III. LA PRODUCCI�N DEL ACERO
COMO el hierro se corroe f�cilmente, no se conservan piezas muy antiguas que sirvan de pista para localizar a los primeros fundidores de hierro que supieron explotar lo primeros minerales ferrosos. Los minerales ferrosos son mucho m�s abundantes en la Tierra que el hierro mete�rico, sin embargo las t�cnicas para aprovecharlos son mucho m�s complicadas.
Para aprovechar el hierro mete�rico solamente hay que conformarlo a base de martillazos, inclusive en algunos casos no hay necesidad de calentarlo. Los minerales ferrosos, por el contrario, son una mezcla de �xidos de hierro y una cantidad variable de otros compuestos de donde la separaci�n del hierro no es nada f�cil. Es probable que de manera accidental los antiguos hayan descubierto peque�os trozos de hierro en residuos de fogatas donde se quem� le�a en abundancia en contacto con rocas de alto contenido f�rrico. Esto es concebible porque el hierro ocupa el cuarto lugar en abundancia en la corteza terrestre despu�s del ox�geno, el silicio y el aluminio.
La acci�n del mon�xido de carbono producido durante la combusti�n de la le�a pudo haber servido para retirar el ox�geno de los �xidos de hierro. Por este mecanismo, las rocas se convertir�an en piezas de hierro poroso que ahora se conoce como hierro esponja. Cuando el hierro esponja se encuentra al rojo vivo en contacto con las brasas, en los poros se acumula una escoria l�quida que los antiguos eliminaban martillando al hierro esponja en un yunque. Como producto se obten�a un hierro forjado bastante puro. Se conocen piezas muy antiguas cuyo contenido aleante era inferior al 0.1% y con menos del 3% de escoria atrapada en los poros.
Hasta aqu� los antiguos ten�an hierro, no acero. Hay indicios de que alrededor del a�o 1200 a.C. ya se sab�a c�mo convertir la superficie del hierro forjado en acero. Una vez conformada un hacha de hierro forjado, por ejemplo, se empacaba en medio de carb�n de le�a molido. El paquete se manten�a en un recipiente al rojo vivo por varias horas para que el carbono de la le�a se difundiera hacia el interior del hacha, formando una capa dura de acero (hierro + carbono) alrededor de una matriz de hierro.
A la luz de lo que ahora se ense�a desde la secundaria, los procedimientos que empleaban los antiguos eran muy claros. Si el hierro en los minerales est� oxidado, hay que sacarle el ox�geno, y que mejor que el mon�xido de carbono, al cual le gusta el ox�geno para convertirse en bi�xido de carbono. Sin embargo, para los antiguos, que no sab�an que exist�a el ox�geno, que no ten�an el concepto de elementos o reacciones qu�micas, el asunto era sumamente oscuro. La magia y la metalurgia no ten�an frontera.
Entre los antiguos, el hierro era considerado de origen celeste, sideral. Algunos pensaban que el cielo era una b�veda de donde se desprend�an los meteoritos. Los herreros eran se�ores del fuego, brujos, chamanes, capaces de lograr una transmutaci�n que hac�a aparecer el material de los cielos en la Tierra.
�C�mo localizar un mineral de hierro? Hoy en d�a, desde los sat�lites, se pueden rastrear a gran velocidad los recursos minerales de pa�ses enteros. Existen equipos de an�lisis que detectan los elementos presentes en las rocas, con precisi�n y velocidad sorprendentes. En ausencia de los equipos modernos, y de muchos que los precedieron, los antiguos estaban a merced del apoyo divino. Al mineral se le asociaba un comportamiento de animal, que se mueve, se esconde y siente atracci�n por algunos humanos y repulsi�n por otros y se cre�a que el herrero estaba dotado de poderes m�gicos que le permit�an ir a la caza de minerales.
La extracci�n de los minerales era vista como una alteraci�n a un proceso de gestaci�n. La madre Tierra, en sus entra�as, conten�a embriones que en un futuro lejano se convertir�an en hierro. S�lo un brujo, un se�or del fuego, pod�a extraer ese embri�n y trasplantarlo a una nueva matriz, el horno, donde se acelerar�a el nacimiento del hierro.
Claro que los principales responsables de la nube mitol�gica que oscurec�a la metal�rgica eran los propios herreros. Ellos mismos, en su condici�n de n�madas en b�squeda de nuevos minerales, se encargaron de difundir sus ritos y misterios.
El hierro tuvo que dar una batalla importante antes de sustituir al bronce como material para la fabricaci�n de herramientas y armas. Durante cerca de dos milenios, cerca del a�o 1 200 ,a.C., las aleaciones basadas en el cobre, entre ellas el bronce, eran preferidas en lugar del hierro. De hecho, el bronce ten�a propiedades superiores. El bronce inicialmente se produc�a aleando el cobre con el ars�nico, porque muchos minerales conten�an estos dos elementos a la vez. El ars�nico se agregaba al cobre, dando lugar a un material de resistencia, superior que se ha caracterizado como "bronce natural". M�s adelante, en lugar de ars�nico se emple� el esta�o para producir el bronce. El bronce es bastante m�s duro que el hierro esponja, de modo que por mucho tiempo este, �ltimo fue poco atractivo. Adem�s el bronce se pod�a fundir y vaciar en moldes a temperaturas relativamente accesibles alrededor de los 1 000°C. Esto era imposible con el hierro esponja, que se funde a los 1 537°C.
