Hierro forjado

El hierro en barra es un término genérico que a veces se utiliza para distinguirlo del hierro fundido. Es el equivalente a un lingote de metal fundido, en un formato conveniente para su manipulación, almacenamiento, transporte y posterior procesamiento hasta obtener un producto terminado.

Las barras eran el producto habitual de la forja de metales finos , pero no necesariamente elaboradas mediante ese proceso:

• Las varillas de hierro, cortadas a partir de barras planas de hierro en una máquina de corte longitudinal, proporcionaban la materia prima para las púas y los clavos.
• Hierro para aros: adecuado para los aros de los barriles, fabricado haciendo pasar varillas de hierro a través de matrices de laminación.
• Planchas de hierro: láminas aptas para su uso como planchas para calderas .
• Láminas negras —láminas, quizás más delgadas que la chapa de hierro, procedentes de la etapa de laminado en negro de la producción de hojalata .
• Hierro de viaje: barras de hierro planas y estrechas, fabricadas o cortadas en barras de un peso determinado, una mercancía que se vendía en África para el comercio transatlántico de esclavos . El número de barras por tonelada aumentó gradualmente de 70 por tonelada en la década de 1660 a 75-80 por tonelada en 1685 y a "casi 92 por tonelada" en 1731. ^{[ 14 ] : 163-172}

• Hierro de carbón vegetal: hasta finales del siglo XVIII, el hierro forjado se fundía a partir de mineral utilizando carbón vegetal, mediante el proceso de forja . También se producía a partir de arrabio en una fragua fina o en un horno de Lancashire . El metal resultante era muy variable, tanto en su composición química como en su contenido de escoria.
• Hierro forjado por pudelación : este proceso fue el primero a gran escala en producir hierro forjado. En la pudelación, el arrabio se refina en un horno de reverbero para evitar la contaminación del hierro con el azufre del carbón o el coque. El arrabio fundido se remueve manualmente, exponiéndolo al oxígeno atmosférico, lo que provoca su descarburación. A medida que se remueve, se forman grumos de hierro forjado mediante una varilla de agitación (o brazo agitador), que el operario retira periódicamente. La pudelación se patentó en 1784 y se popularizó después de 1800. En 1876, la producción anual de hierro forjado por pudelación solo en el Reino Unido superaba los 4 millones de toneladas. Por esa época, el horno de hogar abierto ya permitía producir acero de la calidad adecuada para fines estructurales, y la producción de hierro forjado entró en declive.
• Hierro molido : un tipo de hierro en barra de particular pureza, obtenido en última instancia a partir del mineral de hierro de la mina Dannemora en Suecia . Su uso más importante era como materia prima para el proceso de cementación en la fabricación de acero.
• Hierro Danks: originalmente hierro importado a Gran Bretaña desde Gdańsk , pero en el siglo XVIII probablemente se refería al tipo de hierro (del este de Suecia) que antiguamente provenía de Gdańsk.
• Hierro forestal: hierro procedente del bosque inglés de Dean , donde el mineral de hematita permitió producir un hierro resistente.
• Hierro de Lukes: hierro importado de Lieja , cuyo nombre holandés es "Luik". ^{[ 15 ]}
• Hierro de Ames o hierro de amys: otra variedad de hierro importada a Inglaterra desde el norte de Europa. Se ha sugerido que su origen es Amiens , pero parece que se importó de Flandes en el siglo XV y de los Países Bajos posteriormente, lo que sugiere un origen en el valle del Rin . Sus orígenes siguen siendo controvertidos. ^{[ 15 ]}
• Hierro de Botolf o hierro de Boutall: de Bytów ( Pomerania polaca ) o Bytom ( Silesia polaca ). ^{[ 15 ]}
• Hierro sable (o Old Sable): hierro que lleva la marca (un sable ) de la familia Demidov de maestros herreros rusos , una de las mejores marcas de hierro ruso . ^{[ 16 ]}

Hierro resistente

También escrito "tuf", no es quebradizo y es lo suficientemente fuerte como para ser utilizado en herramientas.

Hierro de mezcla

Elaborado con una mezcla de diferentes tipos de arrabio .

El mejor hierro

El hierro se sometía a varias etapas de apilamiento y laminado para alcanzar la etapa considerada (en el siglo XIX) como la de mejor calidad.

