Forno alto - Blast furnace

Antigo alto-forno no Porto de Sagunt, Valência, Espanha.

Um alto-forno é um tipo de forno metalúrgico usado na fundição para produzir metais industriais, geralmente ferro-gusa , mas também outros como chumbo ou cobre . Explosão refere-se ao ar de combustão sendo "forçado" ou fornecido acima da pressão atmosférica.

Em um alto-forno, combustível ( coque ), minérios e fluxo ( calcário ) são fornecidos continuamente através do topo do forno, enquanto uma rajada de ar quente (às vezes com enriquecimento de oxigênio ) é soprado na seção inferior do forno através de um série de tubos chamados tuyeres , para que as reações químicas ocorram em todo o forno à medida que o material cai. Os produtos finais são geralmente metal fundido e fases de escória extraídas da parte inferior e gases residuais (gases de combustão ) saindo da parte superior do forno. O fluxo descendente do minério junto com o fluxo em contato com um fluxo ascendente de gases de combustão quentes ricos em monóxido de carbono é um processo de troca de contracorrente e reação química.

Em contraste, os fornos de ar (como os fornos reverberatórios ) são aspirados naturalmente, geralmente pela convecção de gases quentes em uma chaminé . De acordo com essa definição ampla, os prédios de ferro, as casas de sopro para estanho e os moinhos de fundição para chumbo seriam classificados como altos-fornos. No entanto, o termo geralmente tem sido limitado àqueles usados ​​para fundir minério de ferro para produzir ferro-gusa , um material intermediário usado na produção de ferro e aço comercial , e os fornos de cuba usados ​​em combinação com plantas de sinterização na fundição de metais básicos .

Estima-se que os altos-fornos tenham sido responsáveis ​​por mais de 4% das emissões globais de gases de efeito estufa entre 1900 e 2015, mas são difíceis de descarbonizar.

Engenharia de processo e química

Altos-fornos da Třinec Iron and Steel Works , República Tcheca
Alto-forno de ferro com queima de carvão em Ohio, 1923

Os altos-fornos operam sobre o princípio de redução química no qual o monóxido de carbono converte os óxidos de ferro a ferro elementar. Os altos-fornos diferem dos bloomeries e dos fornos reverberatórios porque, em um alto-forno, o gás de combustão está em contato direto com o minério e o ferro, permitindo que o monóxido de carbono se difunda no minério e reduza o óxido de ferro. O alto-forno opera como um processo de troca em contracorrente , ao passo que uma florada não. Outra diferença é que bloomeries operar como um processo em lotes enquanto que altos-fornos operar continuamente durante longos períodos. A operação contínua também é preferida porque os altos-fornos são difíceis de iniciar e parar. Além disso, o carbono do ferro-gusa reduz o ponto de fusão abaixo do do aço ou do ferro puro; em contraste, o ferro não derrete em uma floricultura.

De sílica tem de ser removido a partir da ferro-gusa. Reage com o óxido de cálcio (calcário queimado) e forma silicatos, que flutuam na superfície do ferro-gusa fundido como "escória". Historicamente, para evitar a contaminação por enxofre, o ferro de melhor qualidade era produzido com carvão vegetal.

A coluna descendente de minério, fluxo, coque ou carvão e produtos de reação deve ser suficientemente porosa para que o gás de combustão passe. Para garantir essa permeabilidade, o tamanho das partículas do coque ou carvão vegetal é de grande relevância. Portanto, o coque deve ser forte o suficiente para não ser esmagado pelo peso do material acima dele. Além da força física de suas partículas, o coque também deve ter baixo teor de enxofre, fósforo e cinzas.

A principal reação química que produz o ferro fundido é:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2

Esta reação pode ser dividida em várias etapas, sendo a primeira que o ar pré-aquecido soprado no forno reage com o carbono na forma de coque para produzir monóxido de carbono e calor:

2 C (s) + O 2 (g) → 2 CO (g)

O monóxido de carbono quente é o agente redutor do minério de ferro e reage com o óxido de ferro para produzir ferro fundido e dióxido de carbono . Dependendo da temperatura nas diferentes partes do forno (mais quente na parte inferior), o ferro é reduzido em várias etapas. Na parte superior, onde a temperatura geralmente se situa na gama entre 200 ° C e 700 ° C, o óxido de ferro está parcialmente reduzido a ferro (II, III) óxido, Fe 3 O 4 .