Algunos investigadores creen que el hierro no sustituy� al bronce debido a un avance en el proceso tecnol�gico, sino porque por alguna raz�n el bronce escase�. Es concebible que el suministro europeo de esta�o se haya interrumpido. De hecho, el cobre y el esta�o son mucho menos abundantes en la corteza terrestre que el hierro y el carbono.
El proceso de "aceraci�n" del hierro, se dice, surgi� por la necesidad de contar con un material tan fuerte como el bronce. El efecto del carbono en el endurecimiento del acero se compara con el efecto del esta�o en el cobre en la figura 17. Para tener una ventaja notoria sobre el bronce, los herreros tuvieron que ingeni�rselas para introducir un 0.4% de carbono en el hierro. Esto no es nada f�cil. Como ya se dijo antes, los herreros antiguos empacaban a los objetos de hierro en polvo de carb�n de le�a y los met�an en un horno para que el carbono se difundiera en el hierro. A temperaturas tan altas como 950°C, toma nueve horas formar una corteza de acero (con 0.5% de carbono)de 1.5 mm de grueso alrededor de la pieza de hierro. Este proceso, con algunas variantes, todav�a se emplea en la actualidad y se conoce como cementaci�n.
A emerger la civilizaci�n de la oscuridad de la Edad Media, todav�a la cementaci�n era el m�todo m�s generalizado para convertir la superficie del hierro forjado en acero. Para introducir las capas de acero en el interior de una espada, se tomaba una barra de hierro y se cementaba; luego se martillaba hasta alcanzar el doble, de su longitud inicial; se doblaba de modo que una mitad quedara encima de la otra y se martillaba al rojo vivo hasta que soldaran las dos mitades, quedando en el interior una capa de acero. El proceso se repet�a hasta que la hoja de espada tuviera una textura similar a la de un pastel de mil hojas. En sables japoneses se han encontrado, efectivamente, varios miles de capas. Esto no quiere decir que el proceso anterior se tenga que repetir miles de veces. Como las capas se multiplican exponencialmente al aumentar el n�mero de dobleces, bastan 12 dobleces para lograr m�s de 4000 capas (212). Pero 12 dobleces cuestan mucho trabajo y energ�a. Cada cementaci�n puede tomar una jornada de trabajo y grandes cantidades de carb�n de le�a. Los herreros europeos hac�an solamente uno o dos dobleces.
Figura 17. Curvas de la resistencia del bronce y del acero como funci�n
del contenido de esta�o y de carbono respectivamente. Cuando el contenido de
carbono en el acero supera el 0.4% se empieza a notar una ventaja sobre el bronce.
No fue sino hasta 1740 que el mundo occidental redescubri� el m�todo del crisol para producir acero. Por esas fechas, un relojero y cirujano amateur llamado Benjam�n Huntsman ten�a asombrados a sus competidores por la textura tan uniforme de sus aceros. Huntsman se cuidaba muy bien de guardar el secreto de su m�todo, para que nadie, con excepci�n de �l y sus ayudantes, lo conociera.
Pero uno de sus competidores, vil y astuto, se vali� del chantaje al esp�ritu humanitario. En una noche de tormenta fingi� estar atrapado por la lluvia y pidi� refugio en el taller de Huntsman. La tradici�n de la �poca impon�a moralmente dar el refugio solicitado, de modo que Huntsman no se pudo negar. El esp�a se asombr� de la simplicidad del proceso. Huntsman cementaba peque�os trozos de hierro y los fund�a en un crisol. A solidificar, desde luego, el acero resultaba sumamente uniforme. El esp�a se lament� de no haber trabajado esta idea tan simple desde mucho antes. La idea, sin embargo, era m�s vieja de lo que el esp�a cre�a; el m�todo del crisol para producir acero se practicaba en varios lugares del mundo desde tiempo inmemorial, incluyendo entre �stos, desde luego, a los talleres indios productores de wootz.
Lo que entorpec�a el avance de la tecnolog�a en el acero era la obscuridad en la que se encontraba. En el siglo XVIII se desconoc�a el motivo por el cual el hierro forjado, el acero y el arrabio eran distintos. No fue sino hasta 1820 cuando Kersten plante� que era el contenido de carbono la raz�n de sus diferencias. El primer m�todo para determinar con precisi�n el contenido de carbono en el acero fue desarrollado en 1831 por Leibig.
