Rastreando la evolución de la producción de hierro en alto horno

Evolución de la fabricación de hierro en alto horno

El origen de la primera fundición de hierro está oculto en la historia no registrada de la civilización humana. La primera evidencia de herramientas de hierro usadas en la antigüedad proviene de Egipto, donde se encontró una herramienta de hierro en una junta entre dos piedras en una pirámide. El origen de muchos implementos de hierro prehistóricos fue probablemente hierro meteórico. El hierro meteórico contiene 5–26 % de níquel (Ni) mientras que el hierro fundido contiene solo trazas de Ni, por lo que los artefactos de hierro hechos de meteoritos pueden diferenciarse de objetos de hierro fundido.

Hace más de 4.000 años, la gente descubrió el hierro meteórico. Pero fueron otros 2.000 años antes de que comenzara la producción de hierro a partir de mineral de hierro extraído. Los hallazgos más antiguos de hierro fundido en la India se remontan a 1800 a.C. Se dice que la fundición de hierro tuvo lugar entre los Calibes de Armenia, súbditos del Imperio Hitita, alrededor de 1500 a.C. Cuando su imperio colapsó alrededor de 1200 a.C., las diversas tribus llevaron el conocimiento de la fabricación de hierro consigo, extendiéndolo por Europa y Asia. El conocimiento de la ferretería en toda Europa y Asia Occidental se remonta en última instancia a esta fuente. La Edad del Hierro comenzó con el descubrimiento de la fundición de hierro.

Inicio de la fundición de hierro

Al igual que con la reducción de minerales de sulfuro de cobre, la primera reducción de óxido de hierro fue probablemente accidental. Fueron los poderes de observación los que llevaron a estos antiguos metalúrgicos (que eran los mineros, químicos y tecnólogos de su época) a darse cuenta de que el hierro podía producirse en hornos simples por reducción directa con carbono (C) del mineral de óxido. La primera representación registrada de un proceso de fundición se encontró en la pared de una tumba egipcia datada alrededor de 1500 a.C. (Fig. 1). Este proceso era un simple hoyo con mineral y combustible desconocido que tenía el fuego intensificado mediante el uso de fuelles accionados con el pie. Durante los siguientes 3.000 años, las técnicas para la producción de hierro no cambiaron significativamente, con esponja de hierro producida por reducción con C de los óxidos y productos de hierro hechos martilleando la esponja.

Los minerales de óxido de hierro están presentes en muchas áreas del planeta. Así, aproximadamente al mismo tiempo que la reducción de minerales de hierro tenía lugar en Egipto, también se hacía en otras áreas. India, China, África y Malasia sirvieron como sitios para este desarrollo inicial de prácticas de fabricación de hierro. Es quizás significativo que los hornos desarrollados en estos países fueran todos bastante similares. Había diferencias en forma y tamaño, pero los hornos eran funcionalmente idénticos. La reducción química a hierro ocurría sin fusión, y el metal resultante era relativamente puro y blando y se denominaba hierro forjado. Podía martillarse en formas útiles. Lanzas, puntas de flecha, dagas y otras herramientas y armas podían fabricarse de este hierro forjado.

Durante unos 2.000 años, hasta cerca del final del primer milenio d.C., el hierro se producía en hogares locales pequeños por el proceso de "bloomery". El tamaño de estas estructuras no está disponible en investigaciones arqueológicas, pero una reconstrucción moderna de un horno bloomery tenía dimensiones internas de 300 mm diámetro × 1000 mm alto. En el proceso bloomery se construía un hogar y en él se colocaban múltiples capas de carbón vegetal y mineral de hierro hasta formar un montículo. Alrededor de este montículo se construía un revestimiento de arcilla y ladrillo dejando un agujero en la parte superior para gases de escape y un agujero en la parte inferior para una ráfaga de aire producida por fuelles. El carbón se encendía y se accionaban los fuelles hasta que el carbón se agotaba. El revestimiento se rompía entonces, y si el proceso había ido bien, había una pila de hierro esponjoso y un charco de escoria. El hierro esponjoso caliente se golpeaba con martillo para producir un lingote de hierro o productos de hierro. Las reacciones durante la fundición en el proceso bloomery se describen aquí. El fuego de carbón producía monóxido de carbono (CO) y el calor eliminaba el agua del mineral de turbera para producir hematita. El CO reducía la hematita a óxido ferroso, wüstita. El CO luego reducía la wüstita a hierro elemental. La reacción no llegaba hasta el final; procedía a una posición de equilibrio y el gas resultante era una mezcla de CO y dióxido de carbono (CO₂). Sin embargo, la wüstita también podía reaccionar con arena para producir olivino de hierro (fayalita), que es el componente principal de la escoria producida. Esta fayalita era un callejón sin salida para el proceso de fundición porque no podía reducirse a hierro elemental bajo las condiciones del horno. El hierro producido tenía un punto de fusión de aprox. 1.540 °C, mientras que el punto de fusión de la escoria estaba alrededor de 1.100 °C. Las temperaturas alcanzadas eran suficientes para fundir la escoria, pero no el hierro. El proceso funcionaba bastante bien, aunque la escoria restante aún contenía mucho hierro, a menudo hasta y más del 60 % FeO (óxido ferroso). La escoria era de dos variedades, siendo partly de naturaleza porosa abierta de desecho de mineral de turbera, y partly compacta, dura e infusible, como obtenida de mineral de hierro rojo.

Desarrollos en el proceso de fabricación de hierro

Mejoras en este primer proceso de fabricación de hierro se hicieron revistiendo el hoyo de fundición con piedras y barro y usando fuelles de madera y cuero (Fig. 2). En China, el uso de hierro apareció alrededor de 600 a.C., extendiéndose ampliamente durante el período 403–222 a.C. Los chinos desarrollaron tecnología superior de fabricación de hierro y hierro líquido se producía ya en 200 a.C. basado en el descubrimiento de utensilios de hierro fundido. Escrituras antiguas en China e India se refieren a la fundición de hierro. Otros artefactos incluyen espadas, hachas, hoces y azadas. Para el 310 d.C. se podía producir suficiente cantidad de hierro para permitir la erección de los famosos pilares de hierro de Delhi y Dhar en la India. El pilar de hierro forjado en Delhi mide 18 m de alto, 410 mm de diámetro y pesa 17 toneladas. En Japón, el proceso tradicional de fabricación de hierro y acero conocido como "Tatara" no se desarrolló completamente hasta el siglo XVII d.C. En América del Norte, América del Sur y Australia, la fundición de hierro no era conocida por los antiguos habitantes. La tecnología de fabricación de hierro fue traída a estos países por los europeos.

El proceso de fabricación de hierro desarrollado alrededor del Mar Mediterráneo se extendió hacia el norte a través de Europa. Fenicios, celtas y romanos ayudaron a difundir la tecnología. Una de las técnicas extendida por los romanos hasta Gran Bretaña fue el horno de cuenco o eje temprano. Este horno consistía en un recipiente con forma de cuenco o un eje cilíndrico de 2 m de alto construido en la ladera de una colina. El aire para avivar el fuego dentro del horno se proveía por una abertura cerca de la parte inferior del cuenco que daba al viento predominante. El horno se llenaba por la abertura superior con capas de carbón y mineral de hierro que se encendían a través de la abertura inferior.

Hay dos teorías sobre cómo se impulsaba la fundición de hierro: una que el viento entraba a través de la abertura inferior proporcionando aire que calentaba el proceso, y la otra que el viento soplaba sobre la parte superior abierta, creando una zona de baja presión a lo largo de la pared frontal interior que succionaba aire a través de la abertura inferior (Fig. 2). En ambos casos, el proceso dependía del viento y no era fiable durante todo el año. El producto era de nuevo una masa de hierro esponjoso, que se retiraba por la abertura inferior y luego se martillaba en su forma final.

Otro tipo de fundidor de hierro temprano era el horno de colmena (Fig. 2). Este horno se construía en terreno plano apilando capas alternas de carbón y mineral de hierro. El montículo se cubría con una capa gruesa de arcilla y tubos de soplado conectados a fuelles se insertaban a través de las paredes laterales inferiores. La capa inferior de carbón se encendía y se proveía aire presurizado por los fuelles. Al final de esta fundición por lotes, la cúpula de arcilla colapsaba. El hierro esponjoso producido se sacaba del horno de colmena demolido para martilleo. La producción en estos hornos era pequeños trozos de hierro y el horno de fundición tenía que demolerse y reconstruirse tras cada producción.