3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g)

Em temperaturas em torno de 850 ° C, mais abaixo na fornalha, o ferro (II, III) é reduzido ainda mais a óxido de ferro (II):

Fe 3 O 4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO 2 (g)

O dióxido de carbono quente, o monóxido de carbono não reagido e o nitrogênio do ar passam pelo forno à medida que o material de alimentação fresco desce para a zona de reação. À medida que o material desce, os gases contra-corrente pré-aquecem a carga de alimentação e decompõem o calcário em óxido de cálcio e dióxido de carbono:

CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)

O óxido de cálcio formado pela decomposição reage com várias impurezas ácidas no ferro (principalmente sílica ), para formar uma escória faialítica que é essencialmente silicato de cálcio , Ca Si O
3
:

SiO 2 + CaO → CaSiO 3

À medida que o óxido de ferro (II) desce para a área com temperaturas mais altas, variando até 1200 ° C graus, ele é reduzido ainda mais para metal de ferro:

FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO 2 (g)

O dióxido de carbono formado neste processo é reduzido a monóxido de carbono pelo coque :

C (s) + CO 2 (g) → 2 CO (g)

O equilíbrio dependente da temperatura que controla a atmosfera de gás no forno é chamado de reação de Boudouard :

2CO ⇌ CO 2 + C

O " ferro-gusa " produzido pelo alto-forno tem um teor de carbono relativamente alto de cerca de 4-5% e geralmente contém muito enxofre, o que o torna muito quebradiço e de uso comercial imediato limitado. Algum ferro-gusa é usado para fazer ferro fundido . A maior parte do ferro-gusa produzido em altos-fornos passa por processamento adicional para reduzir o teor de carbono e enxofre e produzir vários tipos de aço usados ​​em materiais de construção, automóveis, navios e maquinários. A dessulfuração geralmente ocorre durante o transporte do aço líquido para a aciaria. Isso é feito pela adição de óxido de cálcio , que reage com o sulfeto de ferro contido no ferro-gusa para formar sulfeto de cálcio (denominado dessulfurização de cal ). Em uma etapa posterior do processo, a chamada fabricação de aço com oxigênio básico , o carbono é oxidado ao soprar oxigênio sobre o ferro-gusa líquido para formar aço bruto .

Embora a eficiência dos altos-fornos esteja em constante evolução, o processo químico dentro do alto-forno permanece o mesmo. Uma das maiores desvantagens dos altos-fornos é a produção inevitável de dióxido de carbono, já que o ferro é reduzido dos óxidos de ferro pelo carbono e, a partir de 2016, não há substituto econômico - a siderurgia é um dos maiores contribuintes industriais das emissões de CO 2 no mundo (ver gases de efeito estufa ). Diversas alternativas estão sendo investigadas, como resíduos de plástico, biomassa ou hidrogênio como agente redutor, que podem reduzir substancialmente as emissões de carbono.

O desafio colocado pelas emissões de gases de efeito estufa do alto-forno está sendo abordado em um Programa Europeu em andamento denominado ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking ). Várias novas rotas de processo foram propostas e investigadas em profundidade para cortar emissões específicas ( CO
2
por tonelada de aço) em pelo menos 50%. Alguns contam com a captura e armazenamento adicional (CCS) de CO
2
, enquanto outros optam pela descarbonização da produção de ferro e aço, voltando-se para hidrogênio, eletricidade e biomassa. Em um prazo mais curto, uma tecnologia que incorpora CCS no próprio processo de alto-forno e é chamada de Alto-forno de reciclagem de gás de topo está em desenvolvimento, com um aumento de escala para um alto-forno de tamanho comercial em andamento.