Antes de la revoluci�n industrial, el acero era un material caro que se produc�a en escala reducida para fabricar armas, principalmente. Los componentes estructurales de m�quinas, puentes y edificios eran de hierro forjado o fundiciones. Las fundiciones son aleaciones de hierro con carbono entre 2.5% y 5%. La aleaci�n que contiene el 4.3% se conoce como "eut�ctica" y es aquella donde el punto de fusi�n es m�nimo, 1 130°C. Esta temperatura es mucho m�s accesible que la del punto de fusi�n del hierro puro (1, 537°C). Los chinos ya en el siglo VI de nuestra era, conoc�an y aprovechaban la composici�n eut�ctica para producir fundiciones en hornos de le�a. Eran hornos, mayores que los europeos y por su mayor escala pod�an alcanzar temperaturas superiores a los 1 150°C. El producto de estos hornos era una aleaci�n l�quida llamada arrabio que conten�a abundantes impurezas. Por su baja temperatura de fusi�n, el arrabio serv�a como punto de partida para la fabricaci�n de hierro fundido, al cual solamente se le eliminaban las impurezas manteniendo un alto contenido de carbono.
El arrabio, ya en estado s�lido, serv�a tambi�n para producir hierro forjado. Usualmente se introduc�a en lingotes a hornos de carb�n de le�a, dotados de sopladores de aire. El ox�geno del aire reaccionaba con el carbono y otras impurezas del arrabio form�ndose as� escoria l�quida y una esponja de hierro. El hierro esponja, casi puro, se manten�a s�lido y la escoria l�quida se remov�a a martillazos.
La maquinaria b�sica para el conformado de piezas estructurales se desarroll� mucho antes que la aparici�n en escala masiva del acero. En Massachusetts, desde 1648, operaban molinos de laminaci�n para producir alambr�n y barras de hierro forjado. La laminaci�n consiste en hacer pasar un trozo de metal maleable a trav�s de un sistema de dos rodillos, como se indica en la figura 18. Al girar los rodillos aplanan al metal. A veces los rodillos tienen acanalados que sirven para conformar barras; o arreglos m�s caprichosos para producir perfiles en forma de T o I, o alguna otra configuraci�n.
Figura 18. Proceso de laminaci�n. Una placa o una barra de acero, generalmente
al rojo vivo , se pasa por unos rodillos donde se produce un cambio en la secci�n
transversal con la geometr�a deseada.
A principios del siglo XVIII ya hab�a en Suecia y en Inglaterra laminadores movidos por molinos de agua. La m�quina de vapor de Watt fue aplicada para este uso por primera vez en 1786.
A mediados del siglo XIX se produc�an por laminaci�n rieles para ferrocarril de 40 m de largo; se usaba de manera generalizada el martillo de vapor y se fabric� el primer buque interoce�nico hecho a base de hierro forjado. El buque, llamado SS Great Britain fue construido con doble capa de hierro y con cinco compartimentos. Su peso fue de 8 000 toneladas, cuatro de las cuales fueron de la h�lice. El casco se construy� traslapando placas unidas con remaches a un poderoso marco de vigas.
La torre Eiffel, inaugurada en Par�s en 1889, se construy� con m�s de 7 000 toneladas de hierro forjado. Como el acero todav�a era muy caro, los constructores Forges y Mendel optaron por el hierro forjado. La fabricaci�n masiva y, por lo tanto econ�mica del acero estaba ya retrasada en relaci�n con su demanda.
El primer paso para lograr la transformaci�n masiva del arrabio en acero lo dio el ingl�s Henry Bessemer en 1856. La idea de Bessemer era simple: eliminar las impurezas del arrabio l�quido y reducir su contenido de carbono mediante la inyecci�n de aire en un "convertidor" de arrabio en acero. Se trata de una especie de crisol, como el que muestra en la figura 19, donde se inyecta aire soplado desde la parte inferior, que a su paso a trav�s del arrabio l�quido logra la oxidaci�n de carbono. As�, el contenido de carbono se reduce al 4 o 5% a alrededor de un 0.5 % . Adem�s el ox�geno reacciona con las impurezas del arrabio produciendo escoria que sube y flota en la superficie del acero l�quido. Como la combinaci�n del ox�geno con el carbono del arrabio es una combusti�n que genera calor; Bessemer acertadamente sosten�a que su proceso estaba exento de costos por energ�a. La idea era fant�stica.
Figura 19. Convertidor de arrabio en acero inventado por Henry Bessemer.
Un flujo de aire se inyecta por la parte inferior del horno para que elimine
gran parte del carbono y otras impurezas del arrabio por oxidaci�n. Este dise�o
fracas� inicialmente porque el refractario que cubr�a las paredes del horno
era de tipo "�cido".
Bessemer logr� convencer a los grandes se�ores del hierro de la �poca victoriana para que aplicaran industrialmente los procedimientos que �l hab�a desarrollado a escala de laboratorio. Se invirtieron enormes recursos en el proyecto, cuyo resultado fue un escandaloso fracaso. Bessemer fue obligado a reponer el dinero a los industriales y se hundi� en el mayor descr�dito. Pero Bessemer no se dio por vencido. Le cost� mucho darse cuenta de que el arrabio que �l hab�a empleado en sus experimentos de laboratorio era distinto al que explotaban industrialmente los fundidores ingleses. Por alguna raz�n, Bessemer hab�a empleado un arrabio de bajo contenido de f�sforo que contrastaba con el arrabio obtenido de muchos minerales nativos de Inglaterra y Europa que eran muy ricos en este elemento.