Estos tipos de procesos de fabricación de hierro se usaron durante varios cientos de años en la era moderna sin mucha mejora. Luego, aproximadamente durante el siglo VIII, una pequeña fragua operando en las montañas de Cataluña en el noreste de España representó uno de los primeros avances metalúrgicos significativos en la fabricación de hierro. La fragua catalana temprana (Fig. 2) tenía una copa de piedra llamada hogar, de unos 910 mm de alto y 760 mm de diámetro. A poca distancia por encima del frente de la base había una pequeña abertura que permitía instalar una boquilla conocida como tobera. La boquilla tobera se conectaba a los fuelles para suministro de aire. El hogar se llenaba hasta el nivel de la tobera con trozos de carbón. Luego se colocaba mineral de hierro sobre la tobera y más carbón se colocaba en capas encima del mineral. El carbón se encendía y el aire de los fuelles forzaba CO caliente sobre el mineral que reducía el mineral a una masa caliente y grumosa de hierro. La masa de hierro conocida como "bloom" podía pesar hasta 160 kg y podía retirarse del hogar de la fragua con tenazas sin destruir la estructura de piedra. Esta cantidad de hierro podía generarse en 5 horas mientras que tecnologías previas solo podían producir unos 23 kg en 5 horas. La fragua catalana aumentó de tamaño en los siguientes 200 años y su uso se extendió a Francia, Bélgica, Inglaterra y Alemania. Los tamaños del hogar aumentaron a 1 m cuadrado y se construyeron con bloques de piedra rectangulares. La cantidad de aire entregada a través de la tobera también aumentó mediante el uso de un aspirador de aire conocido como "trompe". Al caer agua a través de la columna trompe, el aire es aspirado al tubo y luego expulsado en la parte inferior de la caja. Cuando este dispositivo se incorporó en la Fragua Catalana, la presión del soplado a través de la tobera era de 0,10–0,14 kg/cm², significativamente más de lo que un fuelle manual o de pie podía producir. Esta presión adicional aceleraba el proceso de fundición y aumentaba la producción.

Del siglo X al XIV, la fragua catalana sufrió una evolución adicional. Los fuelles manuales o de pie fueron reemplazados por fuelles accionados por rueda hidráulica, aumentando el volumen y presión del aire de soplado. Luego, hubo intentos de capturar el calor residual de la chimenea de la fragua aumentando la altura de la chimenea y cargando mineral de hierro y carbón desde la parte superior para que el mineral pudiera precalentarse. Estos hornos tenían una chimenea de mampostería de piedra de 1,8–4,8 m de alto. Las alturas de la chimenea y, debido a ello, las alturas de la carga de materia prima podían aumentar debido a la mayor presión del soplado que podía forzarse por estas chimeneas desde los fuelles accionados por rueda hidráulica.

El horno Stuckofen (Fig. 3), que era el más alto, no solo tenía una chimenea de 4,8 m sino también un cambio en la geometría. El horno tomaba la forma de dos conos truncados conectados en el diámetro más ancho. Dos toberas se volvieron estándar ya que la rueda hidráulica accionaba dos fuelles con uno constantemente comprimido para entregar soplado. Había una abertura en la parte inferior del horno para retirar escoria, pero la mampostería tenía que removerse para extraer el producto final que seguía siendo un bloom de hierro de unas 318 kg. El horno Stuckofen podía producir 100–150 toneladas al año, superando la capacidad de producción de una fragua catalana. Un subproducto de este horno era hierro líquido. Como el mineral tenía mayor tiempo de residencia en el horno para sufrir reacciones químicas y exponerse a temperaturas más altas, el hierro podía absorber más C, bajando el punto de fusión. Cuando el bloom se retiraba, este hierro líquido también se retiraba. Al principio se consideraba un detrimento ya que era demasiado quebradizo para trabajarse con martillo. En algunos casos, se recargaba en el horno o incluso se tiraba como desecho. El horno Stuckofen se considera el precursor del alto horno (BF) moderno. Se modificó luego en el "Blauofen" (horno de soplado) capaz de producir hierro líquido o hierro esponjoso de grado forja a discreción del fabricante. Este cambio se lograba cambiando la cantidad de combustible cargado en 10–15 % y bajando la posición de las toberas 500 mm y empujándolas más dentro del horno. En el siglo XVI estos hornos medían 6,7 m de alto y podían producir unas 1,8 toneladas de hierro al día con una tasa de combustible de unas 250 kg de carbón por 100 kg de hierro producido. Estos hornos tenían una vida útil de unos 45 días.

El siguiente paso en el diseño de horno para producir hierro líquido todo el tiempo fue el "Flussofen" (horno de flujo). El desarrollo del Flussofen o primer BF fue en el siglo XIV en el valle del Rin y áreas adyacentes de Francia, Bélgica y Alemania. Sin embargo, con un cambio en la tecnología de guerra y de fabricación de hierro, la fundición de cañones de hierro fundido se convirtió en la industria dominante en lugar de la forja de espadas de hierro esponjoso. Ya en 1300 d.C., los fabricantes de hierro buscaban activamente producir hierro líquido para fundir cañones. La primera documentación fiable de un BF conocido es en 1340 cuando el horno en Marche Les Dames, Bélgica, fue construido. La expansión del Flussofen o BF fue relativamente lenta. Las naciones continentales de Europa merecen el crédito de haber desarrollado completamente el BF desde el método primitivo de producir blooms de hierro en una fragua catalana. El BF moderno es un horno de eje que evolucionó gradualmente del Stuckofen y Flussofen.

Evolución del alto horno de carbón vegetal

Los BF de carbón vegetal (Fig. 3) desarrollados en Europa continental pronto se extendieron a Gran Bretaña donde ocurrió la siguiente evolución en tecnología de fabricación de hierro. Un BF construido en Monmouthshire, Inglaterra en 1565 fue el primer horno construido en el Bosque de Dean, que se convirtió en un importante centro de fabricación de hierro. Este BF medía 4,6 m de alto y 1,8 m en el bosh, el punto más ancho dentro del horno donde se encontraban los dos conos truncados. Para 1615 había 300 BF promediando unas 2 toneladas/día por horno. La tasa de crecimiento fue tan rápida que causó deforestación total de la tierra para producción de carbón. Durante los 1600s, se pusieron restricciones legales para proteger los bosques restantes y muchos BF cerraron.

El primer BF construido en América del Norte fue en Falling Creek, Virginia en 1622. Este horno nunca entró en operación ya que todos los trabajadores fueron asesinados y la ferrería destruida por nativos americanos. El primer BF de carbón exitoso en América del Norte fue en Saugus, Massachusetts, a partir de 1645. Este BF tenía una chimenea de 6,4 m de alto con paredes exteriores inclinadas hacia adentro al subir y 7,9 m cuadrados en la base. El horno era de granito y otra piedra local unida con mortero de arcilla. Descansaba en terreno nivelado en el que se había cortado un sistema de drenaje subterráneo para proteger contra la humedad a la que el agua que movía su gran rueda de fuelles lo hacía particularmente susceptible. El BF tenía una chimenea con interior aproximadamente en forma de huevo y con el diámetro máximo conocido como tope del bosh de 1,8 m. El bosh, que desciende, soportaba la carga de mineral, fundente y carbón. Un crisólido cuadrado llamado hogar estaba debajo del fondo del bosh y estaba revestido de arenisca (Fig. 3). Había un muro interior con arena, arcilla y escombros entre el revestimiento interior y la mampostería exterior que actuaba como cojín para expansión y contracción durante ciclos de calentamiento y enfriamiento. Había arcos grandes y profundos en dos de los muros exteriores. Por el arco menor pasaban las narices de los dos fuelles de 5,5 m y las dos toberas, que entregaban soplado al BF. Bajo el arco mayor estaba el área de trabajo del hogar y piso de colada. El crisólido o hogar actuaba como depósito para el hierro líquido. El hogar medía 460 mm cuadrados en la base pero se ensanchaba a 530 mm al alcanzar su altura total de 1,1 m. Una proyección de su porción inferior, llamada ante-hogar, consistía en dos muros y una piedra frontal o presa. Arriba, y retrasada desde la presa, había un muro cortina de piedra, llamado "tymp", cuyo borde inferior bajaba más que el tope de la presa. Por la abertura entre el tymp y la presa, un operador encucharaba el hierro para colada en molde y con una barra de hierro, llamada "ringer", retiraba escoria adherida a los muros o acumulada alrededor de la nariz de la tobera. Para protección contra desgaste, tanto el tymp como la presa se revestían con placas de hierro. La eliminación de escoria se lograba rastrillando el material líquido sobre la piedra de la presa en un lugar llamado muesca de cenizas. Para vaciar el hierro, sin embargo, requería romper un tapón de arcilla insertado en un espacio estrecho, llamado tobera, entre uno de los muros laterales del ante-hogar y un extremo de la presa.