Aplicações modernas do alto-forno

Alto-fornos de ferro

O alto-forno continua sendo uma parte importante da produção moderna de ferro. Os fornos modernos são altamente eficientes, incluindo fogões de Cowper para pré-aquecer o ar de sopro e empregar sistemas de recuperação para extrair o calor dos gases quentes que saem do forno. A competição na indústria leva a taxas de produção mais altas. O maior alto-forno no mundo é na Coreia do Sul, com um volume de cerca de 6.000 m 3 (210.000 cu ft). Ela pode produzir cerca de 5.650.000 toneladas métricas (5.560.000 LT) de ferro por ano.

Este é um grande aumento em relação aos fornos típicos do século 18, que tinham em média cerca de 360 ​​toneladas (350 toneladas longas; 400 toneladas curtas) por ano. Variações do alto-forno, como o alto-forno elétrico sueco, foram desenvolvidas em países que não possuem recursos naturais de carvão.

De acordo com o Global Energy Monitor, o alto-forno provavelmente se tornará obsoleto para atender aos objetivos das mudanças climáticas de redução da emissão de dióxido de carbono, mas a BHP discorda. É provável que um processo alternativo envolvendo redução direta de ferro venha a sucedê-lo, mas também é necessário usar um alto-forno para fundir o ferro e remover a ganga (impurezas), a menos que o minério seja de muito alta qualidade.

Alto-forno de oxigênio

Este tipo pode ser o mais adequado para uso com CCS.

Alto-fornos de chumbo

Atualmente, os altos-fornos raramente são usados ​​na fundição de cobre, mas os modernos altos-fornos para fundição de chumbo são muito mais curtos do que os altos-fornos de ferro e têm formato retangular. A altura total do eixo é de cerca de 5 a 6 m. Os modernos altos-fornos de chumbo são construídos com aço resfriado a água ou revestimentos de cobre para as paredes e não possuem revestimento refratário nas paredes laterais. A base do forno é uma soleira de material refratário (tijolos ou refratário fundível). Os altos-fornos de chumbo geralmente têm a parte superior aberta, em vez de terem a campânula de carga usada nos altos-fornos de ferro.

O alto-forno usado na fundição de chumbo Nyrstar Port Pirie difere da maioria dos outros altos-fornos de chumbo por ter uma fileira dupla de ventaneiras, em vez da fileira única normalmente usada. O eixo inferior do forno tem uma forma de cadeira com a parte inferior do eixo sendo mais estreita do que a superior. A fileira inferior de ventaneiras sendo localizada na parte estreita do poço. Isso permite que a parte superior do eixo seja mais larga do que o padrão.

Alto-fornos de zinco (fornos de fundição imperiais)

Os altos-fornos usados ​​no Imperial Smelting Process ("ISP") foram desenvolvidos a partir do alto-forno de chumbo padrão, mas são totalmente vedados. Isso ocorre porque o zinco produzido por esses fornos é recuperado como metal da fase de vapor, e a presença de oxigênio no gás residual resultaria na formação de óxido de zinco.

Os altos-fornos usados ​​no ISP têm uma operação mais intensa do que os altos-fornos de chumbo padrão, com maiores taxas de sopro de ar por m 2 de área de soleira e um maior consumo de coque.

A produção de zinco com o ISP é mais cara do que com plantas de zinco eletrolítico , portanto, várias fundições que operam esta tecnologia fecharam nos últimos anos. No entanto, os fornos ISP têm a vantagem de poder tratar concentrados de zinco contendo níveis mais altos de chumbo do que as fábricas de zinco eletrolítico.

Fabricação de lã de rocha

A lã de rocha ou lã de rocha é um mineral fiado de fibra utilizado como um isolamento do produto e em hidroponia . É fabricado em alto-forno alimentado com rocha de diabásio que contém baixíssimos teores de óxidos metálicos. A escória resultante é retirada e centrifugada para formar o produto de lã de rocha. Quantidades muito pequenas de metais também são produzidos que são um indesejado subproduto .