La pared del convertidor de Bessemer estaba recubierta con ladrillos refractarios ricos en �xido de silicio: s�lice. En la jerga de los refractarios a �stos se les llama "�cidos" para distinguirlos de los �xidos met�licos, que se denominan "b�sicos". La triste experiencia del primer intento de Bessemer sirvi� para demostrar que los refractarios �cidos entorpecen la eliminaci�n del f�sforo del arrabio. M�s tarde Thomas y Gilchrist, tambi�n ingleses, probaron que el convertidor de Bessemer transformaba exitosamente el arrabio en acero si la pared del horno se recubr�a con refractarios "b�sicos", de �xido de magnesio por ejemplo. Para quitar el f�sforo y el s�lice del arrabio, a�adieron trozos de piedra caliza que reacciona con ambos para producir compuestos que flotan en la escoria. Esto no se pod�a hacer en el convertidor "�cido" de Bessemer porque la piedra caliza podr�a reaccionar con los ladrillos de s�lica de sus paredes.
Bessemer instal� su propia acer�a en Sheffield, pag� sus deudas, pronto logr� una producci�n de un mill�n de toneladas por a�o y amas� una gran fortuna. Lo que nunca pudo recuperar fue la confianza de los industriales ingleses. De muy mala manera fue rechazado su proyecto para sustituir los rieles de ferrocarril de "hierro" forjado de esa �poca por los de acero que ahora todo el mundo utiliza.
La tecnolog�a para producir, arrabio siempre estuvo inmersa en un proceso evolutivo. Un paso de una gran trascendencia se dio en el siglo XVIII, cuando el carb�n mineral sustituy� al carb�n de le�a en los hornos. El uso del carb�n de le�a en las acer�as dej� secuelas dram�ticas en muchos pa�ses. En Inglaterra la devastaci�n fue tan brutal que para mediados del siglo XVIII los bosques ya se hab�an agotado. Por m�s de un siglo Inglaterra tuvo que importar hierro o arrabio de Suecia, Rusia y de sus colonias americanas, debido a su insuficiencia de carb�n de le�a. Para bien de los bosques, en el siglo XVIII se inici� el uso del carb�n mineral para producir arrabio. El carb�n mineral usualmente contiene sustancias vol�tiles indeseables para la fabricaci�n del arrabio. Se desarrollo entonces un m�todo que consiste en triturar y calentar el carb�n mineral en hornos para que las sustancias vol�tiles sean expelidas, dando lugar a un carb�n m�s refinado llamado coque.
Cuando los convertidores "b�sicos" de arrabio en acero entraron en operaci�n, ya se produc�a carb�n mineral coquizado en plantas avanzada donde adem�s de purificar al carb�n se, aprovechaban los gases expelidos. Se obten�an como subproductos amoniaco, benceno, tolueno, nafta arom�tica y brea de alquitr�n.
Una vez desatada la producci�n masiva de acero durante la revoluci�n industrial, la producci�n, mundial creci� vertiginosamente, como se indica en la figura 20, impulsada por una fiebre tecnol�gica sin precedentes y por una demanda industrial insatisfecha. El fen�meno nunca estuvo limitado al �mbito ingl�s. Diez a�os antes de registrarse la patente de Bessemer, William Kelly hab�a desarrollado la misma idea en Estados Unidos. Asimismo los hermanos Siemens, alemanes, y posteriormente los hermanos Martin, franceses, dieron grandes pasos en el desarrollo de convertidores de arrabio en acero que antes de terminar el siglo XIX ya hab�an superado la producci�n a los de Bessemer (figura 21).
Figura 20. Gr�fica de la producci�n mundial de acero en los �ltimos siglos.
El invento de Bessemer fue el punto de partida del vertiginoso crecimiento.
Figura 21. Producci�n de acero en Inglaterra. Los convertidores de Bessemer,
"�cidos" o "b�sicos", dominaron inicialmente. El sistema Siemens-Martin fue
el m�s utilizado en las primeras siete d�cadas del presente siglo. Los convertidores
BOF cobraron importancia en los �ltimos treinta a�os.
La geograf�a de la producci�n de acero tambi�n evolucion�. A principios del siglo XVIII Suecia era el primer productor mundial de arrabio.
Posteriormente Inglaterra tom� su lugar, manteniendo su hegemon�a hasta finales del siglo XIX. En 1890 Estados Unidos rebas� a Gran Breta�a y se mantuvo como l�der hasta 1971, cuando fue superado por la Uni�n Sovi�tica. En la figura 22 se presentan los diez primeros productores del mundo en 1983. La situaci�n reciente dista de ser estable. De 1976 a 1983 China pas� del octavo al cuarto lugar, Jap�n desplaz� a Estados Unidos del segundo lugar, la Gran Breta�a pas� del s�ptimo al d�cimo y Corea del Sur se movi� del lugar 25 y se puso en el 15.
Figura 22. Los diez mayores productores de acero en el mundo en 1983.
Antes de que desaparezcan de la faz de la Tierra, vale la pena describir a los modernos dinosaurios que ahora producen la mayor parte del acero del mundo. El proceso se puede dividir en dos grandes pasos. El primero consiste en transformar el mineral de hierro de las minas en arrabio y el segundo en convertir el arrabio en acero.
