Pudelización (metalurgia)

El pudelado es el proceso de convertir el arrabio en hierro forjado en barras en un horno de reverbero alimentado con carbón . Se desarrolló en Inglaterra durante la década de 1780. El arrabio fundido se agitaba en un horno de reverbero, en un ambiente oxidante para quemar el carbono, dando como resultado hierro forjado . ^{[ 1 ]} Fue uno de los procesos más importantes para producir los primeros volúmenes apreciables de hierro forjado en barras valioso y útil (hierro forjado maleable) sin el uso de carbón vegetal . Posteriormente, el horno se utilizaría para producir pequeñas cantidades de aceros especiales .

Aunque no fue el primer proceso para producir hierro en barra sin carbón vegetal, el pudelado fue, con mucho, el más exitoso y reemplazó los procesos anteriores de fundición y estampado , así como los mucho más antiguos procesos de refinado y forjado con carbón vegetal . Esto permitió una gran expansión de la producción de hierro en Gran Bretaña y, poco después, en Norteamérica. Dicha expansión constituye el inicio de la Revolución Industrial en lo que respecta a la industria del hierro. La mayoría de las aplicaciones de hierro forjado del siglo XIX , incluyendo la Torre Eiffel , los puentes y la estructura original de la Estatua de la Libertad , utilizaron hierro pudelado.

El pudelado moderno fue uno de los varios procesos desarrollados en la segunda mitad del siglo XVIII en Gran Bretaña para producir hierro en barra a partir de arrabio sin utilizar carbón vegetal. Reemplazó gradualmente el proceso anterior que utilizaba carbón vegetal y se llevaba a cabo en una fragua de refinamiento .

Invención

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 de arrabio a hierro en barras solo mediante la acción del calor. Aunque desconocían los efectos necesarios del oxígeno suministrado por el aire , al menos habían abandonado la idea errónea anterior de que se necesitaba la mezcla con materiales del combustible. Sus experimentos fueron exitosos y se les concedió la patente nº 851 en 1766, pero no parece que su proceso se haya adoptado comercialmente.

En 1783, Peter Onions, en Dowlais, construyó un horno de reverbero más grande. ^{[ 5 ]} Con este horno comenzó con éxito el proceso comercial de pudelación y se le concedió la patente nº 1370. El horno fue mejorado por Henry Cort en Fontley , Hampshire, entre 1783 y 1784, y patentado en 1784. Cort añadió amortiguadores a la chimenea, evitando así parte del riesgo de sobrecalentamiento y de que el hierro se quemara. ^{[ 5 ]} El proceso de Cort consistía en agitar el arrabio fundido en un horno de reverbero en una atmósfera oxidante , descarburándolo. Cuando el hierro adquiría una consistencia pastosa, se recogía en una bola de pudelación, se apilaba y se laminaba (como se describe más adelante). Esta aplicación de rodillos ranurados al laminador , para laminar barras estrechas, fue también la adaptación por parte de Cort de los laminadores existentes en el continente. ^{[ 6 ]} Cort no desarrolló este método él mismo, sino que lo aprendió de metalúrgicos negros jamaicanos esclavizados y lo patentó en 1873. ^{[ 7 ]} Los esfuerzos de Cort por licenciar este proceso no tuvieron éxito, ya que solo funcionaba con arrabio fundido con carbón vegetal. Richard Crawshay realizó modificaciones en su fundición de hierro en Cyfarthfa en Merthyr Tydfil, que incorporaron un proceso de refinación inicial desarrollado en sus vecinos de Dowlais.

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

"Cuando el hierro simplemente se funde y se vierte en cualquier molde, su textura es granular y tan quebradiza que resulta poco fiable para cualquier uso que requiera mucha resistencia a la tracción . El proceso de pudelación consistía en remover el hierro fundido vertido en un charco, y tenía el efecto de modificar su estructura anatómica de tal manera que hacía más eficaz el proceso de laminado." ^{[ 8 ]}

El proceso de Cort (tal como fue patentado) solo funcionaba con hierro fundido blanco , no con 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 pudelado con un elemento de un proceso ligeramente anterior. Este proceso implicaba otro tipo de hogar conocido como «refinería» o «fuego de salida». ^{[ 9 ]} El arrabio se fundía en este y se vertía en una canaleta. La escoria se separaba y flotaba sobre el hierro fundido, y se retiraba bajando una compuerta al final de la canaleta. El efecto de este proceso era desiliconizar el metal, dejando un metal blanco quebradizo, conocido como «metal fino». Este era el material ideal para cargar en el horno de pudelado. Esta versión del proceso se conocía como «pudlado en seco» y continuó utilizándose en algunos lugares hasta 1890.