Processo de ferro moderno

Alto-forno colocado em uma instalação
  1. Minério de ferro + sinterização de calcário
  2. Coca
  3. Elevador
  4. Entrada de matéria-prima
  5. Camada de coca
  6. Camada de pelotas de sinterização de minério e calcário
  7. Explosão quente (cerca de 1200 ° C)
  8. Remoção de escória
  9. Derivação de ferro-gusa fundido
  10. Pote de escória
  11. Carro torpedo para ferro gusa
  12. Ciclone de poeira para separação de partículas sólidas
  13. Fogões Cowper para explosão de calor
  14. Chaminé
  15. Alimentação de ar para fogões Cowper (pré-aquecedores de ar)
  16. Carvão em pó
  17. forno de coque
  18. Coca
  19. Downcomer de gás de alto-forno
Diagrama de alto-forno
  1. Explosão quente dos fogões Cowper
  2. Zona de fusão ( bosh )
  3. Zona de redução de óxido ferroso ( barril )
  4. Zona de redução de óxido férrico ( pilha )
  5. Zona de pré-aquecimento ( garganta )
  6. Alimentação de minério, calcário e coque
  7. Gases de escape
  8. Coluna de minério, coque e calcário
  9. Remoção de escória
  10. Derivação de ferro-gusa fundido
  11. Coleta de gases residuais

Os fornos modernos são equipados com uma série de instalações de apoio para aumentar a eficiência, como pátios de armazenamento de minério onde as barcaças são descarregadas. As matérias-primas são transferidas para o complexo do armazém por pontes de minério, ou tremonhas e vagões de transferência de minério . Vagões de balança montados em trilhos ou funis controlados por computador pesam as várias matérias-primas para produzir o metal quente desejado e a química da escória. As matérias-primas são trazidos para o início do alto forno por meio de um salto carro alimentado por guinchos ou correias transportadoras.

Existem diferentes maneiras pelas quais as matérias-primas são carregadas no alto-forno. Alguns altos-fornos usam um sistema de "sino duplo", onde dois "sinos" são usados ​​para controlar a entrada da matéria-prima no alto-forno. O objetivo dos dois sinos é minimizar a perda de gases quentes no alto-forno. Primeiro, as matérias-primas são esvaziadas no sino superior ou pequeno, que então se abre para esvaziar a carga no grande sino. O pequeno sino então fecha, para selar o alto-forno, enquanto o grande sino gira para fornecer distribuição específica de materiais antes de dispensar a carga no alto-forno. Um projeto mais recente é usar um sistema "sem sino". Esses sistemas utilizam tremonhas múltiplas para conter cada matéria-prima, que é então descarregada no alto-forno por meio de válvulas. Essas válvulas são mais precisas no controle de quanto de cada constituinte é adicionado, em comparação com o sistema de salto ou transportador, aumentando assim a eficiência do forno. Alguns desses sistemas sem sino também implementam uma calha de descarga na garganta da fornalha (como no topo de Paul Wurth) para controlar com precisão onde a carga é colocada.

O próprio alto-forno de fabricação de ferro é construído na forma de uma estrutura alta, forrada com tijolos refratários e perfilada para permitir a expansão dos materiais carregados à medida que aquecem durante sua descida, e subsequente redução no tamanho quando a fusão começa a ocorrer. Coque, fluxo de calcário e minério de ferro (óxido de ferro) são carregados no topo do forno em uma ordem de enchimento precisa que ajuda a controlar o fluxo de gás e as reações químicas dentro do forno. Quatro "tomadas" permitem que o gás quente e sujo com alto teor de monóxido de carbono saia da garganta do forno, enquanto as "válvulas de sangria" protegem o topo do forno de picos repentinos de pressão do gás. As partículas grossas no gás de exaustão assentam no "coletor de poeira" e são despejadas em um vagão ou caminhão para descarte, enquanto o próprio gás flui através de um purificador Venturi e / ou precipitadores eletrostáticos e um resfriador de gás para reduzir a temperatura do gás limpo.

A "fundição" na metade inferior do forno contém o cano, as ventaneiras de cobre resfriadas a água e o equipamento para fundir o ferro líquido e a escória. Uma vez que um "taphole" é perfurado através do tampão de argila refratária, o ferro líquido e a escória fluem por uma calha através de uma abertura de "skimmer", separando o ferro e a escória. Os altos-fornos modernos e maiores podem ter até quatro torneiras e duas fundições. Uma vez que o ferro-gusa e a escória tenham sido vazados, o buraco da torneira é novamente tampado com argila refratária.