En un alto horno, cuyo esquema se presenta en la figura 23, se logra la transformaci�n del mineral de hierro en arrabio. Este tipo de horno es el que tienen actualmente la Sider�rgica L�zaro C�rdenas-Las Truchas, en la costa del Pacifico de Michoac�n; Altos Hornos de M�xico, en Coahuila; y el que ten�a la Fundidora de Monterrey que cerr� hace algunos a�os. Tambi�n este tipo de hornos fueron los que, abatidos por las recientes sacudidas tecnol�gicas, cayeron dinamitados a principios de 1986 en la Bethlehem Steel Corporation de Pennsylvania.
Figura 23. En el alto horno, el mineral de hierro, el coque y la caliza
se cargan por la parte superior. Por las otras toberas se inyecta el aire caliente
que enciende el coque y libera el mon�xido de carbono necesario para reducir
al �xido de hierro. El arrabio, producto final del alto horno, se colecta por
una piquera en la parte inferior.
Los minerales de hierro contienen del 60 al 70% de hierro; el resto se compone de ox�geno, arena, arcilla y piedras, que a su vez contienen s�lice (�xido de silicio) Es necesario deshacerse del s�lice para evitar que una parte del hierro se desperdicie al formar compuestos con esta sustancia. Lo anterior se logra agregando piedra caliza. La caliza tiene la propiedad de que, a altas temperaturas, tiene mucha afinidad por el s�lice y por otras impurezas que vienen con el mineral, formando compuestos que flotan en el arrabio l�quido como escoria.
El mineral, junto con la piedra caliza y el coque tienen en su conjunto el nombre de carga y se introducen en el alto horno por la parte superior. La forma y el tama�o de la carga est�n ya muy estudiados. Primero se muelen los minerales de hiero y la piedra caliza. Luego se producen aglomerados de uno a dos cent�metros de di�metro, donde la caliza se incorpora junto con el mineral.
Con bandas transportadoras se lleva la carga, es decir las esferas del mineral y la caliza, y trozos de coque, hasta la parte superior del alto horno (Figura 23). Casi todo el alto horno se mantiene lleno de carga. Por la parte inferior, utilizando ductos llamados toberas, se introduce un soplo de aire caliente que fluye por los huecos que quedan entre las part�culas de la carga. Desde los tiempos de los fundidores chinos del siglo VI hasta principios del siglo XIX el arrabio se produjo soplando con aire fr�o sobre la mezcla de minerales y carb�n. Sin embargo, el proceso es mucho m�s eficiente tanto en rapidez como en consumo de coque si se sopla aire caliente adicionado con un poco de ox�geno y, eventualmente, con hidrocarburos. Cuando el soplo de aire caliente fue introducido por James Nielsen en 1828, se logr� de inmediato un ahorro del 40% en el consumo de carb�n.
En el alto horno, el aire caliente sirve para producir la combusti�n del coque y para elevar la temperatura. El ox�geno del aire se combina con el carbono para producir el mon�xido de carbono que, a su vez, reacciona con el �xido de hierro para producir hierro y bi�xido de carbono.
Al salir del alto horno, los gases producidos por la reacci�n del aire, caliente con el coque y el mineral de hierro no est�n totalmente quemados. Es com�n, que una cuarta parte de la mezcla de gases salientes sea mon�xido de carbono. Este gas venenoso todav�a puede quemarse, es decir, oxidarse, y el calor producido es aprovechable en el calentamiento del soplo del aire que entra. Con esto se logra adem�s un beneficio para el ambiente al reducir las emisiones de mon�xido de carbono.
Los gases que salen del alto horno son canalizados mediante duetos hacia enormes estufas donde se logra la combusti�n total de los mismos. En el camino, como se ilustra en la figura 24, los gases se hacen pasar por c�maras para separar el polvo que arrastran. De esas c�maras se conducen a una de las estufas (los altos hornos se acompa�an al menos de dos estufas). Las estufas son c�maras de combusti�n revestidas, con tabiques refractarios con alta capacidad de absorber calor. Despu�s de algunas horas de quemado de los gases la estufa alcanza altas temperaturas y en ese momento los gases se canalizan a otra de las estufas. Es entonces cuando el soplo del aire, que deber� entrar al alto horno, se pasa por la estufa para que se caliente al hacer contacto con las paredes de tabique refractario incandescente, y alcanza temperaturas superiores a los 1 000°C. En la figura 24, la estufa de la izquierda esta quemando gases y la de la derecha est� calentando al soplo de aire.
La parte m�s caliente del alto horno se localiza justamente arriba de las toberas y se conoce como, etalaje (Figura 23). All� la temperatura alcanza los 1800°C, alrededor de 550 grados m�s de los necesarios para fundir el arrabio. En estas condiciones las esferas de la carga, originalmente hechas de �xidos de hierro y caliza, lloran (gotean) arrabio y escoria que se depositan en el crisol que est� en la parte inferior del alto horno.
Figura 24. Los gases ricos en mon�xido de carbono que salen del alto horno
son aprovechados para calentar las estufas al completar su combusti�n. Mientras
una de las estufas est� en el proceso de combusti�n, la otra, previamente calentada,
sirve para elevar la temperatura del aire por encima de los 1 000°C.
