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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Acero fundido. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. En la historia de la metalurgia del hierro, hubo tres levantamientos revolucionarios que tuvieron un profundo impacto en todo el curso de la historia humana: el primero tuvo lugar en la antigüedad, cuando aparecieron los hornos de solera; la segunda se produjo en la Edad Media, tras el descubrimiento del proceso de alteración; la tercera se produjo en la segunda mitad del siglo XIX y estuvo asociada al inicio de la producción de fundición de acero. El acero en todo momento siguió siendo el producto más necesario y deseado de la metalurgia del hierro, porque solo él poseía la dureza y la resistencia necesarias para la fabricación de herramientas, armas y piezas de máquinas. Pero antes de convertirse en un producto de acero, el metal tuvo que someterse a una serie de operaciones intensivas en mano de obra. Primero, el hierro se fundió a partir del mineral. Luego, el hierro fundido se redujo a hierro dulce. Finalmente, mediante la forja a largo plazo de un anillo de hierro, se obtuvo la pieza de acero necesaria (o solo una pieza en bruto para ella, que luego se sometió al acabado final en máquinas para cortar metales). La producción de hierro dulce, y en particular la forja, ha sido durante mucho tiempo el cuello de botella en el proceso de procesamiento del hierro. Tomaron el mayor esfuerzo y tiempo, y los resultados estuvieron lejos de ser siempre satisfactorios. Este problema se agudizó especialmente en el siglo XIX, cuando la demanda de acero barato aumentó considerablemente. Naturalmente, muchos científicos e inventores tuvieron una idea, que luego expresó Bessemer: ¿cómo obtener un metal con las propiedades del hierro y el acero, pero en forma líquida, para que pueda usarse para la fundición? La solución de este problema requirió varias décadas de arduo trabajo de muchos metalúrgicos. En el camino, se realizaron varios descubrimientos e inventos importantes, cada uno de los cuales constituyó una era en la historia del procesamiento del hierro. Hasta finales del siglo XVIII, la conversión del hierro fundido en hierro blando maleable se realizaba únicamente en hornos de floración. Este método, sin embargo, era inconveniente en muchos aspectos. El metal obtenido durante él era heterogéneo: en algunos lugares se acercaba en sus cualidades al hierro maleable, en lugares, al acero. Además, el trabajo requería mucho tiempo y esfuerzo físico. Dado que el combustible (carbón) estaba en contacto directo con el hierro, se le imponían requisitos muy altos, ya que cualquier impureza afectaba la calidad del producto final. El consumo de carbón era muy alto (en promedio, se necesitaban hasta 1 kg de carbón para restaurar 4 kg de hierro). En las fraguas más grandes, era posible obtener no más de 24 kg de hierro en 400 horas. Mientras tanto, el mercado demandaba cada vez más hierro y acero. Para cumplir con estas solicitudes, fue necesario encontrar una forma más perfecta de rehacer el hierro fundido. Un avance significativo en este camino fue el proceso de encharcamiento propuesto en 1784 por el inglés Kort en un horno especialmente diseñado.
La formación de charcos es el proceso metalúrgico de convertir el hierro fundido en hierro blando con bajo contenido de carbono (hierro forjado). La esencia del proceso consiste en fundir hierro fundido en un horno especial sin contacto con el combustible y agitar el metal fundido con varillas especiales, en las que se adhieren partículas de hierro fundido, formando gradualmente una costra similar a una masa que pesa hasta 40-60 kg. A la salida del horno de charcos, la kritsa obtenida se fragua y se envía para aplanar. El hierro fundido se suelda bien, tiene alta ductilidad, contiene pocas impurezas (fósforo, azufre, inclusiones no metálicas). El dispositivo principal del horno de charcos era el siguiente. Se quemó combustible en el horno. Los productos de la combustión a través del umbral de piedra caían en el espacio de trabajo del horno, donde se ubicaba en el hogar el hierro fundido cargado con escorias ferruginosas. La escoria bajo la acción de la llama pasó a un estado pastoso y se fundió parcialmente. Con el aumento de la temperatura, el hierro fundido comenzó a fundirse y sus impurezas se quemaron debido al oxígeno contenido en las escorias. Así, el hierro fundido se descarburaba, es decir, se convertía en un grito de hierro esponjoso. Una diferencia importante entre un horno de charcos y un horno de floración era que permitía utilizar cualquier combustible como combustible, incluido el carbón sin refinar barato, y su volumen era mucho mayor.
