Purificación (metalurgia)

El pudling es el proceso de convertir el arrabio en barras de hierro (forjado) en un horno de reverbero alimentado con carbón . Se desarrolló en Inglaterra durante la década de 1780. El arrabio fundido se removía en un horno de reverbero, en un entorno oxidante para quemar el carbono, lo que daba como resultado el hierro forjado . ^[1] Fue uno de los procesos más importantes para fabricar los primeros volúmenes apreciables de hierro en barra valioso y útil (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 hierro en barras sin carbón, el pudling fue, con diferencia, el más exitoso y sustituyó a los procesos anteriores de encapsulado y estampado , así como a los mucho más antiguos procesos de refinado y descascarillado 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 del hierro forjado en el siglo XIX , incluida la Torre Eiffel , los puentes y la estructura original de la Estatua de la Libertad , utilizaban hierro pudling.

El pudling moderno fue uno de los varios procesos desarrollados en la segunda mitad del siglo XVIII en Gran Bretaña para producir barras de hierro a partir de arrabio sin utilizar carbón. Reemplazó gradualmente al proceso anterior alimentado con carbón, que se realizaba en una fragua .

El arrabio contiene mucho carbono libre y es quebradizo . Antes de poder usarlo y de que un herrero pueda trabajarlo , debe convertirse en una forma más maleable, como el hierro en barra, la etapa inicial del hierro forjado .

El uso exitoso del coque por parte de Abraham Darby para su alto horno en Coalbrookdale en 1709 ^[2] redujo el precio del hierro, pero este arrabio alimentado con coque no fue aceptado inicialmente ya que no podía convertirse en barras de hierro con los métodos existentes. ^{[3] Las impurezas} de azufre del coque lo hacían " rojo corto " o quebradizo cuando se calentaba, por lo que el proceso de refinado no era viable para él. No fue hasta alrededor de 1750, cuando el soplado a vapor aumentó las temperaturas del horno lo suficiente como para permitir que se agregara suficiente cal para eliminar el azufre , que el arrabio de coque comenzó a adoptarse. ^[4] Además, se desarrollaron mejores procesos para refinarlo. ^[3]

Abraham Darby II , hijo del innovador del alto horno, logró convertir el arrabio en hierro en barras en 1749, pero no se conocen detalles de su proceso. ^[5] Los hermanos Cranage , que también trabajaban junto al río Severn , supuestamente lo lograron experimentalmente utilizando un horno de reverbero alimentado con carbón , en el que el hierro y el carbón sulfuroso podían mantenerse separados, pero nunca se utilizó comercialmente. ^[5] Fueron los primeros en plantear la hipótesis de que el hierro podía convertirse del arrabio en hierro en barras solo por la acción del calor. Aunque desconocían los efectos necesarios del oxígeno suministrado por el aire , al menos habían abandonado la idea errónea previa de que se necesitaba la mezcla con materiales del combustible. Sus experimentos tuvieron éxito y se les concedió la patente Nº851 en 1766, pero no parece que se haya hecho una adopción comercial de su proceso.

En 1783, Peter Onions construyó en Dowlais un horno de reverbero más grande. ^[5] Comenzó con este método de pudling comercial exitoso y obtuvo la patente Nº 1370. El horno fue mejorado por Henry Cort en Fontley , Hampshire, en 1783-84 y patentado en 1784. Cort agregó compuertas a la chimenea, evitando parte del riesgo de sobrecalentamiento y "quema" del hierro. ^[5] El proceso de Cort consistía en remover el arrabio fundido en un horno de reverbero en una atmósfera oxidante , descarburándolo así. Cuando el hierro "llegaba a la naturaleza", es decir, a una consistencia pastosa, se reunía en una bola de pudling, se tejía y se laminaba (como se describe a continuación). Esta aplicación de rodillos ranurados al laminador , para laminar barras estrechas, también fue la adopción por parte de Cort de los laminadores existentes en el continente. ^[6] Los esfuerzos de Cort por obtener una licencia para este proceso no tuvieron éxito, ya que sólo funcionaba con arrabio fundido con carbón . Richard Crawshay realizó modificaciones en su fundición de Cyfarthfa, en Merthyr Tydfil, que incorporaron un proceso de refinación inicial desarrollado en sus instalaciones vecinas de Dowlais.