Tuyeres do Alto-Forno da Gerdau , Brasil

As ventaneiras são usadas para implementar uma explosão a quente , que é usada para aumentar a eficiência do alto-forno. A explosão quente é direcionada para o forno através de bicos de cobre resfriados com água chamados ventaneiras, próximos à base. A temperatura de sopro quente pode ser de 900 ° C a 1300 ° C (1600 ° F a 2300 ° F) dependendo do projeto e condição do fogão. As temperaturas com as quais eles lidam podem ser de 2.000 ° C a 2.300 ° C (3600 ° F a 4.200 ° F). Óleo , alcatrão , gás natural , carvão em pó e oxigênio também podem ser injetados no forno no nível da tuyere para se combinar com o coque para liberar energia adicional e aumentar a porcentagem de gases redutores presentes, necessária para aumentar a produtividade.

Os gases de exaustão de um alto-forno são geralmente limpos no coletor de poeira - como um separador inercial , uma casa de mangas ou um precipitador eletrostático . Cada tipo de coletor de poeira tem pontos fortes e fracos - alguns coletam partículas finas, algumas partículas grossas, alguns coletam partículas eletricamente carregadas. A limpeza eficaz do escapamento depende de vários estágios de tratamento. O calor residual é geralmente coletado dos gases de exaustão, por exemplo, pelo uso de um fogão Cowper , uma variedade de trocadores de calor .

O Programa de P&D de Gás Estufa da IEA (IEAGHG) demonstrou que, em uma usina siderúrgica integrada, 70% do CO2 vem diretamente do gás de alto forno (BFG). É possível usar a tecnologia de captura de carbono no BFG antes que o BFG passe a ser usado para processos de troca de calor dentro da planta. Em 2000, o IEAGHG estimou que o uso dessa absorção química para capturar o BFG custaria US $ 35 / t de CO2 (um adicional de US $ 8-20 / t de CO2 seria necessário para o transporte e armazenamento de CO2). Isso tornaria todo o processo de produção de aço em uma planta 15-20% mais caro.

Dust catcher drawing.png

Impacto ambiental

Em média, a produção de uma tonelada de aço emite 1,8 toneladas de CO2. No entanto, uma usina siderúrgica usando um alto-forno de reciclagem de gás de topo (TGBRF) produzindo uma tonelada de aço emitirá 0,8 a 1,3 toneladas de CO2, dependendo da taxa de reciclagem do TGBRF.

Altos-fornos desativados como locais de museu

Por muito tempo, era procedimento normal demolir um alto-forno desativado e ser substituído por um mais novo e melhorado, ou ter todo o local demolido para dar espaço para o uso posterior da área. Nas últimas décadas, vários países perceberam o valor dos altos-fornos como parte de sua história industrial. Em vez de serem demolidas, as usinas siderúrgicas abandonadas foram transformadas em museus ou integradas a parques multiuso. O maior número de altos-fornos históricos preservados existe na Alemanha; outros sites desse tipo existem na Espanha, França, República Tcheca e Grã-Bretanha . Japão, Luxemburgo , Polônia , Romênia , México , Rússia e Estados Unidos .

Galeria


História

Uma ilustração de foles de fornalha operados por rodas d' água , de Nong Shu , por Wang Zhen , 1313, durante a Dinastia Yuan da China
Finamento e alto-forno chinês, Tiangong Kaiwu , 1637.

O ferro fundido foi encontrado na China datando do século 5 aC, mas os primeiros altos-fornos existentes na China datam do século 1 dC e no Ocidente da Alta Idade Média . Eles se espalharam da região ao redor de Namur, na Valônia (Bélgica) no final do século 15, sendo introduzidos na Inglaterra em 1491. O combustível usado nestes era invariavelmente carvão. A substituição bem-sucedida de carvão vegetal por coque é amplamente atribuída ao inventor inglês Abraham Darby em 1709. A eficiência do processo foi aprimorada pela prática de pré-aquecimento do ar de combustão ( explosão quente ), patenteado pelo inventor escocês James Beaumont Neilson em 1828.

