Horno de hierro de Cornualles

Cornwall Iron Furnace es un Monumento Histórico Nacional administrado por la Comisión Histórica y de Museos de Pensilvania en Cornwall , condado de Lebanon , Pensilvania , Estados Unidos . El horno fue uno de los principales productores de hierro de Pensilvania desde 1742 hasta su cierre en 1883. Los hornos, los edificios de apoyo y la comunidad circundante se han conservado como sitio histórico y museo, ofreciendo una visión del pasado industrial del condado de Lebanon. El sitio es el único alto horno de hierro que funciona con carbón vegetal que se conserva intacto en su plantación original en el hemisferio occidental. Establecido por Peter Grubb en 1742, Cornwall Furnace fue operado durante la Revolución Americana por sus hijos Curtis y Peter Jr., quienes fueron importantes proveedores de armas para George Washington. Robert Coleman adquirió Cornwall Furnace después de la Revolución y se convirtió en el primer millonario de Pensilvania . La propiedad del horno y sus alrededores se transfirió a la Mancomunidad de Pensilvania en 1932.

Cornwall Iron Furnace fue una de las muchas ferrerías que se construyeron en Pensilvania durante un período de sesenta años, desde 1716 hasta 1776. En la Pensilvania colonial había al menos 21 altos hornos, 45 forjas , cuatro hornos de fundición , seis hornos de acero, tres laminadoras, dos fábricas de planchas y una fábrica de alambre en funcionamiento .

Los hornos de Cornwall Furnace pasaron por dos etapas tecnológicas. Peter Grubb nació en Delaware alrededor de 1702 y se estableció en lo que hoy es el condado de Lebanon en 1734. Compró aproximadamente 120 hectáreas (300 ^acres ) de tierra rica en magnetita . Grubb también notó que su terreno contaba con los demás recursos naturales necesarios para la producción de hierro: extensos bosques para la producción de carbón vegetal , agua corriente para el funcionamiento de los fuelles y un amplio suministro de piedra caliza para añadir fundente a los hornos de fundición. Los planes de Grubb se vieron favorecidos por el hecho de que la magnetita de Cornwall se encontraba muy cerca de su terreno o incluso en su superficie. Estaba listo para aventurarse en el negocio del hierro y se dispuso a construir una "plantación" de hierro. Estos centros de producción de hierro solían ubicarse lejos de las tierras de cultivo densamente deforestadas y se encontraban enclavados en la región de Ridge and Valley de Pensilvania. Grubb construyó sus hornos, primero un horno de fundición y luego el más moderno alto horno de carbón vegetal, así como los edificios de apoyo y el poblado industrial necesarios para alojar a sus trabajadores. Bautizó su empresa como Cornwall porque su padre, John Grubb , había llegado de Cornwall, Reino Unido, en 1677. El Horno de Hierro de Cornwall encajaba a la perfección con la economía agrícola de las Trece Colonias . El hierro era necesario para fabricar herramientas, clavos y armas. La política oficial de Gran Bretaña desaprobaba la manufactura en las colonias, pero Inglaterra ya no podía producir el hierro necesario para sus propias necesidades, y mucho menos para las de los colonos. De hecho, Inglaterra se había vuelto dependiente de la importación de hierro de Suecia . 

Peter Grubb no era propiamente un magnate del hierro, sino un constructor. En 1745, arrendó la fundición a un consorcio, Cury and Company, por 25 años y regresó a Wilmington. El consorcio continuó la operación, y la propiedad pasó a manos de los hijos de Peter, Curtis y Peter Jr. , tras su muerte en 1754. Los hermanos se hicieron cargo de la empresa en 1765 y la gestionaron con bastante éxito hasta finales de la década de 1780. Curtis operaba el Horno Cornwall y vivía en el lugar; alrededor de 1773 construyó las 19 habitaciones originales de la mansión que aún se alza junto a la propiedad. Peter Jr. dirigía una fragua en Hopewell , donde refinaba el arrabio producido por el horno para convertirlo en hierro en barras de mayor valor. La fundición fue un importante proveedor para el esfuerzo bélico de la Guerra de Independencia, y George Washington la visitó en una ocasión para inspeccionar las instalaciones. Desafortunadamente para la familia Grubb, como se describe en la biografía de Curtis Grubb , no pudieron mantener el control de la empresa tras el matrimonio de Curtis en 1783. La mayor parte de las propiedades de los Grubb pasaron gradualmente a manos de Robert Coleman , culminando en 1798. El hijo de Coleman, William, fue nombrado gerente de Cornwall Furnace y vivió en la mansión; en 1865, los Coleman la remodelaron, convirtiéndola en la estructura de 29 habitaciones conocida hoy como Buckingham Mansion.

