Ha cambiado el mundo del ferrocarril y de los rascacielos

El acero Bessemer cumple 160 años

Pascual Bolufer, miembro de la Asociación Española de Comunicación Científica23/03/2016

Henry Bessemer fue un hombre prolífico en la Inglaterra del siglo XIX, estimulado por la guerra de Crimea, que necesitaba cañones más potentes. Convertir el hierro fundido en acero muy resistente era un trabajo lento y caro. Pero Bessemer encontró la solución: fabricar acero rápido y económico.

Como preámbulo recordemos brevemente los problemas actuales de la industria del acero. El hierro es una aleación de Fe con algo de carbono (6%?). Para convertirlo en acero de máxima calidad, el carbono debe disminuir hasta 0,08%, menos del 1%. Una larga experiencia con acero justifica esta cifra actual. El hierro puro, sin carbono tiene pocas aplicaciones: un metal azulado, dúctil y maleable, buen conductor de la electricidad, se puede imanar con facilidad.

El acero no es un metal, sino una mezcla de cementita y ferrita. El acero visto al microscopio permite observar las capas de cementita y ferrita. La cementita es carburo de hierro alfa, con 6,67% de carbono. El resto es hierro alfa. Su dureza es de 960 Vickers.Es el componente más duro y frágil del hierro.

La ferrita es un compuesto de carbono y hierro alfa. Su dureza es solo 95 vickers.

Para fabricar el acero se funden las menas de hierro, tratadas con coque como combustible y caliza como fundente. Es una reducción del mineral de hierro: Fe₂O₃+3CO: 3CO₂ + 2Fe (el arrabio).

Micrografía de microscopio explorador de acero con algo de carbono, con capas alternadas de cementita y ferrita. Las capas blancas son de cristales de austenita.Un acero que se usa para fabricar herramientas de corte.

El arrabio es un producto intermedio para lograr el acero. El arrabio tiene demasiado carbono y hay que disminuir hasta lograr el 0,08% del carbono. Para ello se insufla aire en el arrabio fundido, con ello se produce CO₂, y a su vez disminuye el porcentaje de carbono en el acero. Es el ‘Procedimiento Bessemer’ que patentó en 1855. Un año más tarde, en 1856, comenzó su actividad Henry Bessemer and Company. Hace 160 años.

El arrabio tiene un alto contenido de Carbono, entre 3,5 y 4,5%, que daría un acero frágil. Bessemer intentó fabricar cañones para la Guerra de Crimea con arrabio, y a veces el cañón explotaba, no podía resistir la explosión interna del cartucho-proyectil.

El arrabio que se produce hoy en los altos hornos de palastro tiene 3-4% de carbono. Inaceptable para fabricar acero. Se soluciona insuflando en el alto horno aire a una temperatura de 550-900 °C con producción de CO₂, que rebaja el porcentaje de CO₂ en el arrabio, ahora ya acero. El procesador del arrabio es el Convertidor Thomas-Bessemer, un horno giratorio en forma de retorta, revestido interiormente de ladrillos refractarios, que lanza aire caliente sobre la mezcla hierro-carbono.. El convertidor tiene una altura de 30 metros. A su alrededor los moldes de colada y lingoteras reciben el acero fundido.

El convertidor Bessemer procesa hasta 10 toneladas de arrabio. Hay además pequeños convertidores que insuflando aire fabrican aceros de calidad.

Mejorar el porcentaje de carbono

Con su método, y gracias a la guerra de Crimea y la venta de cañones, Bessemer se hizo rico pero continuó mejorando su secreto, el porcentaje de carbono, cómo insuflar aire caliente y el espesor de las capas de cementita y ferrita. Bessemer, en sus experimentos, tuvo que sufrir una explosión al inyectar aire, una explosión que le resultó útil. Añadir manganeso mejoró el forjado del acero. Al cesar la guerra de Crimea disminuyó la venta de cañones, pero Bessemer continuó su consigna —‘Onward ever’—y ofreció el nuevo acero a ferrocarriles, el mercado del futuro próximo. Los raíles de acero se podían usar durante 18 años. En 1860 los ferrocarriles de EE UU tenían una extensión de más de 30.000 millas, y podrían dar una vuelta al ecuador terrestre. El acero que consumían era Bessemer en un 80%.

Viajar de New York a Washington en coche de caballos costaba 5 días, pero en ferrocarril era solo un día, y así el mundo se hizo más pequeño.

Henry Bessemer 1813-1898. Utilizó 129 patentes. Además de producir acero, usó patentes para extraer azúcar de la caña de azúcar.

La cementita es rica en carbono y muy resistente, pero es frágil. La ferrita tiene 2% de carbono, pero es maleable, flexible. Las dos capas se complementan mutuamente en resistencia y maleabilidad. Normalmente en un metal si aumenta la resistencia disminuye la maleabilidad.

Pero en el acero existen esas dos propiedades que multiplican las aplicaciones industriales del acero, desde los ferrocarriles y rascacielos hasta automóviles y envases: sus dos capas alternadas de cementita y ferrita. Demasiado poco carbono, menos del 0,8%, hace blando al acero. Tiene demasiados filamentos y restos de otros materiales como el silicio, fósforo y azufre que disminuyen la resistencia. En tiempos de Bessemer los hornos de la época no podían mantener elevadas temperaturas un tiempo prolongado, la metalurgia estaba en su infancia.

Demasiado carbono, más del 2% hace al acero frágil y el cañón explota al disparar el cartucho del proyectil. Hay que saber mezclar el carbono con el hierro fundido.

El mundo ahora se ha hecho más vertical, porque las casas de piedra no toleraban más de 10 pisos, pero el ascensor y el acero permitió el rascacielos, que se convirtió en centro comercial.

Bessemer no pudo imaginar que hoy día los ingenieros están perfeccionando el acero para lograr automóviles de menor peso, más eficientes en consumo de combustible. La tecnología y la sociedad evolucionan juntas. Bessemer fue el creador del cambio.

‘The Illustrated London News’, en 1850, nos muestra la llegada del tren correo en los días de Navidad con muchos regalos. Los railes de acero del tren relacionaron a muchas personas antes separadas.

Acero al manganeso

Es lo último. La mejora del acero no se puede parar, según Henry Bessemer. La adición al hierro de manganeso forma la austenita. Es acero con 1,2% de carbono. Como máximo hay 15% de manganeso en el acero. Pero hay también austenitas con bajo contenido de carbono: 0,7%. La austenita combina alta dureza y ductibilidad con alta resistencia al impacto. Su dureza alcanza hasta 900 Brinell. Después de la fundición, el acero es enfriado para alcanzar la estructura cristalina de la austenita. Es difícil de mecanizar. El enfriamiento rápido produce el microconstituyente martensita. Si es tetragonal, el cristal de martensita está centrado en el cubo..

A la austenita también llamamos hierro gamma. Es una forma cristalina de ordenamiento de átomos de hierro y carbono. Es una disolución sólida de hierro y carbono, la austenita es tenaz. Es la forma cúbica centrada en las caras del hierro, resistente al desgaste metal sobre metal. La austenita recibe el nombre de William Austen, que murió en Londres en 1902. Es un acero con muchas aplicaciones: dientes de pala, vehículos blindados, etc. El acero de manganeso austenítico se emplea en la fabricación de trenes.

Referencias

Jeans, W. 1884. ‘The creator of the age of Steel’. London Chapman and Hold.

Bessemer, H. ‘Sir Henry Bessemer, FRS, An autobiography’. London offices Bishop 1905.

Bishop, P. 1959. ‘The beginnings of cheap steel’. Washington D.C. Smithsonian Institution.