El charco es el proceso de convertir arrabio en barras de hierro (forjado) en un horno de reverbero alimentado con carbón . Fue desarrollado en Inglaterra durante la década de 1780. El arrabio fundido se agitó en un horno de reverbero, en un ambiente oxidante [ cita necesaria ] para quemar el carbono, lo que dio como resultado el hierro forjado . Fue uno de los procesos más importantes para fabricar los primeros volúmenes apreciables de valiosas y útiles barras de hierro (hierro forjado maleable) sin el uso de carbón vegetal . Con el tiempo, el horno se utilizaría para fabricar pequeñas cantidades de aceros especiales .
Aunque no fue el primer proceso para producir barras de hierro sin carbón, el charco fue, con diferencia, el más exitoso y reemplazó los procesos anteriores de encapsulado y estampado , así como los procesos mucho más antiguos de adorno y floración con carbón . Esto permitió que se produjera una gran expansión de la producción de hierro en Gran Bretaña y, poco después, en América del Norte. Esa expansión constituye el comienzo de la Revolución Industrial en lo que respecta a la industria del hierro. La mayoría de las aplicaciones de hierro forjado del siglo XIX , incluida la Torre Eiffel , los puentes y el marco original de la Estatua de la Libertad , utilizaban hierro encharcado.
El encharcamiento moderno fue uno de varios procesos desarrollados en la segunda mitad del siglo XVIII en Gran Bretaña para producir barras de hierro a partir de arrabio sin el uso de carbón vegetal. Poco a poco reemplazó al anterior proceso alimentado con carbón vegetal, llevado a cabo en una forja de refinamiento .
El arrabio contiene mucho carbono libre y es frágil . Antes de que pueda usarse, y antes de que un herrero pueda trabajarlo , debe convertirse a una forma más maleable como barra de hierro, la etapa inicial del hierro forjado .
El uso exitoso de coque por parte de Abraham Darby para su alto horno en Coalbrookdale en 1709 [1] redujo el precio del hierro, pero este arrabio alimentado con coque no fue aceptado inicialmente porque no podía convertirse en barras de hierro con los métodos existentes. [2] Las impurezas de azufre del coque lo hacían ' rojo corto ' o quebradizo cuando se calentaba, por lo que el proceso de refinamiento era inviable. No fue hasta alrededor de 1750, cuando el soplado con vapor aumentó la temperatura del horno lo suficiente como para permitir que se agregara suficiente cal para eliminar el azufre , que se comenzó a adoptar el arrabio de coque. [3] Además, se desarrollaron mejores procesos para refinarlo. [2]
Abraham Darby II , hijo del innovador de los altos hornos, logró convertir el arrabio en barras de hierro en 1749, pero no se conocen detalles de su proceso. [4] Los hermanos Cranage , que también trabajaban a lo largo del río Severn , supuestamente lograron esto experimentalmente utilizando un horno de reverberación alimentado con carbón , en el que el hierro y el carbón sulfuroso podían mantenerse separados pero nunca se usaron comercialmente. [4] Fueron los primeros en plantear la hipótesis de que el hierro podría convertirse de arrabio en barras de hierro mediante la acción del calor únicamente. Aunque desconocían los efectos necesarios del oxígeno aportado por el aire , al menos habían abandonado el malentendido anterior de que era necesaria una mezcla con materiales del combustible. Sus experimentos tuvieron éxito y se les concedió la patente Nº 851 en 1766, pero no parece que se haya adoptado comercialmente su proceso.
En 1783, Peter Onions en Dowlais construyó un horno de reverbero más grande. [4] Comenzó a comercializar con éxito este producto y se le concedió la patente Nº 1370. El horno fue mejorado por Henry Cort en Fontley , Hampshire, en 1783-1784 y patentado en 1784. Cort añadió compuertas a la chimenea, evitando parte del riesgo de sobrecalentar y "quemar" el hierro. [4] El proceso de Cort consistía en agitar arrabio fundido en un horno de reverbero en atmósfera oxidante , decarburizándolo así. Cuando el hierro "llegó a la naturaleza", es decir, adquirió una consistencia pastosa, se reunió formando una bola, se hizo tejas y se hizo rodar (como se describe a continuación). Esta aplicación de los rodillos ranurados al laminador , para laminar barras estrechas, supuso también la adopción por parte de Cort de los laminadores existentes en el Continente. [5] Los esfuerzos de Cort para licenciar este proceso no tuvieron éxito ya que solo funcionaba con arrabio fundido con carbón vegetal . Richard Crawshay realizó modificaciones en su ferrería de Cyfarthfa en Merthyr Tydfil, que incorporó un proceso de refinamiento inicial desarrollado en sus vecinos de Dowlais.
