Hierro: propiedades, historia y aplicaciones cotidianas

Introducción

El hierro es uno de los elementos más comunes en la tierra. Casi toda construcción humana contiene al menos un poco de hierro. También es uno de los metales más antiguos y se convirtió en objetos útiles y ornamentales al menos hace 3.500 años.

El hierro puro es un metal blando, blanco grisáceo. Aunque el hierro es un elemento común, el hierro puro casi nunca se encuentra en la naturaleza. El único hierro puro conocido que existe naturalmente proviene de meteoritos caídos. La mayor parte del hierro se encuentra en minerales formados por la combinación de hierro con otros elementos. Los óxidos de hierro son los más comunes. Esos minerales cerca de la superficie terrestre que tienen el mayor contenido de hierro se conocen como minerales de hierro y se extraen comercialmente.

El mineral de hierro se convierte en varios tipos de hierro mediante varios procesos. El proceso más común es el uso de un alto horno para producir hierro de primera fusión (arrabio) que es aproximadamente 92-94% hierro y 3-5% carbono con cantidades menores de otros elementos. El arrabio tiene solo usos limitados, y la mayor parte de este hierro pasa a una acería donde se convierte en varias aleaciones de acero reduciendo aún más el contenido de carbono y añadiendo otros elementos como manganeso y níquel para dar al acero propiedades específicas.

Historia

Los historiadores creen que los egipcios fueron los primeros en trabajar con pequeñas cantidades de hierro, hace unos cinco o seis mil años. El metal que usaban aparentemente se extraía de meteoritos. La evidencia de lo que se cree es el primer ejemplo de minería y fundición de hierro apunta a la antigua cultura hitita en lo que ahora es Turquía. Como el hierro era un material muy superior para fabricar armas y herramientas que cualquier otro metal conocido, su producción era un secreto celosamente guardado. Sin embargo, la técnica básica era simple, y el uso del hierro se extendió gradualmente. Tan útil como era comparado con otros materiales, el hierro tenía desventajas. La calidad de las herramientas hechas de él era altamente variable, dependiendo de la región de donde se tomaba el mineral de hierro y el método usado para extraer el hierro. La naturaleza química de los cambios durante la extracción no se entendía; en particular, la importancia del carbono para la dureza del metal. Las prácticas variaban ampliamente en diferentes partes del mundo. Hay evidencia, por ejemplo, de que los chinos podían fundir y moldear implementos de hierro muy temprano, y que los japoneses producían resultados asombrosos con acero en pequeñas cantidades, como lo demuestran espadas heredadas que datan de siglos. Avances similares se hicieron en Oriente Medio e India, pero los procesos nunca emergieron al resto del mundo. Durante siglos, los europeos carecieron de métodos para calentar el hierro hasta el punto de fusión. Para producir hierro, quemaban lentamente mineral de hierro con madera en un horno revestido de arcilla. El hierro se separaba de la roca circundante pero nunca se fundía del todo. En su lugar, formaba una escoria costrosa que se removía a martillazos. Este repetido proceso de calentamiento y martilleo mezclaba oxígeno con el óxido de hierro para producir hierro, y removía el carbono del metal. El resultado era hierro casi puro, fácilmente moldeable con martillos y tenazas pero demasiado blando para tomar y mantener un buen filo. Como el metal era moldeado, o forjado, a martillazos, llegó a llamarse hierro forjado.

Herramientas y armas traídas de vuelta a Europa desde Oriente estaban hechas de un hierro que había sido fundido y moldeado en forma. Al retener más carbono, el hierro fundido es más duro que el hierro forjado y mantendrá un filo cortante. Sin embargo, también es más frágil que el hierro forjado. Los trabajadores del hierro europeos sabían que los orientales tenían mejor hierro, pero no los procesos involucrados en forjar productos de hierro más fuertes. Naciones enteras lanzaron esfuerzos para descubrir el proceso.

El primer avance europeo conocido en la producción de hierro fundido, que llevó rápidamente al primer acero práctico, no llegó hasta 1740. En ese año, Benjamin Huntsman obtuvo una patente para la fusión de material para producir muelles de acero para relojería. En los siguientes 20 años, el procedimiento se adoptó más ampliamente. Huntsman usó un alto horno para fundir hierro forjado en un crisol de arcilla. Luego añadió cantidades cuidadosamente medidas de carbón vegetal puro al metal fundido. La aleación resultante era fuerte y flexible cuando se fundía en muelles. Como Huntsman originalmente solo estaba interesado en hacer mejores relojes, su acero de crisol llevó directamente al desarrollo de cronómetros náuticos, que a su vez hicieron posible la navegación global al permitir a los marinos determinar precisamente su posición este/oeste. El hecho de que también hubiera inventado la metalurgia moderna fue un efecto secundario que aparentemente no notó.