Barra de hierro marcada

Fabricado por miembros de la Asociación de Barras Marcadas y marcado con la marca del fabricante como señal de su calidad. ^{[ 17 ]}

El hierro forjado es una forma de hierro comercial que contiene menos del 0,10 % de carbono, menos del 0,25 % de impurezas totales de azufre, fósforo, silicio y manganeso, y menos del 2 % de escoria en peso. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

El hierro forjado es rojo corto o caliente corto si contiene azufre en exceso. Tiene suficiente tenacidad en frío, pero se agrieta al doblarse o al terminarse a alta temperatura. ^{[ 5 ] : 7} El hierro caliente corto se consideraba no comercializable. ^{[ 1 ]}

El hierro corto en frío , también conocido como coldshear o colshire , contiene fósforo en exceso. Es muy quebradizo cuando está frío y se agrieta si se dobla. ^{[ 5 ] : 7, 215} Sin embargo, puede trabajarse a alta temperatura. Históricamente, el hierro corto en frío se consideraba suficiente para clavos .

El fósforo no es necesariamente perjudicial para el hierro. Los herreros del antiguo Cercano Oriente no añadían cal a sus hornos. La ausencia de óxido de calcio en la escoria y el uso deliberado de madera con alto contenido de fósforo durante la fundición induce un contenido de fósforo más alto (típicamente <0,3 %) que en el hierro moderno (<0,02–0,03 %). ^{[ 1 ] [ 20 ]} El análisis del Pilar de Hierro de Delhi da 0,11 % en el hierro. ^{[ 1 ] : 69} La escoria incluida en el hierro forjado también confiere resistencia a la corrosión.

Se descubrió que el alambre musical antiguo , fabricado en una época en la que se disponía de aceros al carbono de producción masiva, tenía bajo contenido de carbono y alto contenido de fósforo; el hierro con alto contenido de fósforo, que normalmente causa fragilidad al trabajarse en frío, se estiraba fácilmente para formar alambres musicales. ^{[ 21 ]} Aunque en ese momento el fósforo no era un componente fácilmente identificable del hierro, se planteó la hipótesis de que ese tipo de hierro había sido rechazado para su conversión en acero, pero que destacaba en las pruebas de trefilado. ^{[ 21 ]}

Durante la dinastía Han (202 a. C. – 220 d. C.), los nuevos procesos de fundición de hierro llevaron a la fabricación de nuevos implementos de hierro forjado para uso agrícola, como la sembradora de múltiples tubos y el arado de hierro . ^{[ 22 ]} Además de los grumos accidentales de hierro forjado con bajo contenido de carbono producidos por el exceso de aire inyectado en los antiguos hornos de cúpula chinos , los antiguos chinos crearon hierro forjado utilizando la fragua de refinamiento al menos desde el siglo II a. C., los primeros especímenes de hierro fundido y arrabio refinado en hierro forjado y acero encontrados en el sitio de la dinastía Han temprana en Tieshengguo. ^{[ 23 ] [ 24 ] : 186} Pigott especula que la fragua de refinamiento existió en el período anterior de los Reinos Combatientes (403–221 a. C.), debido a que hay artículos de hierro forjado de China que datan de ese período y no hay evidencia documentada de que el horno de refinación se haya utilizado alguna vez en China. ^{[ 24 ] : 186–187} El proceso de refinado implicaba licuar el hierro fundido en un horno de refinado y eliminar el carbono del hierro fundido fundido mediante oxidación . ^{[ 24 ] : 186} Wagner escribe que, además de los hornos de la dinastía Han que se cree que eran hornos de refinado, también hay evidencia pictórica del horno de refinado en un mural de una tumba de Shandong fechado entre los siglos I y II d. C., así como un indicio de evidencia escrita en el texto taoísta Taiping Jing del siglo IV d. C. ^{[ 25 ]}

El hierro forjado se ha utilizado durante muchos siglos y es el «hierro» al que se hace referencia a lo largo de la historia occidental. La otra forma de hierro, el hierro fundido , se utilizaba en China desde la antigüedad, pero no se introdujo en Europa occidental hasta el siglo XV; incluso entonces, debido a su fragilidad, solo podía utilizarse para un número limitado de propósitos. Durante gran parte de la Edad Media, el hierro se producía mediante la reducción directa del mineral en hornos manuales , aunque la energía hidráulica ya se empleaba en 1104. ^{[ 26 ]}

La materia prima producida por todos los procesos indirectos es el arrabio. Tiene un alto contenido de carbono y, por consiguiente, es quebradizo y no puede utilizarse para fabricar herramientas. El proceso osmond fue el primero de los procesos indirectos, desarrollado hacia 1203, pero la producción en hornos de forja continuó en muchos lugares. El proceso dependía del desarrollo del alto horno, del cual se han descubierto ejemplos medievales en Lapphyttan , Suecia, y en Alemania .