La escoria y el arrabio se sacan del crisol por unos ductos llamados piqueras. La piquera de escoria est� colocada m�s arriba que la de arrabio porque la escoria flota, Frecuentemente el arrabio se traslada al convertidor en el estado l�quido; sin embargo, en algunas plantas se vac�a para formar lingotes. En Inglaterra, originalmente, los lingotes de arrabio ten�an la forma de cerdos y por eso en ingl�s el arrabio es conocido como pig iron.
Los convertidores de arrabio en acero ya no son como los de Bessemer y sus contempor�neos. Conocidos generalmente por sus iniciales en ingl�s, los convertidores BOF (basic oxygen furnace) logran la refinaci�n del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono por oxidaci�n, adem�s de aprovechar el calor de la oxidaci�n como fuente de energ�a para la fusi�n. En lugar del soplo de aire que utilizaba Bessemer, en los BOF la oxidaci�n se hace directamente con ox�geno. Esta idea tambi�n la tuvo Bessemer porque el aire contiene solamente un 21%, de ox�geno contra un 78% de nitr�geno. Lo que pas� fue que en los tiempos de Bessemer el ox�geno puro era muy caro, de modo que no era accesible ni para hacer experimentos en el laboratorio. Cien a�os despu�s la situaci�n era otra porque se desarrollaron m�todos baratos para producir ox�geno y en la escala necesaria para abastecer a las grandes sider�rgicas.
Un esquema del convertidor BOF se presenta en la figura 25. Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario del tipo b�sico, �xido de magnesio o algo as�. A diferencia del convertidor de Bessemer (Figura 19) donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF se inyecta el ox�geno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfr�a con serpentines de agua, interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen tambi�n por la parte superior y por eso la olla est� montada en chumaceras que le permiten girar.
Figura 25. Mediante un chorro de ox�geno con polvo de piedra caliza el arrabio
es convertido en acero en un BOF, El ox�geno reacciona con el carbono
del arrabio y lo elimina en forma de bi�xido (o mon�xido) de carbono. La caliza
sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el f�sforo.
Originalmente el proceso BOF fue desarrollado en Austria para convertir arrabio con bajo contenido de f�sforo (alrededor del O.3%), y en ese tiempo se bautiz� con las iniciales LD, de Linz D�senverfahren (lanza de Linz). Luego la t�cnica se extendi�, para arrabios de alto f�sforo mediante la adici�n al chorro de ox�geno de polvo de piedra caliza. Entonces se logr� la producci�n de acero con arrabio de contenidos de f�sforo tan altos que llegaban incluso al 2%.
Una de las grandes ventajas que desde un principio se observ� en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de "chatarra junto con la carga de arrabio l�quido.
La diferencia de precios entre la chatarra fr�a y el arrabio l�quido ha motivado la b�squeda de tecnolog�as para incrementar lo m�s posible la carga de chatarra. Algunos �xitos en esta direcci�n se han obtenido al adicionar al ox�geno que entra por la lanza combust�leo y carburos de silicio y calcio.
La entrada de los convertidores BOF al mercado mundial fue muy acelerada. En la figura 21 se muestra c�mo los BOF marcaron el fin de los ya obsoletos convertidores de Bessemer y de los Siemens-Martin que hab�an dominado por d�cadas.
Todas las industrias deben examinarse a s� mismas con frecuencia. El escenario que compone el estado de la tecnolog�a, las materias primas y la fuerza de trabajo evoluciona muy r�pidamente. Suele ocurrir que las premisas que motivaron el establecimiento de industrias multimillonarias pierdan vigencia a la vuelta de cinco o diez a�os. Y aunque esas industrias se resistan a aceptar su obsolescencia y sigan adelante, tarde o temprano sucumbir�n ante las empresas m�s avanzadas.
Todo parece indicar que el alto horno est� viviendo su ocaso. La competencia ha forzado a las plantas acereras integradas a crecer, a buscar la producci�n en gran escala. Su tama�o, ahora con capacidad de producir de 5 000 a 10 000 toneladas, de arrabio por d�a, las ha hecho muy vulnerables. Estas plantas no pueden detener su operaci�n so pena de sufrir enormes p�rdidas econ�micas o da�os irreversibles. En forma sumamente onerosa han tenido que enfrentar problemas de liquidez financiera, de abastecimiento confiable, de materias primas y de continuidad en la relaci�n laboral.
El suministro de coque es un problema mayor. Durante m�s de 250 a�os la industria sider�rgica ha consumido cantidades colosales de carb�n mineral. Naturalmente, los mejores yacimientos de carb�n se han agotado. El coque es ahora escaso, caro y de baja calidad.
Durante muchos a�os los metalurgistas han cuestionado la forma indirecta de obtener el acero produciendo primero el arrabio en los altos hornos. �Por qu� no sacar directamente el ox�geno del mineral de hierro y obtener el hierro esponja como en la antig�edad?