Noventa años después de la invención de Cort, un periódico laboral estadounidense recordaba las ventajas de su sistema:

"Cuando el hierro se funde y se vierte en un molde, su textura es granular y es tan frágil que resulta poco fiable para cualquier uso que requiera mucha resistencia a la tracción . El proceso de pudling consistía en remover el hierro fundido que se formaba en un charco y tenía el efecto de cambiar su disposición anatómica de modo que el proceso de laminado fuera más eficaz". ^[7]

El proceso de Cort (tal como fue patentado) sólo funcionaba para el hierro fundido blanco , no para el hierro fundido gris , que era la materia prima habitual para las forjas de la época. Este problema se resolvió probablemente en Merthyr Tydfil combinando el pudling con un elemento de un proceso ligeramente anterior. Esto implicaba otro tipo de hogar conocido como "refinería" o "fuego de salida". ^[8] El arrabio se fundía en este y se derramaba en un canal. La escoria se separaba y flotaba sobre el hierro fundido, y se eliminaba bajando una presa al final del canal. El efecto de este proceso era dessiliconizar el metal, dejando un metal blanco quebradizo, conocido como "metal de afinadores". Este era el material ideal para cargar en el horno de pudling. Esta versión del proceso se conocía como "pudling en seco" y continuó utilizándose en algunos lugares hasta 1890.

Otro desarrollo en el refinado del hierro gris se conoció como "pudling húmedo", también conocido como "ebullición" o "ebullición de lingotes". Este fue inventado por un pudlinger llamado Joseph _Hall en Tipton . Comenzó añadiendo chatarra de hierro a la carga. Más _tarde , intentó añadir cascarilla de hierro (en efecto, óxidos de hierro como FeO , Fe2O3 o _{Fe3O4 )} . El resultado fue espectacular , ya que el horno hirvió violentamente, produciendo burbujas de monóxido de carbono . Esto se debió a una reacción química entre los óxidos de hierro en la cascarilla y el carbono disuelto en el arrabio: C + Fe2O3 _→ CO + 2 FeO . Para su sorpresa, la bola de charco resultante produjo hierro de buena calidad _.

Un gran problema con el encharcamiento era que hasta un 15% del hierro se extraía con la escoria porque se utilizaba arena para el lecho. Hall sustituyó el lecho por ceniza de grifo tostada, lo que redujo este desperdicio al 8%, disminuyendo al 5% a finales de siglo. ^[9]

Posteriormente, Hall se convirtió en socio en la fundación de Bloomfield Iron Works en Tipton en 1830, y la empresa pasó a llamarse Bradley, Barrows and Hall a partir de 1834. Esta es la versión del proceso que se utilizaba con más frecuencia a mediados y finales del siglo XIX. El pudlado húmedo tenía la ventaja de que era mucho más eficiente que el pudlado seco (o cualquier proceso anterior). El mejor rendimiento de hierro que se puede lograr con el pudlado seco es una tonelada de hierro a partir de 1,3 toneladas de arrabio (un rendimiento del 77 %), pero el rendimiento del pudlado húmedo era de casi el 100 %.

La producción de acero dulce en el horno de pudling se logró alrededor de 1850 ^{[ cita requerida ]} en Westfalia , Alemania y fue patentada en Gran Bretaña en nombre de Lohage, Bremme y Lehrkind. Funcionaba solo con arrabio hecho de ciertos tipos de mineral. El hierro fundido tenía que fundirse rápidamente y la escoria debía ser rica en manganeso . Cuando el metal llegaba a la naturaleza, tenía que eliminarse rápidamente y tejarse antes de que ocurriera una mayor descarburación . El proceso se adoptó 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 pudling comenzó a ser reemplazado con la introducción del proceso Bessemer , que producía acero. Este se podía convertir en hierro forjado utilizando el proceso Aston por una fracción del costo y el tiempo. A modo de comparación, una carga de tamaño promedio para un horno de pudling era de 800 a 900 lb (360 a 410 kg) ^[10], mientras que una carga de convertidor Bessemer era de 15 toneladas cortas (13 600 kg). El proceso de pudling no se podía ampliar, ya que estaba limitado por la cantidad que el pudling podía manejar. Solo se podía expandir construyendo más hornos.

El proceso comienza con la preparación del horno de pudling. Esto implica llevar el horno a una temperatura baja y luego desbarbarlo . El desbarbado es el proceso de pintar la rejilla y las paredes que la rodean con óxidos de hierro, generalmente hematita ; ^[11] esto actúa como una capa protectora que evita que el metal fundido se queme a través del horno. A veces se usaba ceniza finamente molida en lugar de hematita. En este caso, el horno debe calentarse durante 4 a 5 horas para fundir la ceniza y luego enfriarse antes de cargarlo.