Los hornos de budín abarataron el hierro. Al mismo tiempo, a diferencia de los cuernos que gritaban, el horno de Kort no requería soplar a la fuerza. El acceso al aire y el buen tiro se lograron gracias a una tubería alta. Esta fue una de las razones por las que los hornos de budín se generalizaron en todo el mundo. Sin embargo, un inconveniente importante de estos hornos era que el aire soplaba solo la parte superior del hierro fundido. Para que la reducción de hierro se realice de manera uniforme y en todo el volumen, fue necesario abrir periódicamente el horno y remover el hierro fundido. Era un trabajo manual duro. Además, dado que la fuerza y las capacidades del trabajador eran limitadas, el horno no podía ser demasiado grande. (Para permitir la agitación, Kort proporcionó dos tubos, uno de los cuales estaba debajo del horno y el segundo, al final del horno. Se abrió en el momento en que se requería reducir la temperatura). A mediados del siglo XIX, los hornos de charcos ya no cubrían las nuevas necesidades de la industria. Para satisfacer la demanda, se tuvieron que construir varios hornos para cada alto horno grande (en promedio, diez hornos de charcos sirvieron a un alto horno). Esto aumentó el costo y dificultó la producción. Muchos inventores han pensado en cómo reemplazar el encharcamiento con una mejor manera de recuperar el hierro. Antes que otros, este problema lo resolvió el ingeniero inglés Bessemer. Bessemer llegó a la metalurgia después de muchos años de trabajo en la mejora de piezas de artillería y proyectiles. Se fijó el objetivo de encontrar una manera de producir acero fundido de alta calidad a partir del cual se pudieran fundir cañones. Al observar muchas veces la fusión del hierro fundido, notó que el hierro reducido sólido se forma primero cerca de los tubos del soplador. Esto le llevó a la idea de obtener acero soplando intensamente aire a través de hierro fundido fundido. Bessemer realizó sus primeros experimentos en un crisol cerrado, que calentó en una fragua con coque. El resultado superó las expectativas más salvajes. En menos de una hora de soplado, convirtió el hierro en acero de primera clase. Además, otros experimentos han demostrado que no es necesario introducir calor en el proceso metalúrgico desde el exterior. El hecho es que el hierro fundido contiene su propio material combustible como impurezas: silicio, manganeso, carbono, en total alrededor de 45 kg de materiales combustibles por cada tonelada de hierro fundido. Al quemarse, permitieron aumentar significativamente la temperatura de fusión y obtener acero en estado líquido. En 1856, Bessemer hizo una demostración pública del convertidor fijo que había inventado. El convertidor tenía la forma de una estufa vertical baja, cerrada en la parte superior con una bóveda con un orificio para la salida de gases. En el costado del horno había un segundo orificio para verter hierro fundido. El acero terminado se liberó a través de un orificio en la parte inferior del horno (durante el funcionamiento del convertidor, se obstruyó con arcilla). Los tubos de soplado (toberas) estaban ubicados cerca del hogar del horno. Dado que el convertidor estaba estacionario, la purga se inició antes de verter el hierro. De lo contrario, el metal inundaría las toberas. Por la misma razón, fue necesario soplar hasta soltar todo el metal. Todo el proceso no tomó más de 20 minutos. El más mínimo retraso en el lanzamiento dio un matrimonio. Este inconveniente, así como una serie de otras deficiencias del convertidor estacionario, obligaron a Bessemer a cambiar a un horno rotatorio. En 1860, obtuvo una patente para un nuevo diseño de convertidor, que ha sobrevivido en términos generales hasta el día de hoy.