China

Evidências arqueológicas mostram que floresceram na China por volta de 800 AC. Originalmente, pensava-se que os chineses começaram a fundir ferro desde o início, mas essa teoria foi desmentida pela descoberta de "mais de dez" instrumentos de escavação de ferro encontrados na tumba do duque Jing de Qin (m. 537 aC), cujo túmulo está localizado em Fengxiang County , Shaanxi (um museu existe no site hoje). No entanto, não há evidências de floração na China após o surgimento do alto-forno e do ferro fundido. Na China, os altos-fornos produziam ferro fundido, que era então convertido em implementos acabados em um forno de cúpula ou transformado em ferro forjado em uma lareira de refinação.

Embora as ferramentas e armas agrícolas de ferro fundido fossem comuns na China no século 5 aC, empregando forças de trabalho de mais de 200 homens em fundições de ferro a partir do século 3, os primeiros altos-fornos construídos foram atribuídos à dinastia Han no século 1 dC. Esses primeiros fornos tinham paredes de argila e minerais contendo fósforo como fundente . Os altos-fornos chineses variavam de dois a dez metros de altura, dependendo da região. Os maiores foram encontrados nas modernas Sichuan e Guangdong , enquanto os altos-fornos "anões" foram encontrados em Dabieshan . Na construção, ambos têm o mesmo nível de sofisticação tecnológica.

A eficácia dos altos-fornos chineses movidos a cavalos e humanos foi aprimorada durante este período pelo engenheiro Du Shi (c. 31 dC), que aplicou a força das rodas d' água a pistão - fole no forjamento de ferro fundido. Os primeiros reciprocadores movidos a água para operar altos-fornos foram construídos de acordo com a estrutura dos reciprocadores movidos a cavalo que já existiam. Ou seja, o movimento circular da roda, seja ele movido a cavalo ou água, foi transferido pela combinação de uma correia de transmissão , uma manivela e biela, outras bielas e vários eixos, para o movimento recíproco necessário para operar um fole de pressão. Donald Wagner sugere que os primeiros altos-fornos e a produção de ferro fundido evoluíram dos fornos usados ​​para fundir bronze . Certamente, porém, o ferro era essencial para o sucesso militar na época em que o Estado de Qin unificou a China (221 aC). O uso do alto-forno e da cúpula permaneceu difundido durante as dinastias Song e Tang . Por volta do século 11, a indústria siderúrgica chinesa da Dinastia Song fez uma troca de recursos de carvão para coque em ferro fundido e aço, poupando milhares de hectares de floresta do corte. Isso pode ter acontecido já no século 4 DC.

A principal vantagem do primeiro alto-forno era a produção em grande escala e o aumento da disponibilidade de implementos de ferro para os camponeses. O ferro fundido é mais frágil do que o ferro forjado ou o aço, o que exigia refino adicional e, em seguida, cimentação ou co-fusão para produzir, mas para atividades servis como a agricultura era suficiente. Com o uso do alto-forno, foi possível produzir maiores quantidades de ferramentas, como arados, de forma mais eficiente do que a florada. Em áreas onde a qualidade era importante, como a guerra, o ferro forjado e o aço eram preferidos. Quase todas as armas do período Han são feitas de ferro forjado ou aço, com exceção das cabeças de machado, muitas das quais são feitas de ferro fundido.

Os altos-fornos também foram usados ​​mais tarde para produzir armas de pólvora , como projéteis de bombas de ferro fundido e canhões de ferro fundido durante a dinastia Song .

Europa medieval

A forja mais simples , conhecida como Córsega, foi usada antes do advento do Cristianismo . Exemplos de floradas melhoradas são a Stückofen (às vezes chamada de fornalha do lobo), que permaneceu até o início do século XIX. Em vez de usar a tiragem natural, o ar era bombeado por um trompe , resultando em um ferro de melhor qualidade e maior capacidade. Esse bombeamento de ar com o fole é conhecido como explosão fria , e aumenta a eficiência de combustível do bloomery e melhora o rendimento. Eles também podem ser construídos maiores do que os blocos de plantas naturais.