El hierro fundido blanco o el hierro refinado se coloca entonces en el hogar del horno, un proceso conocido como carga . Para el pudling húmedo, también se carga chatarra de hierro y/o óxido de hierro. Esta mezcla se calienta entonces hasta que la parte superior se derrite, lo que permite que los óxidos comiencen a mezclarse; esto suele tardar 30 minutos. Esta mezcla se somete a una fuerte corriente de aire y se revuelve mediante barras largas con ganchos en un extremo, llamadas barras de pudling o rabbles , ^{[10] [12]} a través de puertas en el horno. ^[13] Esto ayuda al hierro-III (la especie Fe ³⁺ que actúa como oxidante ) de los óxidos a reaccionar con las 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 funde por completo y el carbono comienza a quemarse. Cuando se produce un charco húmedo, la formación de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2 ₎ debido a las reacciones con el óxido de hierro añadido hará que se formen burbujas que hacen que la masa parezca hervir. Este proceso hace que la escoria se hinche en la parte superior, lo que da al rebosador una indicación visual del progreso de la combustión. A medida que se quema el carbono, la temperatura de fusión de la mezcla aumenta de 1150 a 1540 °C (2100 a 2800 °F), ^{[14] [15]} por lo que el horno tiene que ser alimentado 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 en el hielo).

Trabajando en equipo de dos personas, un recogedor de bolas y un ayudante podían producir alrededor de 1500 kg de hierro en un turno de 12 horas. ^[16] El trabajo extenuante, el calor y los humos hicieron que los recogedores de bolas tuvieran una expectativa de vida muy corta, y la mayoría moría a los 30 años. ^[17] El proceso de recogida de bolas nunca pudo automatizarse porque el recogedor de bolas tenía que sentir cuándo las bolas habían "llegado a la naturaleza".

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A finales de la década de 1840, el químico alemán Franz Anton Lohage  [de] desarrolló una modificación del proceso de pudling 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 pudling fue la principal materia prima para el acero fundido de Krupp incluso en la década de 1870. ^[18] Antes del desarrollo del revestimiento refractario básico (con óxido de magnesio , MgO) y la adopción a gran escala del proceso Gilchrist-Thomas ca. 1880, complementó a los convertidores ácidos Bessemer (con un material refractario hecho de SiO ₂ ) y a los hogares abiertos porque, a diferencia de ellos, el horno de pudling podía utilizar minerales de fósforo abundantes en la Europa continental. ^[19]

El horno de pudling 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 hogar abierto . La principal ventaja de este sistema es mantener las impurezas del combustible separadas de la carga.

El hogar es donde se carga el hierro, se funde y se hace puré. La forma del hogar suele ser elíptica; de 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 hacer puré de hierro blanco, la profundidad del hogar nunca es más de 50 cm (20 pulgadas). Si el horno está diseñado para hervir hierro gris, la profundidad media del hogar es de 50 a 75 cm (20 a 30 pulgadas). Debido al gran calor necesario para fundir la carga, la rejilla tenía que enfriarse, para que no se derritiera con la carga. Esto se hacía haciendo pasar un flujo constante de aire frío sobre ella o arrojando agua en el fondo de la rejilla.

La chimenea, donde se quema el combustible, utiliza una rejilla de hierro fundido que varía de tamaño según el combustible utilizado. Si se utiliza carbón bituminoso, el tamaño medio de la rejilla es de 60 cm × 90 cm (2,0 pies × 3,0 pies) y se carga con 25-30 cm (9,8-11,8 pulgadas) de carbón. Si se utiliza carbón antracita , la rejilla mide 1,5 m × 1,2 m (4,9 pies × 3,9 pies) y se carga con 50-75 cm (20-30 pulgadas) de carbón.

Un horno de pudling doble es similar a un horno de pudling simple, con la principal diferencia de que hay dos puertas de trabajo que permiten que dos trabajadores trabajen en 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 horno simple.

• Acero de crisol
• Descarburación
• Martillo doble
• Fabricación de acero

Fuentes

• Landes, David. S. (1969). El Prometeo sin límites: cambio tecnológico y desarrollo industrial en Europa occidental desde 1750 hasta la actualidad . Cambridge, Nueva York: Press Syndicate de la Universidad de Cambridge. ISBN 0-521-09418-6.
• Schubert, HR (1958). Extracción y producción de metales: hierro y acero . Una historia de la tecnología IV: La revolución industrial. Oxford University Press.

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• WKV Gale, Hierro y acero (Longmans, Londres 1969), 55ff.
• WKV Gale, La industria británica del hierro y el acero: una historia técnica (David y Charles, Newton Abbot 1967), 62–66.
• RA Mott, 'Puddling seco y húmedo' Trans. Newcomen Soc. 49 (1977–78), 153–58.
• RA Mott (ed. P. Singer), Henry Cort: el gran refinador (The Metals Society, Londres 1983).
• K. Barraclough, Steelmaking: 1850–1900 (Instituto de Materiales, Londres 1990), 27–35.
• Overman, Frederick (1854). La fabricación del hierro en todas sus diversas ramas. Filadelfia: HC Baird. págs. 259–302.
• Artículo de Paul Belford sobre N. Hingley & Sons Ltd
• El laminador de hierro: mi vida en los laminadores y lo que resultó de ella , de James J. Davis . Nueva York: Grosset and Dunlap, 1922. (escrito por CL Edson)