Además de esta mampostería complicada, la erección del BF involucraba trabajo en madera y cuero. Entre la parte superior del BF y el acantilado adyacente corría una estructura pesada de madera llamada puente de carga. Las materias primas se transportaban en carretillas desde sus depósitos en el acantilado, a través del puente de carga a la parte superior del BF. En tres lados de la parte superior del BF había pantallas de viento de madera, para proporcionar refugio seguro a los operadores que cargaban materias primas en el agujero de carga que emitía humo, chispas y ocasionalmente llamas. La chimenea del BF a nivel del suelo estaba envuelta en dos lados por una estructura de madera llamada casa de colada. Esta estructura cubría el área de colada en zanja y moldes así como los fuelles. Los dos fuelles se accionaban de forma alternada por un eje de leva conectado a una rueda hidráulica de vertido superior. Los fuelles se desinflaban por las levas en el eje principal e inflaban por contrapesos consistentes en cajas de madera llenas de piedras montadas en vigas móviles que se extendían más allá del techo de la casa de colada a través de agujeros cortados para acomodarlos. El BF consumía 3 toneladas de mineral, 2 toneladas de fundente y 2,6 toneladas de carbón por tonelada de hierro producido. La tobera se abría dos veces al día y se retiraban unos 450 kg de hierro líquido en cada colada. El hierro líquido se vertía en una única zanja o se encucharaba en moldes de arena para producir productos domésticos como ollas, sartenes, placas de estufa, etc.

La fabricación de hierro con carbón descrita arriba cambió solo ligeramente en los siguientes 100 años hasta los 1700s. Las chimeneas de BF aumentaron de tamaño y se hicieron mejoras en equipos de soplado. Un BF de carbón típico de los 1700s tenía tamaño aumentado de 9,1 m de altura y diámetro de bosh de 2,4 m. El aumento en tamaño del BF solo fue posible mediante mejoras en equipos de entrega de viento que resultaron en mayores presiones de soplado. La primera mejora en sistemas de soplado fue la invención de tinas de soplado de madera, cuadradas o redondas, similares a barriles de madera unidos con aros de acero externos. Una manivela excéntrica en la rueda hidráulica tenía una varilla de pistón alternativo y tina de soplado en cada lado. El pistón dentro de la tina tenía cuero para formar sello. Mientras un pistón ascendía para comprimir aire en una tina, el otro descendía en la otra. En la parte superior de cada tina había un tubo de salida conectado a una caja de mezcla común siempre bajo presión. La caja alimentaba aire comprimido a un conducto de aire o tubería principal de soplado que llevaba a las toberas del horno. Una tina típica medía 1,8 m de diámetro y 1,8 m de alto, produciendo 0,14 kg/cm² de presión de soplado. El concepto de tinas de soplado de madera se llevó un paso más allá en 1760 por John Smeaton de Inglaterra. Convirtió las tinas de madera en tinas de hierro fundido accionadas primero por rueda hidráulica y luego en 1769 por máquina de vapor. El primer BF en usar motores de soplado accionados por vapor se construyó en Escocia en 1769. La invención de motores de soplado accionados por vapor resultó en mayores presiones de soplado que permitieron mayor uso de combustibles minerales (coque y carbón). Estas mejoras de los 1700s llevaron la producción de BF a aumentar a 3–5 toneladas/día a finales de los 1700s desde 1 tonelada/día de los BF de 1600s. Esto junto con el uso de combustibles minerales causó un rápido declive en el número de hornos de carbón en Europa, aunque la capacidad de hierro de carbón aumentó en América del Norte conforme las poblaciones se movían oeste donde había vasta disponibilidad de madera.

En los 1800s, la producción de hierro de carbón alcanzó su pico y luego declinó. A mediados de los 1800s, minerales de hierro de alta calidad fueron descubiertos en Pensilvania y la Península Superior de Michigan que tenían bosques vírgenes densos. Los BF de carbón construidos en esta zona eran los más grandes y mejor equipados. Estos BF tenían alturas de chimenea de 13,7 m y diámetros de bosh de 2,9 m. El número de toberas aumentó de dos a tres, una en cada tres lados del horno mientras la tobera estaba en el cuarto lado. El equipo de soplado solía ser cilindros horizontales de soplado con diámetros típicos hasta 1.270 mm y carreras de 1,5 m. Elevadores de plataforma tipo ascensor reemplazaron puentes de carga y todos los minerales y fundentes se pesaban como parte de una carga estándar. El carbón se seguía cargando por volumen de una carretilla grande. Planchas de hierro reemplazaron lentamente las chimeneas de mampostería y los revestimientos de piedra natural se mejoraron a ladrillos de alúmina.

Una de las principales mejoras tecnológicas instaladas en estos hornos de carbón fue el equipo de carga. Originalmente, las materias primas se vertían en una chimenea de boca abierta a través del cabezal de túnel. Los operadores de BF se dieron cuenta de que un horno de tope abierto tenía dos desventajas: primero, el gas inflamable que salía de la chimenea no podía capturarse para calderas, y segundo, la distribución de materias primas causaba ineficiencias operativas. Los primeros esfuerzos en 1832 en Alemania para capturar el gas resultaron en la instalación de una tapa articulada sobre el agujero de carga que solo se abría cuando las materias primas se vertían de las carretillas (Fig. 4). Una abertura también se colocaba en el lado del horno en la chimenea superior. Esta abertura se equipaba con un tubo conocido como bajante que llevaba el gas BF a nivel del suelo para quemarse en equipos auxiliares.

El problema de ineficiencia del BF por carga de materias primas necesitaba una solución más complicada que evolucionó en varios pasos. La causa de esta ineficiencia, descrita por altas tasas de combustible, era porque el material fino vertido a través del agujero de carga en el centro del BF permanecía en el centro del montículo mientras las partículas gruesas rodaban hacia la pared del horno. Esto resultaba en mayor permeabilidad en la periferia del BF y la mayoría del gas y calor subían por las paredes. Esto era perjudicial para la operación del BF ya que el material en el centro llegaba a la zona de bosh sin preparar para fundición y al mismo tiempo el flujo excesivo de gas en la pared aumentaba el desgaste del revestimiento. El primer intento para resolver este problema de distribución de carga fue la introducción de un aparato de carga "copa y cono" (Fig. 4). Consistía en un embudo cónico invertido de hierro fundido fijado en la parte superior del horno alimentando el agujero de carga. Este cono era alrededor del 50 % del diámetro de la garganta. Dentro del cono había una copa de hierro fundido, suspendida en una viga de fulcro opuesta a un contrapeso. La copa se subía manualmente usando un torno conectado al contrapeso. Este aparato logró capturar el gas pero aún mucha cantidad de material grueso rodaba a la pared. La siguiente modificación al equipo copa y cono fue colgar un cono truncado de hierro fundido dentro del horno (Fig. 4). Esto resultó en mover el pico de materias primas más cerca de la pared para que partículas gruesas pudieran rodar también al centro, resultando en mejor permeabilidad central y flujo de gas.