Mais antigos altos-fornos europeus

O primeiro alto-forno da Alemanha, representado em miniatura no Deutsches Museum

Os mais antigos altos-fornos conhecidos no Ocidente foram construídos em Dürstel na Suíça , Märkische Sauerland na Alemanha, e em Lapphyttan na Suécia , onde o complexo esteve ativo entre 1205 e 1300. Em Noraskog na paróquia sueca de Järnboås, vestígios de ainda antes altos-fornos foram encontrados, possivelmente por volta de 1100. Esses primeiros altos-fornos, como os exemplos chineses , eram muito ineficientes em comparação com os usados ​​hoje. O ferro do complexo de Lapphyttan foi usado para produzir bolas de ferro forjado conhecidas como osmonds , e estas eram comercializadas internacionalmente - uma possível referência ocorre em um tratado com Novgorod de 1203 e várias referências em relatos de costumes ingleses das décadas de 1250 e 1320. Outras fornalhas dos séculos 13 a 15 foram identificadas na Vestfália .

A tecnologia necessária para altos-fornos pode ter sido transferida da China ou pode ter sido uma inovação local. Al-Qazvini no século 13 e outros viajantes subsequentemente notaram uma indústria de ferro nas montanhas de Alburz , ao sul do Mar Cáspio . É perto da rota da seda , de modo que o uso de tecnologia derivada da China é concebível. Descrições muito posteriores registram altos-fornos com cerca de três metros de altura. Como os Rus varangianos da Escandinávia negociavam com o Cáspio (usando sua rota comercial do Volga ), é possível que a tecnologia tenha chegado à Suécia por esse meio. O passo da florescência ao verdadeiro alto-forno não é grande. Simplesmente construindo um forno maior e usando foles maiores para aumentar o volume da explosão e, portanto, a quantidade de oxigênio leva inevitavelmente a temperaturas mais altas, o florescimento derretendo em ferro líquido e o ferro fundido fluindo das fundições. Os vikings são conhecidos por terem usado fole duplo, o que aumenta muito o fluxo volumétrico da explosão.

A região do Cáspio também pode ter sido a fonte para o projeto do forno em Ferriere , descrito por Filarete , envolvendo um fole movido a água em Semogo  [ it ] em Valdidentro no norte da Itália em 1226. Em um processo de duas fases, o ferro fundido foi batido duas vezes por dia na água, granulando-o assim.

Contribuições cistercienses

O Capítulo Geral dos monges cistercienses espalhou alguns avanços tecnológicos por toda a Europa. Isso pode ter incluído o alto-forno, já que os cistercienses eram metalúrgicos qualificados . Segundo Jean Gimpel, seu alto nível de tecnologia industrial facilitou a difusão de novas técnicas: "Cada mosteiro tinha uma fábrica modelo, muitas vezes tão grande quanto a igreja e a apenas alguns metros de distância, e a energia hidráulica movia as máquinas das várias indústrias localizadas em seu piso." Os depósitos de minério de ferro eram frequentemente doados aos monges junto com as forjas para extrair o ferro e, depois de algum tempo, os excedentes eram colocados à venda. Os cistercienses se tornaram os principais produtores de ferro em Champagne , França, de meados do século 13 ao século 17, também usando a escória rica em fosfato de seus fornos como fertilizante agrícola .

Os arqueólogos ainda estão descobrindo a extensão da tecnologia cisterciense. Em Laskill , uma estação externa da Abadia de Rievaulx e o único alto-forno medieval até agora identificado na Grã-Bretanha , a escória produzida tinha baixo teor de ferro. A escória de outros fornos da época continha uma concentração substancial de ferro, ao passo que se acredita que Laskill produziu ferro fundido com bastante eficiência. Sua data ainda não está clara, mas provavelmente não sobreviveu até a dissolução dos mosteiros de Henrique VIII no final da década de 1530, pois um acordo (imediatamente depois disso) sobre as "feridas" com o conde de Rutland em 1541 refere-se a flores . No entanto, os meios pelos quais o alto-forno se espalhou na Europa medieval ainda não foram determinados.