En la historia colonial estadounidense, la Ley del Hierro, aprobada en 1750, formaba parte de la legislación británica diseñada para fomentar la producción de materias primas (incluido el arrabio ) en la América colonial, pero para restringir su transformación en productos de hierro acabados. Las fábricas existentes podían continuar operando, pero se prohibía la creación de nuevas fábricas para ciertos procesos.

El primer horno que construyó Peter Grubb en Cornwall Iron Furnace fue un horno de reducción directa . Grubb lo construyó en 1737 para probar el valor de mercado de su mineral. Era una forma económica de tantear el mercado sin tener que invertir en la construcción del alto horno, mucho más eficiente y rentable.

Un horno de refinación es básicamente un hogar de herrero ampliado . Consiste en un foso o chimenea con paredes resistentes al calor hechas de tierra, arcilla o piedra. ( En Cornualles se usaba arenisca ). Cerca del fondo, uno o más tubos de arcilla entran a través de las paredes laterales. Estos tubos, llamados toberas , permiten la entrada de aire al horno, ya sea por tiro natural o forzado con un fuelle . Una abertura en el fondo del horno puede usarse para retirar la masa fundida, o bien se puede volcar el horno y retirar la masa fundida desde abajo.

El primer paso antes de poder utilizar el horno de refinación es la preparación del carbón vegetal y el mineral de hierro . El carbón vegetal se produce calentando madera para obtener el combustible de carbono casi puro necesario para el proceso de refinación. El mineral se tritura y se tuesta al fuego para eliminar la humedad. Las impurezas grandes presentes en el mineral se pueden triturar y eliminar. Dado que la escoria de hornos anteriores puede tener un alto contenido de hierro, se puede triturar y reciclar en el horno junto con el nuevo mineral.

Durante su funcionamiento, el horno de fundición se precalienta quemando carbón vegetal, y una vez caliente, se introduce mineral de hierro y carbón vegetal adicional por la parte superior, en una proporción aproximada de uno a uno. Dentro del horno, el monóxido de carbono procedente de la combustión incompleta del carbón reduce los óxidos de hierro del mineral a hierro metálico, sin fundirlo; esto permite que el horno opere a temperaturas inferiores a la de fusión del mineral. Dado que el producto deseado es hierro casi puro, fácilmente forjable y con bajo contenido de carbono , la temperatura y la proporción de carbón vegetal y mineral de hierro deben controlarse cuidadosamente para evitar que el hierro absorba el carbono y se vuelva no forjable. También se puede añadir caliza al horno, aproximadamente un 10 % del peso del mineral, que actuaría como fundente y ayudaría a eliminar las impurezas.

Las pequeñas partículas de hierro producidas de esta manera caen al fondo del horno y se sueldan entre sí para formar una masa esponjosa de lingote. El fondo del horno también se llena de escoria fundida, que a menudo consiste en fayalita , un compuesto de silicio , oxígeno y hierro mezclado con otras impurezas del mineral. Debido a que el lingote es altamente poroso y sus espacios abiertos están llenos de escoria, posteriormente debe recalentarse y golpearse con un martillo para expulsar la escoria fundida. El hierro tratado de esta manera se denomina hierro forjado , y el hierro casi puro resultante, hierro forjado .

En 1742, Grubb reemplazó su horno de refinación con un alto horno frío de carbón vegetal de 9,1 metros (30 pies) de altura. El alto horno ardía a mayor temperatura que el horno de refinación y era capaz de obtener arrabio fundido (" hierro de carbón ") a partir del mineral. 

Un alto horno se basa en el hecho de que el silicio no deseado y otras impurezas son más ligeros que el hierro fundido, que es el producto principal. El horno de Grubb se construyó en forma de una alta estructura similar a una chimenea , revestida con ladrillo refractario . Se vertían carbón vegetal , piedra caliza y mineral de hierro (óxido de hierro) por la parte superior, y se soplaba aire a través de toberas cerca de la base. La explosión resultante promueve la combustión del carbón vegetal (los hornos más modernos utilizan coque o incluso antracita ), creando una reacción química que reduce el óxido de hierro al metal base, que se deposita en el fondo del horno. La naturaleza exacta de la reacción es:

Fe₂O₃ + _{3CO →} 2Fe + 3CO₂_​​

Más precisamente, el aire comprimido que se inyecta en el horno reacciona con el carbono del combustible para producir monóxido de carbono , que luego se mezcla con el óxido de hierro , reaccionando químicamente para producir hierro y dióxido de carbono , que escapa del horno por la parte superior. Al comienzo del ciclo de reacción, el aire caliente, también llamado "viento", que contiene gas precalentado de las estufas Cowper y aire, se inyecta en el horno a través de toberas. El viento encenderá el coque y tendrá lugar la reacción de Boudouard .

