Puddling (metalurgia) - Puddling (metallurgy)
Puddling é uma etapa na fabricação de ferro de alta qualidade em um cadinho ou forno. Foi inventado na Grã-Bretanha durante a Revolução Industrial . O ferro-gusa fundido foi agitado em um forno reverberatório , em um ambiente oxidante, resultando em ferro forjado . Foi um dos processos mais importantes de fabricação dos primeiros volumes apreciáveis de barras de ferro valiosas e úteis (ferro forjado maleável) sem o uso de carvão vegetal. Eventualmente, o forno seria usado para fazer pequenas quantidades de aços especiais .
Embora não fosse o primeiro processo a ferro bar produzir sem carvão , puddling foi de longe o mais bem sucedido, e substituiu o anterior envasamento e carimbar processos, bem como o carvão muito mais velho elegância e Bloomery processos. Isso permitiu uma grande expansão da produção de ferro na Grã-Bretanha e, logo depois, na América do Norte. Essa expansão constitui o início da Revolução Industrial no que diz respeito à indústria do ferro. A maioria das aplicações de ferro forjado do século 19, incluindo a Torre Eiffel , pontes e a estrutura original da Estátua da Liberdade , usava ferro em poças.
Mais tarde, os fornos também foram usados para produzir um aço carbono de boa qualidade . Esta era uma arte altamente qualificada, e tanto aços de alto carbono quanto aços de baixo carbono foram produzidos com sucesso em pequena escala, particularmente para a tecnologia de porta de entrada de aço para ferramentas , bem como espadas , facas e outras armas de alta qualidade .
História
O refino de aço por meio de poças de metal já era conhecido na China antiga durante a Dinastia Han, no século I dC. O avanço nos processos de fabricação de aço melhorou a qualidade geral do aço por meio do forjamento, dobra e empilhamento repetidos de ferro forjado a partir de ferro-gusa para fazer espadas.
A poça moderna foi um dos vários processos desenvolvidos na segunda metade do século 18 na Grã-Bretanha para a produção de ferro em barra a partir do ferro - gusa sem o uso de carvão vegetal. Ele gradualmente substituiu o processo anterior movido a carvão, conduzido em uma forja de qualidade .
A necessidade de poças
O ferro-gusa contém muito carbono livre e é quebradiço. Antes de poder ser usado, e antes de ser trabalhado por um ferreiro , ele deve ser convertido para uma forma mais maleável como o ferro em barra, o estágio inicial do ferro forjado .
O uso bem-sucedido de coque de Abraham Darby em seu alto-forno em Coalbrookdale em 1709 reduziu o preço do ferro, mas esse ferro-gusa alimentado com coque não foi aceito inicialmente, pois não poderia ser convertido em ferro em barra pelos métodos existentes. As impurezas de enxofre do coque o tornavam " aquecido " ou quebradiço quando aquecido e, portanto, o processo de acabamento era impraticável para ele. Foi só por volta de 1750, quando o sopro movido a vapor aumentou as temperaturas do forno o suficiente para permitir a adição de cal suficiente para remover o enxofre, que o ferro-gusa do coque começou a ser adotado. Além disso, processos melhores foram desenvolvidos para refiná-lo.
Invenção
Abraham Darby II , filho do inovador do alto-forno, conseguiu converter o ferro-gusa em ferro em barra em 1749, mas não se conhece detalhes de seu processo. Os irmãos Cranage , também trabalhando ao longo do rio Severn , conseguiram isso experimentalmente usando uma fornalha reverbatória a carvão , na qual o ferro e o carvão sulfuroso podiam ser mantidos separados. Eles foram os primeiros a levantar a hipótese de que o ferro poderia ser convertido de ferro-gusa em ferro em barra apenas pela ação do calor. Embora não estivessem cientes dos efeitos necessários do oxigênio fornecido pelo ar, pelo menos abandonaram o equívoco anterior de que a mistura com os materiais do combustível era necessária. Seus experimentos foram bem-sucedidos e eles obtiveram a patente Nº851 em 1766, mas nenhuma adoção comercial parece ter sido feita de seu processo.
Em 1783, Peter Onions em Dowlais construiu uma fornalha reverbatória maior. Ele começou uma poça comercial de sucesso com isso e foi concedida a patente Nº1370.
O forno de poça foi aprimorado por Henry Cort em Fontley em Hampshire em 1783-84 e patenteado em 1784. Cort adicionou amortecedores à chaminé, evitando parte do risco de superaquecimento e "queima" do ferro. O processo de Cort consistia em agitar o ferro-gusa fundido em um forno reverberatório em uma atmosfera oxidante, descarburizando-o. Quando o ferro "veio à natureza", ou seja, à consistência pastosa, foi reunido em uma poça, cascalho e enrolado (conforme descrito a seguir). Esta aplicação de rolos ranhurados ao laminador , para laminar barras estreitas, também foi invenção de Cort. Cort teve sucesso em licenciar esse processo e receber receitas dele, até mesmo de siderúrgicas como Cyfarthfa , onde o processo anterior havia sido inventado por seus vizinhos em Dowlais. Cort é agora geralmente considerado o "inventor" da poça.