El siguiente paso evolutivo en carga que eliminaba el copa y cono completamente fue colgar un cono invertido que se abría hacia abajo en el horno (Fig. 4). Esta fue la primera campana tipo BF. Esta campana tuvo éxito en empujar el pico hacia la pared reduciendo flujo de gas alrededor de la periferia y aumentando flujo en el centro, pero el gas BF escapaba de la chimenea con cada bajada de la campana. La solución fue tener una campana y una tapa para el agujero de carga. Cuando el material se vertía de la carretilla, la tapa estaba arriba pero la campana cerrada manteniendo el gas en el BF. Luego la tapa se cerraba y la campana se volcaba, lo que también mantenía el gas en el BF y al mismo tiempo daba la distribución adecuada de carga. Los resultados de estas mejoras fueron mejor eficiencia de reacciones físicas y químicas dentro del BF, reduciendo requerimientos de combustible, aumentando productividad y disminuyendo desgaste del revestimiento refractario.

A medida que la producción de BF aumentaba por muchas mejoras de diseño, la eliminación de productos líquidos (hierro y escoria) se convirtió en un problema. La producción de BF de carbón había aumentado de 1 a 25 toneladas por día. Esta mayor tonelada no podía manejarse con dos coladas por día a través de una única zanja frente a la tobera. El tamaño del edificio de la casa de colada aumentó a unos 12 m de ancho y 21 m de largo. La casa de colada contenía áreas separadas para colada de hierro y eliminación de escoria. El lado para eliminación de hierro consistía en una gran zanja llamada canal que descendía desde el frente del horno al suelo de la casa de colada lleno de arena. Luego se dividía en dos sistemas de canales. Un canal principal en cada sistema corría paralelo a lo largo de la casa de colada. A medida que este canal descendía, se hacían presas a intervalos regulares. En ángulo recto antes de cada presa se formaba un canal menor llamado "cerda" en la arena. Luego, saliendo de esta cerda, había numerosas cavidades llamadas "lechones". Estos nombres se aplicaban porque el sistema parecía una fila de lechones amamantando a su madre (Fig. 5). Había varias filas paralelas de cerdas y lechones producidas empujando formas de madera en forma de D en la arena húmeda del suelo. Durante la colada, a medida que cada cerda y sus lechones se llenaban de hierro líquido, la presa de arena en el canal principal se derribaba con una barra y el metal fundido corría cuesta abajo a la siguiente cerda y cama de lechones. Había dos sistemas completos que permitían vaciar el BF más frecuentemente. Mientras un lado se llenaba de hierro líquido, el otro tenía sus lechones retirados y camas reformadas.

El otro lado de la casa de colada se usaba para eliminación de escoria. La escoria corría constantemente sobre el frente de la presa por un canal de escoria a una fosa de escoria. La presa de escoria en el frente del BF se dividía en dos mitades, cada una alimentando un canal y fosa de escoria separados. La fosa era una depresión grande en la arena con crestas en el fondo. Estas crestas actuaban como puntos de fractura cuando era hora de remover la escoria solidificada. En algunas casas de colada, una grúa de madera tipo pluma se usaba para levantar grandes piezas de escoria. Si el operador notaba la capa de escoria volviéndose demasiado gruesa, solía colocar una barra en el centro de la escoria líquida. Luego, cuando la escoria se enfriaba alrededor de la barra, una cuerda o cadena se enrollaba y las grandes piezas se izaban con la grúa. Para eliminación de escoria, también había dos sistemas completos para que mientras uno se usaba, el otro se limpiaba y preparaba.

El origen de la palabra "colada" se entiende que proviene de la percepción de que el hierro líquido era "colado fuera" del horno. La operación de colada constaba de dos partes. En la primera, mientras se formaba escoria líquida en el BF, flotaba sobre el hierro líquido hasta alcanzar un nivel suficiente para fluir entre el tymp y la presa al canal de escoria y a la fosa. La segunda parte era la remoción del hierro líquido del hogar del horno. Esto comenzaba cerrando el soplado y luego clavando una barra puntiaguda en la tobera con un mazo. El hierro líquido fluía por el canal a cada cerda consecutiva y sus lechones. Cuando el hierro dejaba de fluir, la tobera se tapaba manualmente con una mezcla húmeda de arena y arcilla refractaria o arena y carbón. El soplado se volvía a dar al horno.

Tras la colada, los operadores retiraban el hierro solidificado de las camas de lechones. Cuando los lechones estaban lo suficientemente fríos para manejarlos, se enviaban para envío. Este ciclo se repetía seis veces al día, con 4–6 toneladas producidas en cada colada. El arrabio producido se clasificaba en diferentes grados. El hierro de carbón tenía bajo valor de azufre resultando en hierro fundido gris tenaz usado para producir rieles y ruedas de vagones necesarios para apoyar los ferrocarriles en expansión de los 1800s.

Los BF de carbón se discontinuaron a finales de los 1800s, ya que sus costes de producción ya no podían competir con las prácticas de fabricación de hierro basadas en combustibles minerales.

Fabricación de hierro basada en combustibles minerales

Debido al agotamiento de bosques vírgenes requeridos para sostener la fabricación de hierro con carbón, fue necesario buscar fuentes de combustible alternativas. Este combustible alternativo vino en forma de carbón bituminoso, antracita, coque e incluso turba. El desarrollo de fabricación de hierro con coque y antracita se paralelizaron y coexistieron con la producción de carbón durante los 1700s y 1800s. El uso de carbón bituminoso y turba fue limitado y nunca se convirtió en combustible principal. El uso de combustible mineral para fabricación de hierro comenzó en Gran Bretaña, ya que la deforestación por producción de carbón ocurrió primero allí.

En 1708, Abraham Darby arrendó un pequeño BF de carbón en Shropshire y para 1709 producía coque. De 1709 a 1718, el coque se mezcló con carbón en proporciones crecientes en este horno y en 1718 el BF usaba 100 % coque. Hasta 1750, los tres BF usando coque regularmente pertenecían a la familia Darby. El uso de coque se extendió durante 1750–1771, con un total de 27 BF usando coque para producción de hierro. El uso de coque aumentó la producción de hierro ya que era más fuerte que el carbón. Podía soportar el peso de más materias primas y así el tamaño del BF podía aumentarse. El coque también mejoraba la permeabilidad en el BF, permitiendo mayor volumen de viento a través del horno. Este mayor volumen de aire comprimido era provisto por la máquina de vapor y cilindros de soplado.

El uso de coque en Europa continental se extendió lentamente. Coque se usó en Le Creusot, Francia en 1785, Gewitz, Silesia en 1796, Seraing, Bélgica en 1826, Mülheim, Alemania en 1849, Donete, Rusia en 1871 y Bilbao, España en 1880. En América del Norte, el primer uso de 100 % coque como combustible fue en 1835 en Huntington, Pensilvania. Sin embargo, desde 1797, el coque se mezclaba con otros combustibles en BF de EE. UU.

El uso eficiente de coque y antracita en la producción de hierro se aceleró no solo por el uso de equipos de soplado accionados por vapor sino también por la invención del precalentamiento del aire soplado en el BF. A principios del siglo XIX, se creía que el uso de soplado frío mejoraba tanto la cantidad como la calidad del arrabio, ya que se observaba que la producción de BF era mayor en meses de invierno y se concluyó erróneamente que la menor temperatura de soplado era la razón. Pero el rendimiento del BF mejoraba en invierno debido a que el aire tenía menor humedad, de modo que más combustión de combustible era soportada por un dado volumen de aire soplado en el horno.

En 1828, James Neilson patentó su invención de suministrar aire de soplado precalentado a las toberas. El equipo de calentamiento era una simple caja de hierro forjado de 1,2 m × 0,9 m × 0,6 m. Esta caja se calentaba externamente. La máxima temperatura de soplado alcanzable con esta caja era 93 °C y se necesitaba una caja por cada tobera. En 1832, Neilson mejoró su invención construyendo un horno mayor uniendo bridas, formando una longitud continua de 30 m y proporcionando una superficie de calentamiento de 22,3 m². Este horno, alimentado con combustible sólido, producía temperatura de soplado de 140 °C. Desde esta invención, continuas modificaciones y mejoras en los hornos de aire caliente se hicieron y para 1831, Dixon desarrolló un horno más alto con tubos en U que suministraban aire caliente a 315 °C. Para 1840, cerca del 55 % del arrabio en Gran Bretaña se producía con soplado caliente.