Noventa años después del invento de Cort, un periódico laboral estadounidense recordó las ventajas de su sistema:
"Cuando el hierro simplemente se funde y se vierte en cualquier molde, su textura es granular y es tan quebradizo que resulta poco fiable para cualquier uso que requiera mucha resistencia a la tracción . El proceso de encharcamiento consistía en remover el hierro fundido que quedaba en un charco. , y tuvo el efecto de cambiar su disposición anatómica para hacer que el proceso de rodadura sea más eficaz". [6]
El proceso de Cort (tal como estaba patentado) sólo funcionaba con hierro fundido blanco , no con hierro fundido gris , que era la materia prima habitual para las forjas de la época. Este problema probablemente se resolvió en Merthyr Tydfil combinando el encharcamiento con un elemento de un proceso ligeramente anterior. Se trataba de otro tipo de hogar conocido como "refinería" o "fuego agotado". [7] Allí se fundía el arrabio y se vertía en una cubeta. La escoria se separó, flotó sobre el hierro fundido y se eliminó bajando una presa al final del canal. El efecto de este proceso fue desiliconizar el metal, dejando un metal blanco quebradizo, conocido como "metal fino". Este era el material ideal para cargarlo en el horno de charco. Esta versión del proceso se conocía como "charco seco" y continuó utilizándose en algunos lugares hasta 1890.
Un avance adicional en el refinado del hierro gris se conoció como "charco húmedo", también conocido como "ebullición" o "ebullición de cerdo". Esto fue inventado por un charlista llamado Joseph Hall en Tipton . Comenzó a añadir chatarra a la carga. Más tarde, intentó agregar incrustaciones de hierro (de hecho, óxidos de hierro como FeO , Fe 2 O 3 o Fe 3 O 4 ). El resultado fue espectacular porque el horno hirvió violentamente, produciendo burbujas de monóxido de carbono . Esto se debió a una reacción química entre los óxidos de hierro en las incrustaciones y el carbono disuelto en el arrabio: C + Fe 2 O 3 → CO + 2 FeO . Para su sorpresa, la bola resultante produjo buen hierro.
Un gran problema con el encharcamiento era que hasta el 15% del hierro se eliminaba con la escoria porque se utilizaba arena para el lecho. Hall sustituyó la cama por ceniza de grifo tostada, lo que redujo este desperdicio al 8%, descendiendo al 5% a finales de siglo. [8]
Posteriormente, Hall se convirtió en socio en el establecimiento de Bloomfield Iron Works en Tipton en 1830, convirtiéndose la empresa en Bradley, Barrows and Hall a partir de 1834. Esta es la versión del proceso más comúnmente utilizado entre mediados y finales del siglo XIX. El encharcamiento húmedo tenía la ventaja de que era mucho más eficiente que el encharcamiento seco (o cualquier proceso anterior). El mejor rendimiento de hierro que se puede lograr con el encharcado seco es una tonelada de hierro por 1,3 toneladas de arrabio (un rendimiento del 77%), pero el rendimiento del encharcado húmedo fue casi del 100%.
La producción de acero dulce en el horno de charco se logró alrededor de 1850 [ cita necesaria ] en Westfalia , Alemania y fue patentada en Gran Bretaña en nombre de Lohage, Bremme y Lehrkind. Funcionaba únicamente con arrabio elaborado a partir de ciertos tipos de minerales. El hierro fundido debía fundirse rápidamente y la escoria debía ser rica en manganeso . Cuando el metal llegó a la naturaleza, hubo que retirarlo rápidamente y revestirlo antes de que se produjera una mayor descarburación . El proceso se retomó en Low Moor Ironworks en Bradford en Yorkshire ( Inglaterra ) en 1851 y en el valle del Loira en Francia en 1855. Fue ampliamente utilizado.
El proceso de encharcamiento comenzó a ser desplazado con la introducción del proceso Bessemer , que producía acero. Esto podría convertirse en hierro forjado mediante el proceso Aston por una fracción del costo y el tiempo. A modo de comparación, una carga de tamaño promedio para un horno de charco era de 800 a 900 lb (360 a 410 kg) [9] , mientras que la carga de un convertidor Bessemer era de 15 toneladas cortas (13 600 kg). El proceso de encharcamiento no se pudo ampliar, ya que estaba limitado por la cantidad que el encharcador podía manejar. Sólo podría ampliarse construyendo más hornos.
El proceso comienza con la preparación del horno de charque. Esto implica llevar el horno a una temperatura baja y luego desbarbarlo . El desbarbado es el proceso de pintar la rejilla y las paredes a su alrededor con óxidos de hierro, típicamente hematita ; [10] esto actúa como una capa protectora que evita que el metal fundido se queme en el horno. A veces se utilizaba ceniza finamente triturada en lugar de hematita. En este caso, el horno debe calentarse durante 4 a 5 horas para derretir la ceniza y luego enfriarse antes de cargarlo.