Noventa anos após a invenção de Cort, um jornal trabalhista americano relembrou as vantagens de seu sistema:
"Quando o ferro é simplesmente derretido e executado em qualquer molde, sua textura é granular e é tão frágil que não é confiável para qualquer uso que exija muita resistência à tração. , e teve o efeito de alterar seu arranjo anotômico de modo a tornar o processo de rolagem mais eficaz. "
O processo de Cort (conforme patenteado) funcionava apenas para ferro fundido branco , não para ferro fundido cinzento , que era a matéria-prima usual para forjas da época. Este problema foi resolvido provavelmente em Merthyr Tydfil combinando poças com um elemento de um processo um pouco anterior. Isso envolvia outro tipo de lareira conhecido como 'refinaria' ou 'fogo esgotando'. O ferro-gusa foi derretido e escoado para uma calha. A escória se separou e flutuou no ferro fundido, sendo removida baixando uma barragem no final da calha. O efeito desse processo era dessiliconizar o metal, deixando um metal branco e quebradiço, conhecido como 'metal mais fino'. Este era o material ideal para carregar na fornalha de poças. Essa versão do processo era conhecida como "poça seca" e continuou em uso em alguns lugares até 1890.
A alternativa para refinar o ferro cinzento era conhecida como 'poça úmida', também conhecida como 'fervura' ou 'fervura de porco'. Isso foi inventado por um puddler chamado Joseph Hall em Tipton . Ele começou a adicionar sucata à carga. Mais tarde, ele tentou adicionar escala de ferro (na verdade, ferrugem ). O resultado foi espetacular, pois a fornalha ferveu violentamente. Esta foi uma reação química entre o ferro oxidado na incrustação e o carbono dissolvido no ferro-gusa. Para sua surpresa, a bola de poça resultante produziu ferro de boa qualidade.
Um grande problema com a poça era que quase 50% do ferro era retirado com a escória porque a areia era usada para o leito. Hall substituiu o leito de cinzas de torneira torradas, o que reduziu esse desperdício para 8%, caindo para 5% no final do século.
Hall posteriormente se tornou um parceiro no estabelecimento da Bloomfield Iron Works em Tipton em 1830, a empresa se tornando Bradley, Barrows and Hall a partir de 1834. Esta é a versão do processo mais comumente usada em meados do século XIX. A poça úmida tinha a vantagem de ser muito mais eficiente do que a poça seca (ou qualquer processo anterior). O melhor rendimento de ferro que pode ser obtido da poça seca é uma tonelada de ferro de 1,3 toneladas de ferro-gusa (um rendimento de 77%), mas o rendimento da poça úmida foi de quase 100%.
A produção de aço macio no forno de poça foi realizada por volta de 1850 na Westfália , Alemanha, e foi patenteada na Grã-Bretanha em nome de Lohage, Bremme e Lehrkind. Funcionava apenas com ferro-gusa feito de certos tipos de minério. O ferro fundido precisava ser derretido rapidamente e a escória rica em manganês . Quando o metal veio para a natureza, ele teve que ser removido rapidamente e shingled antes que ocorresse nova carburação . O processo foi retomado na Low Moor Ironworks em Bradford em Yorkshire ( Inglaterra ) em 1851 e no vale do Loire , na França, em 1855. Foi amplamente utilizado.
O processo de poça começou a ser deslocado com a introdução do processo Bessemer , que produzia o aço. Isso poderia ser convertido em ferro forjado usando o processo Aston por uma fração do custo e do tempo. Para comparação, uma carga de tamanho médio para um forno de poça era 800–900 lb (360–410 kg), enquanto a carga do conversor Bessemer era de 15 toneladas curtas (13.600 kg). O processo de poça não pôde ser ampliado, sendo limitado pela quantidade que a poça poderia suportar. Ele só poderia ser expandido com a construção de mais fornos.
Processo
O processo começa com a preparação da fornalha de poça. Isso envolve levar o forno a uma temperatura baixa e, em seguida, enchê- lo. Fettling é o processo de pintar a grade e as paredes ao redor com óxidos de ferro, normalmente hematita ; isso atua como uma camada protetora evitando que o metal derretido queime através do forno. Às vezes, cinzas finamente trituradas eram usadas em vez de hematita. Neste caso, o forno deve ser aquecido por 4–5 horas para derreter a cinza e então resfriado antes de carregar.
O ferro fundido branco ou o ferro refinado são então colocados na fornalha, um processo conhecido como carregamento . Para poças úmidas, sucata de ferro e / ou óxido de ferro também é cobrado. Essa mistura é então aquecida até o topo derreter, permitindo que os óxidos comecem a se misturar; isso geralmente leva 30 minutos. Essa mistura é submetida a uma forte corrente de ar e agitada por longas barras com ganchos em uma das extremidades, chamadas de barras de poça ou ralé , através das portas da fornalha. Isso ajuda o oxigênio dos óxidos a reagir com impurezas no ferro-gusa, principalmente silício , manganês (para formar escória) e, em certo grau, enxofre e fósforo , que formam gases que escapam com a exaustão da fornalha.