Con el aumento de la temperatura de soplado, había disminución en la cantidad de combustible necesario y aumento en la producción del BF. Sin embargo, el equipo de soplado caliente necesitaba mucho mantenimiento. Los tubos de hierro fundido soportados dentro de un horno de ladrillo tenían diferentes características de expansión, resultando en varios tubos agrietados. Otro problema era que el equipo de entrega para soplado frío, consistente en toberas sólidas y juntas flexibles de cuero entre tubos, no podía soportar las altas temperaturas. Otro problema con los sistemas originales de soplado caliente era el coste aumentado de combustible sólido para calentar los hornos. Estos problemas ayudaron a más mejoras en equipos de soplado caliente. Primero, el combustible sólido para calentamiento fue reemplazado por gas BF. Inicialmente, equipo primitivo de intercambiador de calor tipo soplado caliente se construyó sobre el BF y simplemente usó el calor residual para precalentar el soplado frío pasando por tubos de hierro fundido. Luego el gas BF de la parte superior del horno se transportaba al horno de soplado donde se quemaba para generar calor. Este tipo de horno se volvió bastante complejo con numerosas filas de tubos verticales. El problema de agrietamiento de tubos de hierro fundido se abordó eliminando los tubos y usando refractario. Para usar este método, se instalaron 2–4 hornos por BF. Mientras un horno se calentaba quemando gas BF, otro se vaciaba de su calor calentando el soplado frío. En 1854, Cambria Iron Works fue la primera planta en EE. UU. en usar hornos regenerativos. Los hornos se construían de carcasa de hierro, revestidos internamente con refractario y conteniendo refractarios con múltiples pasajes para el soplado. Un horno típico de este diseño tenía 186–232 m² de superficie de calentamiento. Estos hornos eran representativos de los producidos por Cowper y Whitwell en 1857. Los hornos Whitwell erigidos en 1875 medían 6,7 m de diámetro, 9,1 m de alto y tenían superficie de calor total de 8.546 m². Fueron los primeros hornos en usar rejillas hexagonales refractarias, soportes de rejilla de hierro fundido, y cámara de combustión semi-elíptica para mejorar distribución de gas a través de las rejillas. Estos hornos podían suministrar aire caliente al BF con temperaturas de 454–566 °C. Este diseño de horno se ha mantenido básicamente igual hasta hoy con modificaciones menores en tipo de refractario, forma de rejilla y tamaño de horno.

La otra mejora en equipo requerida por el uso de soplado caliente fue el diseño de las toberas y tobera. Las toberas sólidas de hierro fundido o cobre usadas en BF de soplado frío fueron reemplazadas por toberas refrigeradas por agua, huecas, cónicas, con agua circulando por su interior. Los tubos de los motores de soplado a las toberas, unidos con cuero en BF de soplado frío, se rediseñaron con asientos metal-metal. A medida que las temperaturas de soplado aumentaban, el interior de estas tuberías principales y toberas se revestían con refractario, requiriendo un aumento general en tamaño.

El uso de soplado caliente se aplicó tanto a hornos de coque como de antracita. A medida que la presión de soplado aumentaba con nuevos motores, se encontró que la antracita podía cargarse con carbón para mejorar la productividad del BF. En 1886 se hizo el primer intento de usar antracita en un horno de soplado frío en el este de Francia. Este intento falló ya que la antracita encendida se rompía en trozos pequeños y bloqueaba el soplado. La evolución de fabricación de hierro con coque y antracita se paralelizaron en EE. UU. durante los 1800s. En 1826, un pequeño BF se erigió en Pensilvania para operar exclusivamente con antracita. Esta práctica falló tanto allí como en otros lugares en EE. UU. En 1833, el Dr. Frederick Geissenhainer usó exitosamente soplado caliente en experimentos para fundir hierro con antracita. En 1836, el horno Valley en Pensilvania usó 100 % antracita y en 1837, George Crane produjo 36 toneladas de hierro de antracita por semana de uno de sus BF en Gales del Sur. David Thomas fue el fabricante de hierro más exitoso usando antracita en BF. En 1838 vino a EE. UU. y construyó el BF Catasauqua en 1840 (Fig. 6). El horno medía 10,7 m cuadrados en la base con bosh de 3,6 m y altura de 13,7 m. Los hornos de soplado, alimentados con carbón, podían calentar el soplado a 315 °C. Como este BF produjo exitosamente 50 toneladas de buen hierro de fundición por semana, se usó como modelo para construcción de BF para usar antracita como combustible. Para 1856 había 121 hornos de antracita en operación en EE. UU.

Otros combustibles también se probaron para fabricación de hierro en BF. Estos fueron turba y carbón bituminoso. Los BF de turba eran similares a hornos de carbón y típicamente no más altos de 6,7 m. Como la turba era físicamente débil, el uso de estos hornos se ubicaba cerca de yacimientos de turba y nunca jugaron papel mayor en la evolución. El carbón bituminoso se usó para suplementar carbón antes de la introducción de soplado caliente. En los 1830s, carbón splint se usó en hornos de soplado caliente en Escocia. En 1856, había 6 BF en Pensilvania y 13 en Ohio usando carbón bituminoso. La era de carbón bituminoso terminó esencialmente en 1895. Este método nunca se convirtió en fuerza mayor ya que el carbón se rompía en trozos pequeños conforme los BF se hacían mayores y usaban mayor presión de soplado. Con el coque siendo el combustible más fuerte y disponible, la evolución de hornos 100 % coque continuó. Sin embargo, hubo contratiempos iniciales probablemente por coque de baja resistencia. Para los 1840s, la calidad del coque mejoró mediante el uso de hornos de colmena. En 1867, el BF "Monster" se construyó en Norton, Inglaterra. Este horno de coque medía 25,9 m de alto, 7,6 m en el bosh y tenía volumen de trabajo de 735 m³. Un ejemplo de gran horno de coque en EE. UU. en 1884 fue el horno Etna cerca de Pittsburgh. Este horno medía 21,3 m de alto, 6,1 m de diámetro en el bosh, 3,4 m en el hogar y tenía siete toberas de 7 pulgadas (178 mm), tres hornos Whitwell y tres cilindros de soplado de 2,1 m de diámetro. Este BF producía 115 ton/día en 1881, 161 en 1882 y 182 en 1883. El diseño de horno de coque en esta época era muy similar a los de antracita de la misma era (Fig. 6).

Evolución adicional del alto horno de coque

La evolución de BF usando 100 % coque continuó con mejoras mayores entre 1872 y 1913. Varias mejoras tecnológicas se centraron en la práctica de "hard-driving" de BF usando motores de soplado más potentes, mayores temperaturas de soplado, hornos mayores, mejores equipos de carga, mejor preparación de materias primas y producción de gas BF limpio.

El diseño y capacidad del equipo de soplado fue un paso mayor hacia mayor producción en BF de "hard-driving". Los cilindros de soplado fueron reemplazados por grandes motores de soplado alternativos de vapor capaces de proporcionar mayor volumen de aire a presión significativamente mayor. Estos motores eran de tipo viga andante, condensación de vapor. La varilla de pistón del cilindro de vapor se conectaba a una viga de horca y luego por manivela a un volante grande y pesado. La varilla de pistón del cilindro de soplado se conectaba al otro extremo de la viga y cada carrera del cilindro de vapor proporcionaba una carrera correspondiente del cilindro de soplado. Tubos de soplado frío se ajustaban a cada extremo del cilindro de soplado posicionado verticalmente para que el aire se comprimiera en ambas direcciones de la carrera. El volante proporcionaba momento para la carrera de retorno del cilindro de vapor. El aire comprimido de esta manera salía de los tubos de soplado frío y entraba en la tubería principal de soplado frío que conectaba a los hornos de aire caliente. Antes de este tipo de motor, el volumen normal de soplado era 210 m³/min a presión de 0,28 kg/cm². Este motor podía producir 456 m³/min a 0,64 kg/cm². Luego en 1910, el paso final mayor en mejora de motor de soplado se implementó en forma de turbosoplador. El primer turbosoplador se instaló para el BF de Empire Steel Co. en Nueva Jersey y era capaz de entregar 636 m³/min de aire de soplado. Este turbosoplador fue el ancestro directo del turbosoplador moderno que puede entregar hasta 7.500 m³/min de volumen de soplado a 4,00 kg/cm² de presión.