En el siglo pasado se propusieron y patentaron muchos m�todos para reducir (desoxidar) a los minerales de hierro directamente en el estado s�lido. Se suger�a el uso de mezclas de gases de hidr�geno, mon�xido de carbono o hidrocarburos, por su alto poder desoxidante. Varios de esos m�todos eran t�cnicamente muy razonables pero ninguno de ellos fue capaz de competir econ�micamente con el alto horno. En los a�os cincuenta de este siglo resurgi� el inter�s en muchos pa�ses por el desarrollo de tecnolog�as para producir hierro esponja. Un gran impulso sali� de M�xico, donde la compa��a HYLSA fue pionera de un proceso de reducci�n directa muy revolucionario. En 1957 HYLSA abri� su primera planta en Monterrey. Veinte a�os despu�s el proceso HYL se hab�a extendido por todo el mundo y se hab�an construido plantas en Venezuela, Brasil, Zambia, Irak, Ir�n e Indonesia, aparte de las seis plantas en M�xico, con capacidad superior a diez millones de toneladas anuales.
El proceso HYL utiliza una mezcla de gases rica en hidr�geno y mon�xido de carbono para extraer el ox�geno del mineral de hierro. La mezcla de gases se produce a partir de gas natural y vapor de agua en un dispositivo llamado reformador, que se representa en la figura 26. El gas natural y el vapor se inyectan a una tuber�a de acero inoxidable que se calienta con unos quemadores. A altas temperaturas, y con ayuda de catalizadores que se ponen en el interior de los tubos, ocurre la reacci�n qu�mica:
Gas natural + vapor de agua � hidr�geno + mon�xido de carbono.
Figura 26. El reformador es un reactor qu�mico que a altas temperaturas
convierte una mezcla de gas natural y vapor en un gas de alto poder reductor
formado de hidr�geno y mon�xido de carbono.
El hidr�geno y el mon�xido de carbono, agentes reductores (desoxidantes) sumamente, efectivos, salen del reformador acompa�ados de peque�as cantidades de gas natural y bi�xido de carbono. La tuber�a se conecta con los reactores reductores, que no son otra cosa que enormes vasijas met�licas donde se carga el mineral de hierro en forma de peque�as esferas del tama�o de una canica ( a 2 cm, de di�metro), c�mo se indica en la figura 27.
Figura 27. La unidad reductora consta de una enorme vasija donde se deposita
un aglomerado de esferas del mineral por donde pasa el gas reductor previamente
calentado a altas temperaturas. Posteriormente el gas residual es enfriado en
una tuber�a ba�ada con agua.
El mineral de hierro que se emplea en las plantas de HYL generalmente tiene la composici�n del cuadro 1. Alrededor del 30% del mineral es ox�geno asociado con el hierro que debe removerse al reaccionar con el hidr�geno o con el mon�xido de carbono. Este objetivo se logra en un 85 o un 90% adem�s de a�adir al producto hierro esponja, un 2% de carbono.
La econom�a de los recursos energ�ticos consumidos y generados en el proceso es muy importante para obtener precios competitivos. Por esta raz�n, las plantas HYL se componen de cuatro unidades reductoras para aprovechar al m�ximo la energ�a y el potencial de reducci�n de los gases. En la figura 28 se ilustra c�mo mientras una de las unidades reductoras se est� descargando del hierro esponja y cargando de mineral, el flujo de gases reductores est� pasando a trav�s de las otras tres unidades. El gas reductor que sale al final todav�a se aprovecha para quemarse en el reformador y en otras etapas de proceso.
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CUADRO 1.- Composici�n del mineral de hierro empleado en el proceso
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Figura 28. Una planta de reducci�n directa es un ensamble de un reformador
y varias unidades reductoras. Las materias primas y los minerales en el proceso
HYL son aprovechados al m�ximo al emplear el gas reductor residual
como combustible para las unidades calefactoras.
De hecho las plantas, en realidad, son una mara�a de tubos y v�lvulas que llevan muchas horas de ingenier�a, y cuyo �nico objetivo es exprimir al m�ximo los recursos de las materias primas y de los combustibles.
Figura 29. El horno de arco consta de una vasija recubierta con refractarios
donde se coloca chatarra y/o hierro esponja, que se funden con el paso de una
corriente el�ctrica introducida con electrodos de grafito.
El hierro esponja se convierte en acero l�quido en un horno de arco el�ctrico. El horno el�ctrico funde al hierro esponja, y a la chatarra que usualmente se agrega, haciendo pasar por ellos enormes cantidades de corriente el�ctrica. El horno el�ctrico se muestra en la figura 29. El acero fundido se pasa a una olla donde, en ocasiones, se hace el ajuste final de la aleaci�n. Finalmente, el acero se vac�a en moldes adecuados a cada proceso de fabricaci�n posterior.
Un competidor implacable de las grandes plantas integradas (que parten del mineral de hierro y terminan con productos acabados de acero) ha surgido de los miles de millones de toneladas de acero que ellas mismas han producido. La chatarra es hoy una materia prima nada despreciable para la fabricaci�n de acero, que suele aprovecharse en plantas peque�as conocidas como miniacer�as, donde la chatarra se funde en hornos de arco el�ctrico. T�cnicamente, su sistema de operaci�n es muy sencillo. La materia prima se consigue con un buen comprador de chatarra capaz de asegurar un suministro regular. Esto no es nada f�cil porque las fuentes de chatarra son muy irregulares. Un buen "chatarrero" debe adem�s distinguir entre los distintos tipos de chatarra disponible. La chatarra de primera es aquella, que viene en trozos chicos en relaci�n con el tama�o del horno, de buen grosor con pocos elementos indeseables como el cinc de los galvanizados, por ejemplo. Las piezas de acero grandes no son tan atractivas para los chatarreros porque su manejo es dif�cil y porque dejan mucho espacio vac�o entre una y otra pieza.