Los procesos de forja y osmond fueron reemplazados gradualmente a partir del siglo XV por procesos de acabado fino , de los cuales existían dos versiones: la alemana y la valona. Estos, a su vez, fueron reemplazados a finales del siglo XVIII por el proceso de pudelación , con algunas variantes como el proceso sueco de Lancashire . Estos últimos también están ahora en desuso, y el hierro forjado ya no se fabrica comercialmente.

El hierro forjado se producía originalmente mediante diversos procesos de fundición, todos ellos conocidos hoy como "hornillos". Se utilizaban diferentes tipos de hornos en distintos lugares y épocas. El horno se cargaba con carbón vegetal y mineral de hierro y luego se encendía. Se inyectaba aire a través de una tobera para calentarlo a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del hierro. Durante la fundición, la escoria se fundía y se escurría, y el monóxido de carbono del carbón vegetal reducía el mineral a hierro, formando una masa esponjosa (llamada "hervidor") que contenía hierro y también minerales de silicato fundidos (escoria) procedentes del mineral. El hierro permanecía en estado sólido. Si se permitía que el horno alcanzara una temperatura lo suficientemente alta como para fundir el hierro, el carbono se disolvía en él y formaba arrabio o hierro fundido. Sin embargo, dado que este no era el objetivo, el diseño del horno dificultaba alcanzar el punto de fusión del hierro y también impedía que la concentración de monóxido de carbono fuera elevada. ^{[ 1 ] : 46–57}

Una vez finalizada la fundición, se retiraba la palanquilla y se podía reiniciar el proceso. Se trataba, por lo tanto, de un proceso discontinuo, en lugar de uno continuo como el de un alto horno. La palanquilla debía forjarse mecánicamente para consolidarla y darle forma de barra, expulsando la escoria en el proceso. ^{[ 1 ] : 62–66}

Durante la Edad Media , se aplicó energía hidráulica al proceso, probablemente inicialmente para accionar fuelles, y solo más tarde para martillos para forjar las palanquillas. Sin embargo, aunque es seguro que se utilizó energía hidráulica, los detalles siguen siendo inciertos. ^{[ 1 ] : 75–76} Esa fue la culminación del proceso directo de fabricación de hierro. Sobrevivió en España y el sur de Francia como Forjas Catalán hasta mediados del siglo XIX, en Austria como el stuckofen hasta 1775, ^{[ 1 ] : 100–101} y cerca de Garstang en Inglaterra hasta alrededor de 1770; ^{[ 27 ] [ 28 ]} todavía se utilizaba con aire caliente en Nueva York en la década de 1880. ^{[ 29 ]} En Japón, la última de las antiguas fundiciones de tatara utilizadas en la producción de acero tamahagane tradicional , utilizado principalmente en la fabricación de espadas, se extinguió recién en 1925, aunque a finales del siglo XX la producción se reanudó a pequeña escala para abastecer de acero a los fabricantes de espadas artesanales.

El hierro Osmond consistía en bolas de hierro forjado, producidas al fundir arrabio y recoger las gotas en un eje que se hacía girar frente a una ráfaga de aire para exponer la mayor cantidad posible al aire y oxidar su contenido de carbono. ^{[ 30 ]} La bola resultante a menudo se forjaba en barras de hierro en un molino de martillos.

En el siglo XV, el alto horno se extendió a lo que hoy es Bélgica , donde se perfeccionó. Desde allí, se propagó a través del Pays de Bray, en la frontera de Normandía , y luego al Weald en Inglaterra. Con él, se extendió la forja de refinamiento. En ella se refundaba el arrabio y (en efecto) se eliminaba el carbono, produciendo una masa que luego se forjaba para obtener barras de hierro. Si se requería hierro en barra, se utilizaba un laminador.

El proceso de refinado existía en dos formas ligeramente diferentes. En Gran Bretaña, Francia y partes de Suecia, solo se utilizaba el proceso valón . Este empleaba dos hornos distintos: un horno de refinado para el acabado del hierro y un horno de recalentamiento para recalentarlo durante el proceso de estirado de la masa hasta convertirla en barra. El horno de refinado siempre utilizaba carbón vegetal, pero el horno de recalentamiento podía utilizarse con carbón mineral , ya que sus impurezas no dañaban el hierro en estado sólido. Por otro lado, el proceso alemán, utilizado en Alemania, Rusia y la mayor parte de Suecia, empleaba un único horno para todas las etapas. ^{[ 31 ]}

La introducción del coque para su uso en el alto horno por Abraham Darby en 1709 (o quizás por otros un poco antes) tuvo inicialmente poco efecto en la producción de hierro forjado. No fue hasta la década de 1750 que el arrabio de coque se utilizó a escala significativa como materia prima para las forjas de refinamiento. Sin embargo, el carbón vegetal continuó siendo el combustible para el refinamiento.