Otra mejora mayor en BF de alta productividad fue aumentar la capacidad de carga. En los 1870s, los BF se equiparon con elevadores accionados por agua. En 1883, se instalaron los primeros skip hoists. Los skips se volvieron mayores y más rápidos en el siglo XX y existían como cubetas y carros montados en ruedas. A principios de los 1960s, algunos sistemas de carga por skip fueron reemplazados por grandes cintas transportadoras.

Las mejoras en capacidad de carga también incluían sistemas automáticos de carga de coque, carros de pesaje en la casa de carga, tope de dos campanas y distribuidor rotativo (Fig. 6). La medición automática de línea de carga fue inventada en 1901 por David Baker. En 1903, J.E. Johnson también comenzó a medir temperatura de gas de tope y su análisis.

Para 1850, a medida que el tamaño del horno aumentaba, el tope del horno podía cerrarse. Un arreglo de campana y tolva simple podía usarse para cargar el horno manteniendo el tope cerrado y sellado. El sistema de campana y tolva simple permitía escape de gran cantidad de gas cada vez que la campana se abría. Pronto se añadió una segunda campana y tolva encima de la primera para que un espacio estanco al gas pudiera proveerse entre las dos campanas para prevenir escape de gas BF cuando la campana pequeña se abría. La campana y tolva superior no tenían que ser tan grandes como la inferior porque varias cargas podían depositarse a través de ella en la campana inferior y la superior podía cerrarse antes de abrir la inferior para volcar las cargas en el horno.

Intentos de mejorar la distribución de carga ocurrieron a principios de los 1990s con el tope rotativo McKee. Tras cada carga de skip en la campana pequeña, la tolva se rotaba 60°, 180°, 240°, 300° o 0°. Esto prevenía un pico de materia prima directamente bajo el puente de skip que resultaba en distribución desigual de gas y desgaste desigual del revestimiento. El siguiente intento de mejorar distribución fue en Alemania a finales de los 1960s. Se logró instalando paneles móviles en la garganta del BF que podían ajustarse a diferentes ángulos para mineral o coque. Esta armadura móvil se ha instalado en gran número de BF.

El sistema de dos campanas continuó siendo el único sistema de carga para BF en el mundo hasta que S.A. Paul Wurth en Luxemburgo desarrolló el sistema de carga sin campana (BLT) y la primera aplicación industrial exitosa de BLT fue en 1972. Este equipo usaba tolvas de material estancas al aire que alimentaban una tolva de entrega de materia prima rotativa que podía ajustarse a numerosos ángulos durante la descarga en el horno. El resultado fue colocación casi ilimitada de cada material en cualquier lugar de la superficie de carga, permitiendo al operador lograr máxima eficiencia de combustible.

El sistema BLT tomó el relevo del de dos campanas ya que proporcionaba varias ventajas a operadores de BF. En 2003, Siemens VAI introdujo el concepto Gimbal de carga.

Otro intento en dirección de mejora continua de BF para aumentar la producción fue hacia mejoras en la limpieza de gas BF. A medida que el volumen y presión de soplado aumentaban en las toberas, la velocidad y volumen de gas saliendo del tope del BF también aumentaban. Más polvo de chimenea era llevado por este gas residual y si no se removía, comenzaba a tapar las rejillas de los hornos, restringiendo posteriormente volúmenes de soplado al horno. El primer paso en limpieza de gas fue la introducción del separador de polvo en los 1880s. Con la introducción de minerales de hierro blandos en 1892, el separador de tipo seco no fue suficiente. En 1909, Ambrose N. Diehl introdujo un sistema de limpieza húmeda. Consistía en una serie de nueve torres de pulverizado a alta presión y un conjunto de cuatro lavadores rotativos. De 1914 a 1924, se probaron varios tipos de lavadores de torre equipados con múltiples bancos de pulverizadores y deflectores en varios hornos. Desintegradores de gas con tambores rotativos de alta velocidad se probaron en 1907. En 1929, precipitadores electrostáticos se usaron exitosamente en South Works de U.S. Steel. Hoy, combinaciones de lavadores de torre, lavadores venturi y eliminadores de niebla son los tipos más comunes de equipos de limpieza de gas.

El equipo más nuevo de limpieza húmeda es un lavador de ranura anular que limpia el gas y controla la presión de tope. El resultado final de todas estas mejoras fue una disminución en el diámetro de agujeros de ladrillos de rejilla de hornos con aumento en tamaño de horno porque el taponamiento con suciedad había sido virtualmente eliminado. El aumento resultante en superficies de calentamiento de hornos ha permitido finalmente que hornos modernos entreguen hasta 1.270 °C de temperatura de soplado. El control de presión de tope asociado permitido por equipos modernos de limpieza ha resultado en presiones de tope de hasta 2,3 kg/cm². Esta mayor presión de tope aumenta la densidad de gases, disminuye la velocidad y aumenta el tiempo de retención en el horno, produciendo mejores reacciones gas-sólido, mejor utilización de gases reductores y menores tasas de combustible.

Recientemente, en BF de nueva construcción y reconstruidos, particularmente en China, la limpieza en seco de gas BF por filtros de manga ha encontrado amplia aplicación. La limpieza en seco tiene varias ventajas sobre la limpieza húmeda usando lavadores y tubos venturi.

La búsqueda de mayores tasas de producción a finales de los 1870s forzó cambios en el tamaño del horno y sus configuraciones. En los 1870s, los hornos medían 22,9 m de alto. En 1880, el tamaño aumentó a 24,7 m de alto, 6,1 m de diámetro de bosh y 3,4 m de diámetro de hogar. Producía 120 ton/día con tasa de coque de 1.574 kg/ton. Solo diez años después, en 1890, se construyó un BF con chimenea de 28,0 m de alto y 6,7 m de bosh. Producía 325 ton/día. Luego en otros 10 años, en 1901, se inició un BF con chimenea y bosh similares pero el diámetro de hogar aumentó a 4,4 m. Este horno producía 463 ton/día a tasa de coque de 1.113 kg/ton. El otro cambio sutil con estos aumentos de tamaño fue el descenso de la línea de flexión bosh/chimenea y el aumento del ángulo de bosh. Este cambio fue perjudicial ya que los hornos vieron mal descenso de carga y deslizamiento con estos ángulos. Para eliminar estos problemas, el diámetro de hogar de estos hornos se aumentó hasta 6,7 m en 1927. Este horno de hogar mayor producía 880 ton/día a tasa de coque de 922 kg/ton. El primer horno de 1.000 ton/día se puso en marcha en 1929. Equipado con diámetro de hogar de 7,6 m. En 1955, el horno A de Great Lakes era el mayor del mundo con hogar de 9,2 m y 24 toberas. El siguiente salto en aumento de tamaño ocurrió durante los 1960s cuando Japón reconstruyó sus plantas obsoletas. Hoy, hornos con 15 m de diámetro de hogar, 40 toberas y cuatro a cinco toberas de vaciado, son comunes en Europa y Asia.

Junto con hornos mayores, mayores temperaturas de soplado y tasas de "hard-driving" crecientes, vino la necesidad de mejor revestimiento refractario y sistemas de enfriamiento. En los 1880s, un ladrillo de arcilla refractaria de alta calidad con alrededor de 40 % alúmina y 46 % sílice era típico. Sin embargo, refractarios de C se usaron en BF alemanes desde 1886.

Mientras la tecnología de refractarios era relativamente desconocida, los métodos para enfriar el revestimiento parecían la respuesta al problema de desgaste. A partir de 1880, hubo desarrollos simultáneos en esfuerzos para mantener revestimientos de horno mediante serpentines alrededor del bosh o placas de enfriamiento embebidas en el ladrillo. Uno de los primeros usos de una placa de bosh de bronce se cree que fue una instalación de Julian Kennedy en uno alrededor de 1890. Una referencia temprana al uso de chaquetones de hogar refrigerados por agua es en 1882. En esta época, el enfriamiento de paredes laterales del hogar y bosh era la preocupación y el enfriamiento de chimenea no se consideraba necesario.