Mais combustível é então adicionado e a temperatura elevada. O ferro derrete completamente e o carbono começa a queimar. Ao formar uma poça úmida, a formação de dióxido de carbono devido às reações com o óxido de ferro adicionado causará a formação de bolhas que farão com que a massa pareça ferver. Este processo faz com que a escória cresça no topo, dando ao riscador uma indicação visual do progresso da combustão. À medida que o carbono é queimado, a temperatura de fusão da mistura sobe de 1.150 a 1.540 ° C (2.100 a 2.800 ° F), portanto, o forno deve ser alimentado continuamente durante este processo. O ponto de fusão aumenta, pois os átomos de carbono dentro da mistura agem como um soluto na solução, o que diminui o ponto de fusão da mistura de ferro (como o sal da estrada no gelo).
Trabalhando como uma equipe de dois homens, um poça e ajudante poderia produzir cerca de 1.500 kg de ferro em um turno de 12 horas. O trabalho extenuante, o calor e a fumaça fizeram com que os puddlers tivessem uma expectativa de vida muito curta, com a maioria morrendo na casa dos 30 anos. Puddling nunca foi capaz de ser automatizado porque o puddler tinha que sentir quando as bolas tinham "vindo para a natureza".
Fornalha de poça
O forno de poça é uma tecnologia de fabricação de metal usada para criar ferro forjado ou aço a partir do ferro-gusa produzido em um alto-forno . A fornalha é construída para puxar o ar quente sobre o ferro sem que o combustível entre em contato direto com o ferro, um sistema geralmente conhecido como forno reverberatório ou forno de lareira aberta . A principal vantagem desse sistema é manter as impurezas do combustível separadas da carga.
A lareira é onde o ferro é carregado, derretido e amassado. A forma da lareira é geralmente elíptica; 1,5–1,8 m (4,9–5,9 pés) de comprimento e 1–1,2 m (3,3–3,9 pés) de largura. Se a fornalha for projetada para formar uma poça de ferro branco, a profundidade da lareira nunca será superior a 50 cm (20 pol.). Se a fornalha for projetada para ferver ferro cinzento, a profundidade média da lareira é de 50–75 cm (20–30 pol.). Devido ao grande calor necessário para derreter a carga, a grelha teve que ser resfriada, para que não derretesse com a carga. Isso foi feito passando um fluxo constante de ar frio sobre ele ou jogando água no fundo da grelha.
A lareira, onde é queimado o combustível, utilizava uma grelha de ferro fundido que variava de tamanho consoante o combustível utilizado. Se o carvão betuminoso for usado, o tamanho médio da grelha é 60 cm × 90 cm (2,0 pés × 3,0 pés) e é carregado com 25–30 cm (9,8–11,8 pol.) De carvão. Se o carvão antracítico for usado, a grelha terá 1,5 m × 1,2 m (4,9 pés × 3,9 pés) e será carregada com 50–75 cm (20–30 pol.) De carvão.
Uma fornalha de poça dupla é semelhante a uma fornalha de poça simples, com a principal diferença sendo que há duas portas de trabalho permitindo que duas poças operem a fornalha ao mesmo tempo. A maior vantagem dessa configuração é que ela produz o dobro de ferro forjado. Também é mais econômico e eficiente em termos de combustível em comparação com um único forno.
Veja também
Notas de rodapé
Leitura adicional
- Schubert, HR (1958). Extração e Produção de Metais: Ferro e Aço . Uma História da Tecnologia. IV: A Revolução Industrial. Imprensa da Universidade de Oxford.
- WKV Gale, Iron and Steel (Longmans, Londres 1969), 55ff.
- WKV Gale, The British Iron and Steel Industry: a technical history (David & Charles, Newton Abbot 1967), 62-66.
- Landes, David. S. (1969). The Unbound Prometheus: Mudança tecnológica e desenvolvimento industrial na Europa Ocidental de 1750 até o presente . Cambridge, New York: Press Syndicate da Universidade de Cambridge. ISBN 0-521-09418-6.
- RA Mott, 'Dry and Wet Puddling' Trans. Newcomen Soc. 49 (1977–78), 153–58.
- RA Mott (ed. P. Singer), Henry Cort: the great finer (The Metals Society, Londres 1983).
- K. Barraclough, Steelmaking: 1850–1900 (Institute of Materials, London 1990), 27–35.
- Overman, Fredrick (1854). A Fabricação do Ferro, em todos os seus ramos . Filadélfia: HC Baird. pp. 259 -302.
- Artigo de Paul Belford sobre N. Hingley & Sons Ltd
- The Iron Puddler: My Life in the Rolling Mills and the Result of it . por James J. Davis . Nova York: Grosset e Dunlap, 1922. (texto fantasma de CL Edson)