Un avance adicional en el refinado del hierro gris fue el proceso conocido como "pudling húmedo", también llamado "ebullición" o "ebullición de arrabio". Este método fue inventado por un chapista llamado _Joseph Hall _en Tipton . Comenzó añadiendo chatarra de hierro _a la carga. Posteriormente, probó con la adición de cascarilla de hierro ( óxidos de hierro como FeO , Fe₂O₃ o _Fe₃O₄ ) . El resultado fue espectacular: el horno hirvió violentamente, produciendo burbujas de monóxido de carbono . Esto se debió a una reacción química entre los óxidos de hierro de la cascarilla y el carbono _disuelto en el arrabio: C + Fe₂O₃ _→ CO + 2 FeO . Para su sorpresa, la bola de chadling resultante produjo hierro de buena calidad .

Un gran problema del proceso de pudelación era que hasta el 15% del hierro se perdía con la escoria debido al uso de arena en el lecho. Hall sustituyó la arena por ceniza de grifo tostada, lo que redujo este desperdicio al 8%, disminuyendo al 5% a finales de siglo. ^{[ 10 ]}

Posteriormente, Hall se asoció para fundar la fundición Bloomfield Iron Works en Tipton en 1830, empresa que pasó a llamarse Bradley, Barrows and Hall a partir de 1834. Esta es la versión del proceso más utilizada a mediados y finales del siglo XIX. El pudelado húmedo tenía la ventaja de ser mucho más eficiente que el pudelado seco (o cualquier proceso anterior). El mejor rendimiento de hierro que se puede obtener con el pudelado seco es de una tonelada de hierro a partir de 1,3 toneladas de arrabio (un rendimiento del 77%), mientras que el rendimiento con el pudelado húmedo era de casi el 100%.

La producción de acero dulce en el horno de pudelación se logró alrededor de 1850 en Westfalia , Alemania, y fue patentada en Gran Bretaña por Lohage, Bremme y Lehrkind. Solo funcionaba con arrabio fabricado a partir de ciertos tipos de mineral. El hierro fundido debía fundirse rápidamente y la escoria debía ser rica en manganeso . Cuando el metal salía a la naturaleza, debía retirarse rápidamente y cubrirse con gravilla antes de que se produjera una mayor descarburación . El proceso se adoptó en la fundición Low Moor Ironworks en Bradford , Yorkshire ( Inglaterra ), en 1851 y en el valle del Loira , Francia , en 1855. Su uso se extendió ampliamente.

El proceso de pudelación comenzó a ser reemplazado con la introducción del proceso Bessemer , que producía acero. Este podía convertirse en hierro forjado utilizando el proceso Aston por una fracción del costo y el tiempo. A modo de comparación, una carga promedio para un horno de pudelación era de 800–900 lb (360–410 kg) ^{[ 11 ]} , mientras que una carga para un convertidor Bessemer era de 15 toneladas cortas (13 600 kg). El proceso de pudelación no podía ampliarse, ya que estaba limitado por la cantidad que el pudelador podía procesar. Solo podía expandirse construyendo más hornos.   

