto . El Iron and Coal Trades Review dijo que se encontraba "en una condición semimoribunda. Año tras año, no sólo ha dejado de progresar, sino que ha disminuido 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 del declive de la gigante empresa siderúrgica Bolckow Vaughan de Middlesbrough fue su incapacidad para mejorar su tecnología. [41] El proceso básico, el proceso Thomas-Gilchrist, permaneció en uso por 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 pudo eliminar todo el fósforo; Casi todo el acero de construcción económico en Alemania se fabricaba con este método en los años 1950 y 1960. [43] Finalmente fue reemplazada por la fabricación de acero con oxígeno básico .
En Estados Unidos, la producción comercial de acero utilizando 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 fue tan rápido (de 10 a 20 minutos para calentar) que dejó poco tiempo para el análisis químico o el ajuste de los elementos de aleación en el acero. Los convertidores Bessemer no eliminaron eficazmente el fósforo del acero fundido; A medida que los minerales con bajo contenido de fósforo se volvieron más caros, los costos de conversión aumentaron. El proceso permitía cargar sólo una cantidad limitada de chatarra de acero, lo que aumentaba aún más los costes, especialmente cuando la chatarra era barata. El uso de la tecnología de hornos de arco eléctrico compitió favorablemente con el proceso Bessemer, lo que provocó su obsolescencia.
La fabricación de acero con oxígeno básico es esencialmente una versión mejorada del proceso Bessemer (descarburación soplando oxígeno como gas en el calor en lugar de quemar el exceso de carbono agregando sustancias que transportan oxígeno al calor). Henry Bessemer conocía las ventajas del chorro de oxígeno puro sobre el chorro de aire, [ cita necesaria ] 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