Desde finales de la década de 1750, los fabricantes de hierro comenzaron a desarrollar procesos para producir barras de hierro sin carbón vegetal. Existían varios procesos patentados para ello, conocidos hoy como fundición y estampado . Los primeros fueron desarrollados por John Wood de Wednesbury y su hermano Charles Wood de Low Mill en Egremont , y fueron patentados en 1763. ^{[ 32 ] : 723–724} Otro fue desarrollado para la Coalbrookdale Company por los hermanos Cranage . ^{[ 33 ]} Otro importante fue el de John Wright y Joseph Jesson de West Bromwich . ^{[ 32 ] : 725–726}

Durante la segunda mitad del siglo XVIII, con el inicio de la Revolución Industrial , se idearon varios procesos para fabricar hierro forjado sin carbón vegetal . El más exitoso fue el pudelado, que utilizaba un horno de pudelado (una variante del horno de reverbero ), inventado por Henry Cort en 1784. ^{[ 34 ]} Posteriormente, otros lo perfeccionaron, entre ellos Joseph Hall , quien fue el primero en añadir óxido de hierro a la carga. En este tipo de horno, el metal no entra en contacto con el combustible y, por lo tanto, no se contamina con sus impurezas. El calor de los productos de la combustión pasa sobre la superficie del charco y el techo del horno reverbera (refleja) el calor sobre el charco de metal en el puente de fuego del horno.

A menos que la materia prima utilizada sea hierro fundido blanco, el arrabio u otro producto bruto del proceso de pudelación debía refinarse primero para obtener hierro refinado o metal fino. Esto se realizaba en una refinería donde se utilizaba carbón en bruto para eliminar el silicio y convertir el carbono presente en la materia prima, en forma de grafito, en una combinación con hierro denominada cementita.

En el proceso completamente desarrollado (de Hall), este metal se colocaba en el hogar del horno de pudelación donde se fundía. El hogar estaba revestido con agentes oxidantes como hematita y óxido de hierro. ^{[ 35 ]} La mezcla se sometía a una fuerte corriente de aire y se agitaba con barras largas, llamadas barras de pudelación o remolinos, ^{[ 36 ] : 165 [ 37 ]} a través de puertas de trabajo. ^{[ 38 ] : 236–240} El aire, la agitación y la acción de "ebullición" del metal ayudaban a los agentes oxidantes a oxidar las impurezas y el carbono del arrabio. A medida que las impurezas se oxidaban, formaban una escoria fundida o se desprendían como gas, mientras que el hierro restante se solidificaba en hierro forjado esponjoso que flotaba en la superficie del charco y se extraía de la masa fundida en forma de bolas de charco, utilizando barras de charco. ^{[ 35 ]}

La ventaja del proceso de pudelación radicaba en que utilizaba carbón vegetal, no carbón mineral, como combustible. Sin embargo, esto no suponía una gran ventaja en Suecia, que carecía de carbón. Gustaf Ekman observó refinerías de carbón vegetal en Ulverston , que eran bastante diferentes a las de Suecia. Tras su regreso a Suecia en la década de 1830, experimentó y desarrolló un proceso similar a la pudelación, pero utilizando leña y carbón vegetal, que se adoptó ampliamente en Bergslagen en las décadas siguientes. ^{[ 41 ] [ 14 ] : 282–285}

En 1925, James Aston, de Estados Unidos, desarrolló un proceso para fabricar hierro forjado de forma rápida y económica. Este proceso consistía en tomar acero fundido de un convertidor Bessemer y verterlo en escoria líquida más fría. La temperatura del acero era de aproximadamente 1500  °C y la de la escoria líquida se mantenía a unos 1200  °C. El acero fundido contenía una gran cantidad de gases disueltos, por lo que al entrar en contacto con las superficies más frías de la escoria líquida, los gases se liberaban. El acero fundido se solidificaba entonces, dando como resultado una masa esponjosa con una temperatura de aproximadamente 1370  °C. ^{[ 35 ]} Esta masa esponjosa se terminaba mediante el proceso de laminado y recubrimiento, tal como se describe en el apartado de pudelación (arriba). Con este método se podían procesar de tres a cuatro toneladas por lote. ^{[ 35 ] [ 42 ]}

El acero comenzó a reemplazar al hierro en los rieles ferroviarios tan pronto como se adoptó el proceso Bessemer para su fabricación (a partir de 1865). El hierro siguió siendo dominante para aplicaciones estructurales hasta la década de 1880, debido a problemas con el acero quebradizo, causados ​​por la introducción de nitrógeno, alto contenido de carbono, exceso de fósforo o temperatura excesiva durante el laminado o la laminación demasiado rápida. ^{[ 9 ] : 144–151 [ nota 2 ]} Para 1890, el acero había reemplazado en gran medida al hierro en aplicaciones estructurales.