Materias primas

Las materias primas usadas para producir arrabio en un alto horno son mineral de hierro, coque, sinter y piedra caliza. Los minerales de hierro son principalmente óxidos de hierro e incluyen magnetita, hematita, limonita y muchas otras rocas. El contenido de hierro de estos minerales varía del 70% al 20% o menos. El coque es una sustancia hecha calentando carbón hasta que se vuelve casi carbono puro. El sinter se hace de mineral de hierro de grado menor, finamente dividido, que se tuesta con coque y cal para remover una gran cantidad de impurezas del mineral. La piedra caliza ocurre naturalmente y es una fuente de carbonato de calcio.

Otros metales a veces se mezclan con hierro en la producción de varias formas de acero, como cromo, níquel, manganeso, molibdeno y tungsteno.

El proceso de extracción y refinación del mineral

Antes de que el mineral de hierro pueda usarse en un alto horno, debe extraerse del suelo y refinarse parcialmente para remover la mayoría de las impurezas.

Apoyado en sus largas tenazas, el ayudante de este joven pudelador posó para esta fotografía a principios de los 1860, cuando los Hijos de Vulcano era un sindicato joven. (De las colecciones del Museo Henry Ford & Greenfield Village.)

Históricamente, el hierro se producía por el método de soplado en caliente, o después, el horno de antracita. De cualquier forma, la actividad fundamental en la fabricación de hierro involucraba a un trabajador removiendo pequeños lotes de arrabio y escoria hasta que el hierro se separaba de la escoria. Llamado "pudelado", esto era trabajo altamente cualificado, pero también caliente, extenuante y peligroso. Requería mucha experiencia así como una constitución robusta. Los pudeladores eran orgullosos, independientes y bien pagados.

Los pudeladores fundaron el primer sindicato en la industria del hierro y acero, los Hijos de Vulcano, en Pittsburgh en 1858. En 1876, este sindicato se fusionó con otras tres organizaciones laborales para formar la Asociación Amalgamada de Trabajadores del Hierro y Acero. Este fue el sindicato que Andrew Carnegie derrotó en la Huelga de Homestead de 1892, dejando el sindicato en ruinas y la industria esencialmente desorganizada hasta los años 30.

William S. Pretzer

Extracción

• 1 Gran parte del mineral de hierro mundial se extrae mediante minería a cielo abierto en la que la superficie del suelo es removida por máquinas pesadas, a menudo sobre un área muy grande, para exponer el mineral debajo. En casos donde no es económico remover la superficie, se excavan pozos en la tierra, con túneles laterales para seguir la capa de mineral.

Refinación

• 2 El mineral extraído se tritura y clasifica. Los mejores grados de mineral contienen más de 60% hierro. Grados menores se tratan, o refinan, para remover varios contaminantes antes de enviar el mineral al alto horno. Colectivamente, estos métodos de refinación se llaman beneficio e incluyen trituración adicional, lavado con agua para flotar arena y arcilla, separación magnética, peletización y sinterización. A medida que se agota más del suministro mundial conocido de mineral de alto contenido en hierro, estas técnicas de refinación se han vuelto cada vez más importantes.
• 3 El mineral refinado se carga entonces en trenes o barcos y se transporta al sitio del alto horno.

El proceso de fabricación

Carga del alto horno

• 1 Tras el procesamiento, el mineral se mezcla con otro mineral y va al alto horno. Un alto horno es una estructura en forma de torre, hecha de acero, y revestida con ladrillos refractarios, o resistentes al calor. La mezcla de materia prima, o carga, entra en la parte superior del alto horno. En la parte inferior del horno, aire muy caliente es soplado, o inyectado, a través de boquillas llamadas toberas. El coque quema en presencia del aire caliente. El oxígeno en el aire reacciona con el carbono en el coque para formar monóxido de carbono. El monóxido de carbono entonces reacciona con el mineral de hierro para formar dióxido de carbono y hierro puro.