El proceso comienza con la preparación del horno de pudelación. Esto implica llevar el horno a una temperatura baja y luego recubrirlo . El recubrimiento consiste en pintar la parrilla y las paredes circundantes con óxidos de hierro, generalmente hematita ; ^{[ 12 ]} esto actúa como una capa protectora que impide que el metal fundido atraviese el horno. A veces se utilizaba escoria finamente molida en lugar de hematita. En este caso, el horno debe calentarse durante 4 a 5  horas para fundir la escoria 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 . Para el pudelado húmedo, también se carga chatarra de hierro y/o óxido de hierro. Esta mezcla se calienta hasta que la parte superior se funde, permitiendo que los óxidos comiencen a mezclarse; esto generalmente toma 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 pudelado o rejas , ^{[ 11 ] [ 13 ]} a través de puertas en el horno. ^{[ 14 ]} 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 agrega más combustible y se eleva la temperatura. El hierro se funde por completo y el carbono comienza a quemarse. Durante el proceso de pudelación húmeda, la formación de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono ( CO₂ ₎ debido a las reacciones con el óxido de hierro agregado provocará la formación de burbujas que hacen que la masa parezca hervir. Este proceso hace que la escoria se infle en la superficie, lo que le da al operario una indicación visual del progreso de la combustión. A medida que el carbono se quema, la temperatura de fusión de la mezcla aumenta de 1150 a 1540 °C (2100 a 2800 °F) , ^{[ 15 ] [ 16 ]} 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 disminuye el punto de fusión de la mezcla de hierro (como la sal de carretera sobre el hielo).  

Trabajando en un equipo de dos personas, un chapista y un ayudante podían producir unos 1500  kg de hierro en un turno de 12 horas. ^{[ 17 ]} El trabajo extenuante, el calor y los humos hacían que los chapistas tuvieran una esperanza de vida muy corta, y la mayoría moría a los 30 años. ^{[ 18 ]} El chapista nunca pudo automatizarse porque el chapista 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 pudelación para producir acero en lugar de hierro en la fábrica de hierro de Haspe en Hagen ; posteriormente se comercializó en Alemania, Francia y el Reino Unido en la década de 1850, y el acero pudelado fue la principal materia prima para el acero fundido Krupp incluso en la década de 1870. ^{[ 19 ]} Antes del desarrollo del revestimiento refractario básico (con óxido de magnesio , MgO) y la adopción a gran escala del proceso Gilchrist-Thomas alrededor de 1880, complementaba los convertidores ácidos Bessemer (con un material refractario hecho de SiO ₂ ) y los hornos de hogar abierto porque, a diferencia de estos, el horno de pudelación podía utilizar minerales de fósforo abundantes en Europa continental. ^{[ 20 ]}

El horno de pudelación es una tecnología metalúrgica que se utiliza para crear hierro forjado o acero a partir del arrabio producido en un alto horno . El horno está diseñado para hacer circular el aire caliente sobre el hierro sin que el combustible entre en contacto directo con él; este sistema se conoce generalmente como horno de reverbero o de hogar abierto . La principal ventaja de este sistema es que mantiene las impurezas del combustible separadas de la carga.

El hogar es donde se carga, funde y solidifica el hierro. Su forma suele ser elíptica; de 1,5 a 1,8 m de largo y de 1 a 1,2 m de ancho. Si el horno está diseñado para solidificar hierro blanco , la profundidad del hogar nunca supera los 50 cm . Si el horno está diseñado para hervir hierro gris, la profundidad media del hogar es de 50 a 75 cm .        

La chimenea, donde se quemaba el combustible, tenía una parrilla de hierro fundido cuyo tamaño variaba según el tipo de combustible. Si se usaba carbón bituminoso , la parrilla medía en promedio 60 cm × 90 cm y se cargaba con 25-30 cm de carbón . Si se usaba carbón de antracita , la parrilla medía 1,5 m × 1,2 m y se cargaba con 50-75 cm de carbón . Debido al intenso calor necesario para fundir el carbón, la parrilla debía enfriarse para evitar que se derritiera junto con él. Esto se lograba haciendo circular un flujo constante de aire frío o vertiendo agua en la parte inferior de la parrilla.                

Un horno de pudelación doble es similar a uno simple, con la principal diferencia de que cuenta con dos puertas de trabajo que permiten que dos operarios trabajen simultáneamente. La mayor ventaja de esta configuración es que produce el doble de hierro forjado. Además, resulta más económico y eficiente en consumo de combustible que un horno simple.

• acero de crisol
• Martillo doble
• Fabricación de acero

Fuentes

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