El método Bessemer supuso una auténtica revolución en el campo de la metalurgia. En 8 a 10 minutos, su convertidor convirtió de 10 a 15 toneladas de hierro fundido en hierro dúctil o acero, lo que antes hubiera requerido varios días de operación de un horno de charcos o varios meses de operación de la antigua planta de floración. Sin embargo, después de que el método Bessemer comenzó a aplicarse en condiciones industriales, sus resultados resultaron ser peores que en el laboratorio y el acero salió de muy mala calidad. Durante dos años, Bessemer trató de resolver este problema y finalmente descubrió que en sus experimentos el hierro fundido contenía poco fósforo, mientras que en Inglaterra se usaba ampliamente el hierro fundido fundido a partir de minerales de hierro con un alto contenido de fósforo. Mientras tanto, el fósforo y el azufre no se quemaron junto con otras impurezas; de hierro fundido, cayeron en acero y redujeron significativamente su calidad. Esto, además del alto costo del convertidor, condujo al hecho de que el método Bessemer se introdujo muy lentamente en la producción. Y 15 años más tarde en Inglaterra, la mayor parte del hierro fundido se fundió en hornos de charcos. Los convertidores se utilizan mucho más en Alemania y EE. UU.
Junto con el método Bessemer de producción de acero, el método de hogar abierto pronto adquirió un papel muy importante. Su esencia era que el hierro fundido se fusionaba con chatarra en un horno regenerativo especial. Este horno fue inventado y construido en 1861 por los ingenieros alemanes Friedrich y William Siemens para satisfacer las necesidades de la industria del vidrio, pero su uso más generalizado fue la metalurgia. La composición del horno incluía productores de gas (o generadores de gas), el propio horno con regeneradores de calor (o regeneradores) para calentar gas y aire, y un compartimento de fundición (patio).
Los generadores y regeneradores estaban interconectados por un sistema especial de canales para gas, aire y productos de combustión. Estos últimos se descargaban en una chimenea de hasta 40 m de altura, que proporcionaba el tiro necesario. Los generadores estaban ubicados debajo del hogar o a los lados del horno. Los regeneradores eran cámaras especiales para calentar gas y aire. Válvulas variables especiales dirigían el gas y el aire a una cámara u otra, y los productos de la combustión se descargaban en la tubería. La combustión tuvo lugar de la siguiente manera. El gas y el aire se calentaban cada uno en su propia cámara y luego ingresaban al espacio de fusión, donde se producía la combustión. Los productos de combustión, habiendo pasado por el fondo del horno, se precipitaron hacia los regeneradores y cedieron la mayor parte de su calor aquí para colocar los regeneradores, y luego entraron en la chimenea. Para que el proceso continuara de manera continua, con la ayuda de válvulas, el aire y el gas se dirigieron primero a un par de regeneradores y luego a otro. Como resultado de un intercambio de calor tan cuidadoso, la temperatura en el horno alcanzó los 1600 grados, es decir, superó la temperatura de fusión del hierro puro sin carbono. La creación de hornos de alta temperatura abrió nuevos horizontes para la metalurgia. A mediados del siglo XIX, todos los países industrializados tenían grandes reservas de chatarra. Debido a su alta refractariedad, no se pudo utilizar en la producción. Los ingenieros franceses Émile y Pierre Martin (padre e hijo) propusieron fusionar esta chatarra con hierro colado en un horno regenerativo y así obtener acero. En 1864, en la planta de Sireil, bajo la dirección de Siemens, realizaron la primera fundición exitosa. Entonces este método comenzó a aplicarse en todas partes. Los hornos de hogar abierto eran más baratos que los convertidores y, por lo tanto, se usaban más ampliamente. Sin embargo, ni el método de Bessemer ni el de hogar abierto permitieron obtener acero de alta calidad a partir de minerales que contenían azufre y fósforo. Este problema permaneció sin resolver durante una década y media, hasta que en 1878 al metalúrgico inglés Sidney Thomas se le ocurrió la idea de añadir hasta un 10-15% de cal al convertidor. En este caso, se formaron escorias que pudieron retener fósforo en compuestos químicos fuertes. Como resultado, el fósforo se quemó junto con otras impurezas innecesarias y el hierro fundido se convirtió en acero de alta calidad. La importancia del invento de Thomas fue enorme. Hizo posible la producción de acero a gran escala a partir de minerales que contienen fósforo, que se extraían en grandes cantidades en Europa. En general, la introducción de los procesos Bessemer y de hogar abierto hizo posible producir acero en cantidades ilimitadas. El acero fundido ganó rápidamente su lugar en la industria y, a partir de los años 70 del siglo XIX, el hierro forjado cayó casi por completo en desuso. Ya en los primeros cinco años después de la introducción de la producción de hogar abierto y Bessemer, la producción mundial de acero aumentó en un 60%. Autor: Ryzhov K.V.
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