La chatarra se carga al horno de arco el�ctrico y se funde al exponerse al paso de una enorme corriente el�ctrica. La corriente el�ctrica llega a la chatarra a trav�s de electrodos de carbono (grafito). Cuando la chatarra se pasa al estado l�quido, lo cual ocurre en algunos minutos, los operadores toman una muestra y la llevan al laboratorio de an�lisis. En cuesti�n de segundos, con la ayuda de espectr�metros modernos, se determina la composici�n qu�mica del acero. En particular , son de inter�s los siguientes elementos: carbono, manganeso, f�sforo, azufre, silicio, cromo y bronce. El hierro, la base de la aleaci�n, se determina por balance. Generalmente es necesario hacer alg�n ajuste a la aleaci�n mediante la adici�n de otros elementos necesarios o de formadores de escoria para retirar elementos indeseables como el f�sforo o el azufre.
Del horno el�ctrico, el acero l�quido se pasa a una olla donde en ocasiones se pasa a una m�quina de colada continua para producir barras de acero de secci�n cuadrada de 10 a 15 cent�metros por lado y de 6 a 8 metros de longitud, llamadas palanquillas.
Figura 30. En el proceso de colada continua se producen barras de secci�n
cuadrada (palanquillas) en un molde, directamente a partir de acero l�quido.
La colada continua produce un ahorro considerable de trabajo y energ�a con respecto
a los procesos menos recientes que producen lingotes con el acero l�quido, los
cuales se calientan posteriormente al rojo vivo y se laminan para formar las
palanquillas.
El proceso de colada continua se desarroll� en Europa en los a�os cincuenta para producir secciones de acero directamente a partir de acero l�quido. Anteriormente se produc�an lingotes que, m�s tarde, se laminaron en rodillos para formar las palanquillas. La colada continua, con la cual se procesa m�s de un tercio de la producci�n mundial de acero, se ilustra en la figura 30. El acero l�quido de la olla se vac�a en un recipiente de donde, a velocidad controlada, pasa a un molde de secci�n cuadrada. Las paredes del molde se lubrican para que el acero no se adhiera y se mantienen "fr�as" refriger�ndolas con serpentines de agua. El molde adem�s, se hace vibrar para ayudar a que el acero se deslice. El molde no tiene tapa inferior porque el acero que ha solidificado en el extremo inferior, sirve como tapa. Despu�s de pasar por el molde, el acero, ya s�lido pero al rojo vivo, pasa por una serie de rodillos que lo jalan hasta llegar a una plancha donde, con sopletes, la secci�n cuadrada se corta en tramos de la longitud deseada.
La palanquilla es la materia prima para los molinos de laminaci�n donde, a base de rodillos, se conforman productos como varillas corrugadas, alambrones y barras de secciones cuadradas, hexagonales o redondas.
Debido a la sencillez de su proceso, las miniacer�as tienen un costo de inversi�n baj�simo comparado con el de las plantas integradas; no est�n t�cnicamente obligadas a mantenerse en operaci�n permanentemente, es decir, pueden apagar sus instalaciones e irse una semana de vacaciones sin ning�n problema; y su tama�o permite ubicarlas cerca de los grandes centros de consumo de acero y producci�n de chatarra para lograr un ahorro importante en materia de transportes.
Como las acer�as suelen ser un problema para el medio ambiente, muchas miniacer�as est�n equipadas con dispositivos para el control de emisiones contaminantes.
Ubicada a un lado de la carretera que une a las ciudades de Saltillo y Monterrey hay una miniacer�a de la compa��a "De Acero". En esa zona del pa�s el cielo es muy azul y transparente casi todo el a�o. El azul del cielo, la tierra clara y la escasa vegetaci�n confirman el bello paisaje del semidesierto mexicano. La presencia de cualquier fuente emisora de humos se delata a distancias de kil�metros. Sin embargo, a menos de cien metros del horno de arco el�ctrico de la miniacer�a, el cielo se ve siempre azul y transparente. Al entrar, oportunidad que he tenido en un par de ocasiones, pude observar el horno de arco el�ctrico en plena operaci�n. Tiene un sistema muy efectivo para captura y precipitaci�n de polvos contaminantes. Estos polvos, que por cierto son muy atractivos para las industrias cementeras, se colectan en una campana colocada arriba del horno el�ctrico y son llevados por ductos hasta unos dep�sitos donde se precipitan. "Una parte fundamental de nuestra rutina de trabajo" —me dijo, orgulloso, un ingeniero amigo que labora all�—, "es mantener en operaci�n el sistema de control de contaminantes." La mancha caf� y gris que frecuentemente se observa alrededor de muchas acereras en M�xico deber�a ya ser cosa del pasado.