Fritz W. Lurman, conocido hombre de alto horno de la época, opinó en 1892 que "independientemente del uso de materiales llamados refractarios, el mejor medio para mantener las paredes del alto horno es con agua de enfriamiento". Enfriadores con agua circulante se instalan entre la carcasa del BF y el revestimiento refractario en la parte superior del horno para proteger estos componentes de radiación de calor. Además de tener sus propios enfriadores, la parte de la carcasa adyacente al hogar y el fondo del horno también se enfría en algunos hornos por fuera con pulverizadores de agua.

La función del sistema de enfriamiento de BF es enfriar la carcasa y prevenir sobrecalentamiento y quemadura posterior. El sistema remueve el exceso de calor generado en el BF que de otra forma cargaría la carcasa. Así previene el aumento de temperatura de la carcasa y revestimiento. Existen varios métodos para enfriamiento de la carcasa del BF. En épocas anteriores, cajas de enfriamiento de diferentes tamaño, número y diseño se usaban para transferir calor del horno a un medio de enfriamiento en conjunción con enfriamiento externo (pulverizado, doble carcasa). BF con barras de enfriamiento de hierro fundido operan desde mediados de 1900s. El enfriamiento por barras de hierro fundido fue originalmente un descubrimiento soviético de donde viajó inicialmente a India y Japón. Para los 1970s, las barras de enfriamiento de hierro fundido alcanzaron aceptación mundial. Desde la introducción de estos enfriadores, el trabajo de desarrollo de enfriamiento de BF se aceleró y hoy una amplia variedad de enfriadores están disponibles para el enfriamiento interno de la carcasa para adaptarse a condiciones extremas de estrés en un BF moderno grande de alto rendimiento.

Las mayores tasas de carga también desgastaban la garganta del horno más rápido. En 1872, armadura de hierro o acero se construyó en la mampostería de la garganta a un horno. Desde entonces, varios tipos de armadura se han usado en la zona de línea de carga.

Los primeros desarrollos importantes en tecnología de fabricación de ladrillos no ocurrieron hasta los 1900s. En 1917, se introdujo el primer ladrillo fabricado a máquina con su resultante aumento en densidad y resistencia. En 1935, ladrillos prensados al vacío mejoraron aún más la calidad. En 1939, ladrillo de alúmina super-refractario con hasta 60 % alúmina estuvo disponible por primera vez. En los 1930s, bloques de carbono se usaron en hogares de hornos alemanes. Hoy muchas variedades de refractarios de alúmina, carbono y carburo de silicio están disponibles para revestimiento de BF. Las mejoras en enfriamiento y revestimiento han aumentado las longitudes típicas de campaña de 2 años en los 1880s a más de 10 años en los 1990s. Hoy la vida de campaña de BF ha aumentado further a 20 años.

Otra área del BF que se vio forzada a cambiar con la producción aumentada fue la operación de colada. El frente abierto estilo tymp-presa ya no era adecuado. En 1867, el frente Lurman fue patentado para eliminar el tymp y la presa. Consistía en un panel de hierro fundido refrigerado por agua con aberturas separadas para remoción de hierro (todavía llamada tobera) y para remoción de escoria (conocida como muesca de escoria o cenizas). Este diseño cambió en los 1880s rotando la muesca de escoria 90° desde la tobera. Ambos paneles de tobera y muesca eran refrigerados por agua. Al separar estos dos puntos de vaciado líquido, había más espacio para preparar el horno para el número creciente de coladas requeridas a mayores tasas de producción. El área frente a la tobera estaba completamente disponible para camas de lechones mientras las fosas de escoria se movían al lado del horno (Fig. 5). Durante operación normal, la muesca de escoria se abría con una barra al acercarse el nivel de escoria líquida a las toberas. La escoria se vaciaba en fosas o vagones especiales. Cuando la muesca soplaba viento por la abertura, se cerraba con tapón manual. Al vaciar la escoria entre coladas de hierro, mayor volumen del hogar estaba disponible para hierro líquido, resultando en mayores tonelajes de colada. El proceso de colada de hierro en los 1880s no cambió mucho de operaciones anteriores pero las camas de lechones eran mayores y en 1909 se instaló un desescoriador para retirar la escoria flotante del hierro mientras fluía por el canal.

En 1896, la instalación de una máquina de colada de arrabio inventada por E.A. Uehling finalmente supuso la eliminación completa de la cama de lechones en la casa de colada. Luego se introdujeron cucharones abiertos revestidos de ladrillo. Estos transportaban unas 10–100 toneladas de metal caliente y requerían que el horno y casa de colada estuvieran elevados sobre el nivel del suelo para que los cucharones pudieran colocarse bajo el suelo. Aunque las camas de lechones se eliminaron, los canales y corredores permanecieron y se añadieron boquillas hacia los cucharones. En 1915, hubo primer uso de cucharones tipo torpedo. Estos cucharones montados en ferrocarril transportaban 90 toneladas pero aumentaron a 150 para 1925. Hoy, el diseño de cucharón es similar pero capacidades hasta 400 toneladas están disponibles. Cucharones abiertos montados en vagones siguen usándose hoy.

Antes de 1890, la tobera se abría con barra y mazo. Luego en 1890 se usó el primer taladro neumático. La tobera se tapaba manualmente con viento apagado hasta 1914 cuando H.A. Berg desarrolló la pistola de barro controlada remotamente que empujaba un tapón de arcilla al horno con viento encendido. En 1906, se usó la primera lanza de oxígeno para fundir skulls en la tobera. Los BF modernos han evolucionado para incluir taladros de tobera controlados remotamente, pistolas de barro hidráulicas, unidades de granulación de escoria en casa de colada y boquillas basculantes de hierro para alimentar un número ilimitado de cucharones. Los BF pueden tener de una a cuatro toberas y dos a seis fosas de escoria dependiendo de su tamaño. Eliminar el cuello de botella en la casa de colada permitió la primera operación de 1.000 ton/día en 1929 y llevó a niveles de producción de 12.000 ton/día en los 1990s.

Una línea paralela de actividades de mejora que evolucionó rápidamente a partir de finales de los 1800s fue la preparación de mineral de hierro. El mineral usado en fabricación de hierro consiste en muchas formas geológicas como hematita roja, hematita especular, magnetita, limonita, minerales fósiles, minerales de turbera y carbonatos. El contenido de hierro metálico varía desde aprox. 30 % en minerales de turbera a 72 % en algunas hematitas. Todos los minerales están mezclados con otros compuestos indeseables en la fundición. A partir de los 1700s, el mineral se tostaba con carbón en hoyos abiertos o hornos cerrados. El objetivo del tostado o calcinación era liberar todos los constituyentes volátiles, como agua, ácido carbónico o sustancias bituminosas, y ablandar y agrietar los minerales, haciéndolos más permeables a gases reductores. En los 1800s, se introdujo cribado de mineral para dimensionar más precisamente el mineral para mejor permeabilidad de gas dentro del horno. Al principio, equipos de cribado manual se usaban, pero para los 1870s, lavadoras de mineral accionadas por vapor consistían en uno o dos tambores perforados con agujeros o ranuras para que el material fino saliera con el agua de lavado mientras el mineral dimensionado y lavado final salía del interior del tambor a una carretilla o depósito.

Al aumentar la producción de hierro, los minerales más puros se agotaron en muchas áreas, por lo que minerales de menor grado tuvieron que minarse. Estos tenían impurezas indeseables y se requerían métodos para concentrarlos a porcentajes de hierro mayores. En 1880, Thomas A. Edison obtuvo patente para un separador electromagnético. Una planta de demostración se construyó en Michigan y produjo 893 toneladas de concentrado magnético en 1889.

Plantas piloto para pelletizar concentrados de taconita se construyeron en 1948. Para 1956, dos operaciones comerciales de minería y procesamiento de taconita producían pellets. La primera máquina de pellet de parrilla recta se hizo en 1956 y la primera de parrilla-horno se puso en operación en 1960. La tecnología de pelletización se extendió por el mundo desde EE. UU. El desarrollo más nuevo en pelletización fue la introducción de caliza cruda, dolomita u olivino en el pellet para mejorar sus propiedades metalúrgicas, lo que a su vez mejoraba la productividad y tasas de combustible del BF.