La chapa de hierro (hierro Armco con un 99,97 % de pureza) tenía buenas propiedades para su uso en electrodomésticos, siendo idónea para el esmaltado y la soldadura, y resistente a la corrosión. ^{[ 9 ] : 242}

En la década de 1960, el precio de la producción de acero estaba bajando debido al reciclaje, e incluso utilizando el proceso Aston, la producción de hierro forjado era intensiva en mano de obra. Se ha estimado que la producción de hierro forjado es aproximadamente el doble de cara que la del acero bajo en carbono. ^{[ 7 ]} En los Estados Unidos, la última planta cerró en 1969. ^{[ 7 ]} La última en el mundo fue la Atlas Forge de Thomas Walmsley and Sons en Bolton , Gran Bretaña, que cerró en 1973. Su equipo de la década de 1860 fue trasladado al sitio de Blists Hill del Museo Ironbridge Gorge para su preservación. ^{[ 43 ]} Algo de hierro forjado todavía se produce para fines de restauración del patrimonio, pero solo mediante el reciclaje de chatarra.

Para la mayoría de los casos, la ductilidad, más que la resistencia a la tracción, es un indicador más importante de la calidad del hierro forjado. En las pruebas de tracción, los mejores hierros son capaces de soportar una elongación considerable antes de romperse. El hierro forjado con mayor resistencia a la tracción es quebradizo.

Debido a la gran cantidad de explosiones de calderas en barcos de vapor a principios del siglo XIX, el Congreso de los Estados Unidos aprobó una ley en 1830 que autorizaba fondos para solucionar el problema. El Tesoro otorgó un contrato de 1500 dólares al Instituto Franklin para realizar un estudio. Como parte de este estudio, Walter R. Johnson y Benjamin Reeves llevaron a cabo pruebas de resistencia en el hierro de las calderas utilizando un probador que habían construido en 1832, basado en un diseño de Lagerhjelm en Suecia. Debido a malentendidos sobre la resistencia a la tracción y la ductilidad, su trabajo tuvo escaso efecto en la reducción de fallos. ^{[ 5 ]}

La importancia de la ductilidad fue reconocida por algunos muy pronto en el desarrollo de las calderas tubulares, como lo demuestra el comentario de Thurston:

Si estuvieran hechos de un hierro tan bueno como el que los fabricantes afirmaban haberles puesto, "que funcionaba como el plomo", se abrirían, como también afirmaban, al romperse, y descargarían su contenido sin producir las desastrosas consecuencias habituales de una explosión de caldera. ^{[ 62 ]}

Varias investigaciones del siglo XIX sobre explosiones de calderas, especialmente las realizadas por compañías de seguros, encontraron que las causas más comunes eran el funcionamiento de las calderas por encima del rango de presión seguro, ya sea para obtener más potencia o debido a válvulas de alivio de presión defectuosas y dificultades para obtener indicaciones fiables de la presión y los niveles de agua. La mala fabricación también era un problema común. ^{[ 63 ]} Además, el espesor del hierro en los tambores de vapor era bajo para los estándares modernos.

A finales del siglo XIX, cuando los metalúrgicos pudieron comprender mejor qué propiedades y procesos hacían que el hierro fuera bueno, el hierro en las máquinas de vapor estaba siendo reemplazado por el acero, mientras que las antiguas calderas cilíndricas con tubos de fuego fueron reemplazadas por calderas de tubos de agua intrínsecamente más seguras. ^{[ 63 ]}

En 2010, Gerry McDonnell ^{[ 64 ]} demostró en Inglaterra, mediante análisis, que una masa de hierro forjado, obtenida mediante fundición tradicional, podía transformarse en hierro con una pureza del 99,7%, sin presencia de carbono. Se observó la ausencia de las vetas características de otros hierros forjados, lo que facilitaba su manipulación tanto en caliente como en frío. Existe una fuente comercial de hierro puro que los herreros utilizan como alternativa al hierro forjado tradicional y a otros metales ferrosos de nueva generación.