Luego se coloca hierro fundido blanco o hierro refinado en el hogar del horno, un proceso conocido como carga . Por charcos húmedos también se cobra chatarra y/u óxido de hierro. Luego, esta mezcla se calienta hasta que la parte superior se derrita, permitiendo que los óxidos comiencen a mezclarse; esto suele tardar 30 minutos. Esta mezcla se somete a una fuerte corriente de aire y se agita mediante largas barras con ganchos en un extremo, llamadas barras de charco o chusmas , [9] [11] a través de puertas en el horno. [12] Esto ayuda al hierro III (la especie Fe 3+ que actúa como oxidante ) de los óxidos a reaccionar con impurezas en el arrabio, en particular silicio , manganeso (para formar escoria) y, en cierta medida, azufre y fósforo , que Forman gases que escapan con el escape del horno.
Luego se añade más combustible y se eleva la temperatura. El hierro se derrite por completo y el carbón comienza a quemarse. Cuando se hace un charco húmedo, la formación de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO 2 ) debido a las reacciones con el óxido de hierro añadido provocará la formación de burbujas que harán que la masa parezca hervir. Este proceso hace que la escoria se hinche en la parte superior, lo que le da al desmenuzador una indicación visual del progreso de la combustión. A medida que el carbón se quema, la temperatura de fusión de la mezcla aumenta de 1150 a 1540 °C (2100 a 2800 °F), [13] [14] por lo que el horno debe alimentarse continuamente durante este proceso. El punto de fusión aumenta ya que los átomos de carbono dentro de la mezcla actúan como un soluto en solución que reduce el punto de fusión de la mezcla de hierro (como la sal de la carretera sobre el hielo).
Trabajando con un equipo de dos personas, un charlista y un ayudante, podían producir unos 1.500 kg de hierro en un turno de 12 horas. [15] El trabajo extenuante, el calor y los humos hicieron que los charcos tuvieran una esperanza de vida muy corta, y la mayoría moría a los 30 años. [16] El charco nunca pudo automatizarse porque el charco tenía que sentir cuándo las bolas habían "llegado a la naturaleza".
A finales de la década de 1840, el químico alemán Franz Anton Lohage desarrolló una modificación del proceso de charco para producir no hierro sino acero en Haspe Iron Works en Hagen ; Posteriormente se comercializó en Alemania, Francia y el Reino Unido en la década de 1850, y el acero charcado fue la principal materia prima para el acero fundido Krupp incluso en la década de 1870. [17] Antes del desarrollo del revestimiento refractario básico (con óxido de magnesio , MgO) y la adopción a gran escala del proceso Gilchrist-Thomas ca. En 1880 complementó los convertidores ácidos Bessemer (con un material refractario hecho de SiO 2 ) y los hogares abiertos porque, a diferencia de ellos, el horno de charco podía utilizar minerales de fósforo que abundan en la Europa continental. [18]
El horno de charco es una tecnología de fabricación de metales que se utiliza para crear hierro forjado o acero a partir del arrabio producido en un alto horno . El horno está construido para hacer pasar el aire caliente sobre el hierro sin que el combustible entre en contacto directo con el hierro, un sistema generalmente conocido como horno de reverbero u horno de solera abierta . La principal ventaja de este sistema es mantener las impurezas del combustible separadas de la carga.
El hogar es donde se carga, se funde y se encharca el hierro. La forma del hogar suele ser elíptica; 1,5 a 1,8 m (4,9 a 5,9 pies) de largo y 1 a 1,2 m (3,3 a 3,9 pies) de ancho. Si el horno está diseñado para charcar hierro blanco, la profundidad del hogar nunca supera los 50 cm (20 pulgadas). Si el horno está diseñado para hervir hierro gris, la profundidad promedio del hogar es de 50 a 75 cm (20 a 30 pulgadas). Debido al gran calor requerido para derretir la carga, la rejilla tuvo que enfriarse para que no se derritiera con la carga. Esto se hizo haciendo correr un flujo constante de aire frío sobre él o arrojando agua al fondo de la rejilla.
La chimenea, donde se quema el combustible, utilizaba una rejilla de hierro fundido cuyo tamaño variaba según el combustible utilizado. Si se utiliza carbón bituminoso , el tamaño promedio de la rejilla es de 60 cm × 90 cm (2,0 pies × 3,0 pies) y se carga con 25 a 30 cm (9,8 a 11,8 pulgadas) de carbón. Si se utiliza carbón de antracita , la rejilla mide 1,5 m × 1,2 m (4,9 pies × 3,9 pies) y se carga con 50 a 75 cm (20 a 30 pulgadas) de carbón.
Un horno de doble charco es similar a un horno de charco simple, con la principal diferencia de que hay dos puertas de trabajo que permiten que dos charcos trabajen el horno al mismo tiempo. La mayor ventaja de esta configuración es que produce el doble de hierro forjado. También es más económico y ahorra combustible en comparación con un solo horno.