La aglomeración de mineral también tomó ruta separada de la pelletización antes en los 1900s. El proceso de sinterización se originó en la industria no ferrosa como proceso por lotes a finales del siglo XIX. Hasta los 1950s, la mayoría de sinter tenía ratio de basicidad menor que 1,0. Sin embargo, en los siguientes quince años, se dio cuenta que un sinter básico con ratio mayor que 1,0 traía una fuente de fundente pre-calcinado al BF, resultando en ahorro de tasa de combustible.

Una de las mejoras tecnológicas finales en fabricación de hierro en los últimos 100 años ha sido los inyectantes a nivel de tobera. El primer uso registrado de inyectante fue en 1871 cuando hubo un hogar enfriado en el horno de carbón Morgan. Como el soplado no podía entrar a las toberas por material enfriado, se perforó un agujero en la pared del horno sobre la salamandra y se instaló una tobera grande. Aceite de carbón se forzó bajo presión en la tobera desde un tubo desde la parte superior del horno. Seis días y siete barriles de aceite después, la salamandra se había fundido y el horno funcionaba suavemente. En la primera década de los 1900s, pruebas tempranas con inyección de oxígeno se hicieron en pequeño BF en Bélgica. La primera inyección a gran escala de oxígeno enriquecido se usó en 1951. Los beneficios de inyección de oxígeno puro son mayor producción de BF por mayor capacidad de quema de combustible y capacidad de usar más inyectantes de hidrocarburo a nivel de tobera. La evolución de inyectante de hidrocarburo ocurrió en los 1940s y 1950s. En 1944, William L. Pogue patentó el uso de inyección de carbón. Luego en 1953, se implementó inyección de gas natural. A principios de los 1960s, inyección de aceite y alquitrán a través de lanzas se desarrolló en numerosas empresas siderúrgicas tras probarse ahorros sustanciales de coque en un BF experimental en 1959. Para 1967, un gran número de BF usaban alguna forma de inyección de combustible (mayormente carbón pulverizado). Hoy, muchos BF usan inyectantes de combustible 40–45 % de la tasa de combustible. El inyectante final, que evolucionó concurrentemente con la inyección de combustible, fue la inyección de humedad. Históricamente, las temperaturas de soplado estaban limitadas ya que zonas de combustión excesivamente altas resultaban en mal descenso de carga. La inyección de humedad consumía coque más rápidamente que el aire solo y producía un gas más rico en monóxido de carbono e hidrógeno y menos denso. Estos factores mejoraban la tasa de transferencia de calor entre gases y sólidos y la tasa de reducción de la carga en la chimenea, resultando en horno de operación suave.

La combinación de inyección de humedad, inyección de combustible e inyección de oxígeno permitió el aumento de temperatura de soplado y el uso de todas estas variables a nivel de tobera mejoró aún más la productividad y redujo las tasas de combustible en BF modernos.

Evolución de la fabricación de hierro en BF como ciencia

Históricamente, la fabricación de hierro fue más un arte que una ciencia. Los primeros productores aprendían su oficio a través de años de entrenamiento de la generación anterior. Muchas mejoras se basaban en instinto o pura suerte. Sin embargo, a mediados del siglo XIX, la ciencia se colaba en los desarrollos de fundición de hierro.

Charles Schinz de Alemania, uno de los primeros investigadores de fenómenos químicos y físicos dentro de un BF, intentó hacer balances cuantitativos de masa y energía de operación de BF pero estaba severamente limitado por la falta de datos termodinámicos precisos. Realizó experimentos de laboratorio para determinar capacidad calorífica y calores de formación y fue aparentemente el primero en determinar la reducibilidad de mineral de hierro. Definió diferentes zonas del BF y las principales reacciones químicas en cada zona. Sus resultados se publicaron en 1868.

Varios principios reconocidos hoy fueron postulados por Sir Lothian Bell, a finales de los 1800s. Publicó un libro en 1872 reconocido como el primer libro de texto sobre fabricación de hierro en BF. En 1884, fue aparentemente el primero en documentar la función de los diferentes componentes de escoria y su efecto en temperatura de fusión. También observó que las escorias BF son estructuras complejas y hay un rango de composiciones que resulta en buenas propiedades fluidas y capacidad desulfurizante. Su contribución más importante fue su comprensión de reacciones químicas. Reconoció la importancia de CO y CO₂, y fue el primero en empezar a definir equilibrio en el sistema Fe-O-C. Además, Bell discutió precalentamiento y pre-reducción de minerales y la importancia de la chimenea del horno donde ocurrían estas reacciones. También hizo balances de carbono, oxígeno y nitrógeno de operaciones de BF y mostró que parte del carbono cargado se consumía en la chimenea por CO₂ en la reacción de "pérdida de solución".

Un contemporáneo de Bell fue M.L. Gruner, profesor de metalurgia en Francia, que expandió los métodos de Bell para determinar balances de calor de BF comparando muchas operaciones de horno diferentes. También creía que la tasa mínima de combustible para BF se lograría cuando se eliminara la pérdida de solución.

J.E. Johnson Jr. fue el primer científico americano en explorar el proceso BF y publicó dos libros sobre diseño y operación en los primeros 1900s. Aplicó la primera y segunda leyes de la termodinámica a la fabricación de hierro y explicó cómo la tasa de combustible era impactada por la temperatura de soplado. Postuló que había una temperatura crítica del horno above de la cual se requería una cantidad mínima de calor. Esta cantidad mínima la llamó "calor de hogar". En su libro de 1913, Johnson produjo un diagrama mostrando reacciones químicas e isotermas en el BF. La aplicación de los conceptos de temperatura crítica y calor de hogar convenció aún más a operadores de que el proceso BF era racional y predecible.

Durante 1920–1930, el flujo de sólidos y gases en el BF se estudió extensamente por un grupo llamado P.H. Royster, S.P. Kinney, C.C. Furnas y T.L. Joseph. Este grupo se interesó en fenómenos físicos y químicos en BF y para entenderlos sintieron necesario muestrear y sondear hornos en operación. Su trabajo empezó con un BF experimental pequeño y se extendió a hornos comerciales. Los resultados mostraron que el flujo de gases y sólidos no era uniforme en ningún plano horizontal en el BF y que mejorar el contacto gas-sólido en la chimenea podía aumentar significativamente la eficiencia. Furnas y Joseph continuaron este trabajo y determinaron que el tamaño y reducibilidad de materia prima era crítico en reacciones gas-sólido. Este trabajo importante llevó a la comprensión de distribución de carga y optimización del dimensionado de mineral de hierro según impacta tanto reducibilidad como permeabilidad.

En 1962, R. Stephenson explicó el papel de la pérdida de solución. Previamente, se pensaba que la producción de CO reaccionando con CO₂ y carbono era desperdicio de combustible. Stephenson señaló que la reducción de óxido de hierro es combinación de reducción indirecta y directa y que reducción indirecta seguida de pérdida de solución es reducción directa. Usando estas consideraciones para determinar tasas de carbono para todas las combinaciones de estas dos rutas de reducción como función de pérdida de solución, los resultados pueden trazarse en el "diagrama carbono-reducción directa". En los 1960s y principios de 1970s, las mejores aplicaciones de estas teorías BF se pusieron en práctica en Japón. Actualmente, las mejoras japonesas se han extendido en forma de BF grandes, altamente automatizados, a otros lugares.

La teoría y práctica de la tecnología de fundición de hierro han recorrido un largo camino en los últimos 4.000 años. La transición de hierro esponjoso producido en fraguas a hierro líquido en BF en los 1300s fue el primer paso mayor en avanzar la tecnología. Luego vino el cambio de hornos de soplado frío con carbón a hornos de soplado caliente con coque a mediados de los 1800s, que trajo la fabricación de hierro a la era moderna. La mejor comprensión de reacciones y equipos mejorados evolucionaron en la operación de "hard-driving" centrada en 1880s–1900s. Finalmente, la revolución en aplicaciones científicas a la fundición, la instalación de equipos más sofisticados, y la llegada de sistemas controlados electrónicamente ha acelerado la fabricación de hierro en BF al estado actual demostrado por la operación de BF de unas 12.000 ton/día con tasas de combustible menores a 460 kg/ton.