Separación del hierro de la escoria

• 2 El hierro fundido se hunde al fondo del horno. La piedra caliza se combina con la roca y otras impurezas en el mineral para formar una escoria que es más ligera que el hierro y flota encima. A medida que el volumen de la carga se reduce, se añade continuamente más en la parte superior del horno. El hierro y la escoria se extraen por separado del fondo del horno. El hierro fundido puede ir a un proceso de aleación adicional, o puede fundirse en lingotes llamados "arrabios". La escoria se lleva para eliminación.

Tratamiento de los gases

• 3 Los gases calientes producidos en las reacciones químicas se extraen en la parte superior y se dirigen a una planta de limpieza de gases donde se limpian, o lavan, y se devuelven al horno; el monóxido de carbono restante, en particular, es útil para las reacciones químicas que ocurren dentro del horno. Un alto horno normalmente funciona día y noche por varios años. Eventualmente el revestimiento de ladrillo comienza a desmoronarse, y el horno se apaga entonces para mantenimiento.

Control de calidad

La operación del alto horno está altamente instrumentada y se monitoriza continuamente. Tiempos y temperaturas se comprueban y registran. El contenido químico de los minerales de hierro recibidos de varias minas se comprueba, y el mineral se mezcla con otro mineral de hierro para lograr la carga deseada. Se toman muestras de cada colada y se comprueban por contenido químico y propiedades mecánicas como resistencia y dureza.

Subproductos/Residuos

Hay muchos posibles efectos ambientales de la industria del hierro. El primero y más obvio es el proceso de minería a cielo abierto. Enormes extensiones de tierra se desnudan hasta la roca. Hoy, sitios mineros agotados se usan comúnmente como vertederos, luego se cubren y paisajizan. Algunos de estos vertederos se convierten en problemas ambientales, ya que en el pasado reciente algunos se usaron para eliminación de sustancias altamente tóxicas que lixiviaron a suelo y agua.

El proceso de extraer hierro del mineral produce grandes cantidades de gases venenosos y corrosivos. En la práctica, estos gases se lavan y reciclan. Inevitablemente, sin embargo, pequeñas cantidades de gases tóxicos escapan a la atmósfera.

Un subproducto de la purificación del hierro es la escoria, que se produce en enormes cantidades. Este material es mayormente inerte, pero aún debe eliminarse en vertederos.

La siderurgia consume enormes cantidades de carbón. El carbón no se usa directamente, sino que primero se reduce a coque que consiste en casi carbono puro. Los muchos subproductos químicos del coquizado son casi todos tóxicos, pero también comercialmente útiles. Estos productos incluyen amoníaco, usado en una vasta cantidad de productos; fenol, usado para hacer plásticos, aceites de corte y antisépticos; cresoles, que van a herbicidas, pesticidas, farmacéuticos y químicos fotográficos; y tolueno, ingrediente en muchos productos químicos complejos como disolventes y explosivos.

Chatarra de hierro y acero —en forma de coches viejos, electrodomésticos e incluso edificios enteros con vigas de acero— también son una preocupación ambiental. La mayor parte de este material se recicla, sin embargo, ya que la chatarra de acero es un recurso esencial en la fabricación de acero. La chatarra que no se recicla eventualmente se convierte en óxido de hierro, u óxido, y vuelve al suelo.

El futuro

En la superficie, el futuro de la producción de hierro —especialmente en Estados Unidos— parece problemático. Las reservas de mineral de alta calidad se han agotado considerablemente en áreas donde puede extraerse económicamente. Muchos acerías de larga data han cerrado.

Sin embargo, estas apariencias son engañosas. Nuevas técnicas de enriquecimiento de mineral han hecho el uso de mineral de grado inferior mucho más atractivo, y hay un vasto suministro de ese mineral. Muchas plantas de acero han cerrado en décadas recientes, pero esto es largely porque se necesitan menos. La eficiencia de los altos hornos sola ha mejorado notablemente. A principios de este siglo, el mayor alto horno de Estados Unidos producía 644 toneladas de arrabio al día. Se cree que pronto la producción posible de un solo horno alcanzará 4.000 toneladas por día. Como muchas de estas plantas más modernas se han construido en el extranjero, en algunos casos se ha vuelto más económico enviar acero a través del océano que producirlo en plantas antiguas de EE. UU.