C + O ₂ → CO ₂ CO ₂ + C → 2 CO

La temperatura en el horno suele rondar los 1500  °C, lo cual es suficiente para descomponer también la piedra caliza ( carbonato de calcio ) en óxido de calcio y dióxido de carbono adicional:

CaCO₃ → CaO _{+ CO₂}

El óxido de calcio reacciona con varias impurezas ácidas en el hierro (en particular sílice ), formando una escoria que contiene silicato de calcio , Ca Si O ₃ , que flota sobre el hierro.

El arrabio producido en el alto horno no es útil para la mayoría de los usos debido a su alto contenido de carbono, alrededor del 4-5%, lo que lo hace muy quebradizo . Parte del arrabio se utiliza para fabricar artículos de hierro fundido, a menudo refundiéndolo en un cubilote de fundición.

Para otros fines, se requiere un procesamiento adicional para reducir el contenido de carbono y permitir que el hierro se utilice para herramientas o como material de construcción. Se han empleado diversos procesos para ello. El proceso más antiguo se realizaba en la fragua de refinamiento . A finales del siglo XVIII, este comenzó a ser reemplazado por el proceso de "poting y estampado", pero el proceso nuevo más exitoso del período de la Revolución Industrial fue el pudelado .

Esto se realiza ahora inyectando un chorro de oxígeno a alta presión en un recipiente giratorio especial que contiene el arrabio. Parte del carbono se oxida en monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO₂ ₎ . Esto también oxida las impurezas del arrabio. El recipiente gira y el arrabio procesado se puede separar de las impurezas oxidadas. Antes de mediados del siglo XIX, el arrabio del alto horno se transformaba en hierro forjado , que es hierro comercialmente puro. En aquella época, si se necesitaba acero, se calentaban variedades de hierro especialmente puras con carbón vegetal en un horno de cementación para producir acero blister (con aproximadamente un 1-2% de carbono). Este podía purificarse aún más mediante la técnica del crisol , pero el acero era demasiado caro para su uso a gran escala. Sin embargo, con la introducción del proceso Bessemer a finales de la década de 1850 y posteriormente de otros procesos, la producción de acero aumentó drásticamente. A finales del siglo XIX, la mayor parte del hierro se convertía en acero antes de su uso.

La fundición de Cornwall quedó obsoleta en la década de 1880. Los procesos Bessemer y de horno de hogar abierto para la producción de acero , la sustitución del carbón vegetal por coque y antracita , el descubrimiento de yacimientos de hierro en la región minera de Minnesota , cerca del lago Superior , y la construcción de fábricas modernas en Pittsburgh , Steelton y Bethlehem, pusieron fin a la producción de hierro en Cornwall. La fundición de Cornwall dejó de ser rentable en sus últimos diez años de funcionamiento, y su último propietario, Robert Habersham Coleman, la clausuró el 11 de febrero de 1883. En 1932, Margaret Coleman Buckingham donó la fundición y los edificios anexos, que desde entonces han sido restaurados y están abiertos al público.

• Hierro fundido
• Hierro
• Herrería
• Ewiger Jäger — Cornwall Iron Furnace es el lugar donde se desarrolla una leyenda fantasmal sobre la Cacería Salvaje .
• Lista de monumentos históricos nacionales en Pensilvania
• Listados del Registro Nacional de Lugares Históricos en el condado de Lebanon, Pensilvania

• Sharon Hernes Silverman. "Un viaje al pasado: el alto horno de Cornwall" . Revista Pennsylvania Heritage . Consultado el 14 de febrero de 2007 .
• "Cornwall Furnace, Mapa topográfico de USGS Lebanon (PA)" . TopoQuest . Consultado el 10 de julio de 2008 .

• HR Schubert, Historia de la industria británica del hierro y el acero (1957).
• RF Tylecote, Historia de la metalurgia (1991).
• Gordon C. Pollard, 'Experimentación en la producción de hornos de fundición del siglo XIX: evidencia de los Adirondacks de Nueva York' Historical Metallurgy 32(1) (1998), 33-40.

• Sitio web oficial de Cornwall Iron Furnace
• Fotos de los altos hornos de Cornwall
• Ayuda científica: Alto horno. Cómo se extrae el hierro (nivel de bachillerato).
• Animación del alto horno
• Cómo funciona un alto horno ( Ilustrado).
• Precursores del alto horno
• Amplia galería de imágenes sobre todos los métodos de fabricación y conformado de hierro y acero en Norteamérica y Europa. En alemán e inglés.
• Museo del Alto Horno Radwerk IV
• Diagrama esquemático del alto horno y la estufa Cowper.
• ironfurnaces.com - una wiki gratuita dedicada a preservar la historia y la ubicación de los altos hornos históricos.
• Periodo de debate a favor y en contra de la Ley de Hierro