Origem e difusão dos primeiros altos-fornos modernos

Desenho de época de um alto-forno do século 18
Alto-forno moderno retratado no antigo brasão de Lohtaja

Devido ao aumento da demanda por ferro para canhões de fundição, o alto-forno passou a ser amplamente utilizado na França em meados do século XV.

O ancestral direto dos usados ​​na França e na Inglaterra estava na região de Namur, onde hoje é a Valônia (Bélgica). De lá, eles se espalharam primeiro para Pays de Bray na fronteira oriental da Normandia e de lá para Weald de Sussex , onde a primeira fornalha (chamada Queenstock) em Buxted foi construída por volta de 1491, seguida por uma em Newbridge na Floresta de Ashdown em 1496. Eles permaneceram poucos em número até cerca de 1530, mas muitos foram construídos nas décadas seguintes em Weald, onde a indústria do ferro atingiu seu pico por volta de 1590. A maior parte do ferro-gusa desses fornos foi levado para forjas de acabamento para a produção de barra de ferro .

Os primeiros fornos britânicos fora de Weald surgiram durante a década de 1550, e muitos foram construídos no restante daquele século e nos seguintes. A produção da indústria provavelmente atingiu seu pico por volta de 1620, e foi seguida por um lento declínio até o início do século XVIII. Aparentemente, isso ocorria porque era mais econômico importar ferro da Suécia e de outros lugares do que produzi-lo em algumas localidades britânicas mais remotas. O carvão que estava economicamente disponível para a indústria provavelmente estava sendo consumido tão rápido quanto a madeira para fazê-lo crescer.

O primeiro alto-forno da Rússia foi inaugurado em 1637 perto de Tula e foi chamado de Obras Gorodishche. O alto-forno se espalhou de lá para a Rússia central e, finalmente, para os Urais .

Alto-fornos de coque

Os altos-fornos originais em Blists Hill, Madeley, Inglaterra
Carregando o alto-forno experimental, Laboratório de Pesquisa de Nitrogênio Fixo, Washington DC, 1930

Em 1709, em Coalbrookdale em Shropshire, Inglaterra, Abraham Darby começou a abastecer um alto-forno com coque em vez de carvão . A vantagem inicial da Coca era seu custo mais baixo, principalmente porque produzir coque exigia muito menos trabalho do que cortar árvores e fazer carvão, mas o uso de coque também superou a escassez localizada de madeira, especialmente na Grã-Bretanha e no continente. O coque de grau metalúrgico suportará mais peso do que o carvão, permitindo fornos maiores. Uma desvantagem é que o coque contém mais impurezas do que o carvão, sendo o enxofre especialmente prejudicial à qualidade do ferro. As impurezas da coque eram mais problemáticas antes que a explosão a quente reduzisse a quantidade de coque necessária e antes que as temperaturas do forno estivessem altas o suficiente para fazer a escória do calcário fluir livremente. (O calcário retém o enxofre. O manganês também pode ser adicionado para reter o enxofre.)

O ferro de coque foi inicialmente usado apenas para trabalhos de fundição , fabricação de potes e outros produtos de ferro fundido. O trabalho de fundição era um ramo secundário da indústria, mas o filho de Darby construiu um novo forno na vizinha Horsehay e começou a fornecer aos proprietários de forjas de alta qualidade ferro-gusa de coque para a produção de ferro em barra. Nessa época, o ferro-gusa da coque era mais barato de produzir do que o ferro-gusa do carvão vegetal. O uso de um combustível derivado do carvão na indústria do ferro foi um fator chave na Revolução Industrial britânica . O alto-forno original de Darby foi escavado arqueologicamente e pode ser visto in situ em Coalbrookdale, parte dos Museus Ironbridge Gorge . O ferro fundido da fornalha foi usado para fazer vigas para a primeira ponte de ferro do mundo em 1779. A Ponte de Ferro atravessa o rio Severn em Coalbrookdale e continua sendo usada para pedestres.

Explosão a vapor

A máquina a vapor foi aplicada para impulsionar o ar, superando a escassez de energia hídrica em áreas onde o carvão e o minério de ferro estavam localizados. Isso foi feito pela primeira vez em Coalbrookdale, onde uma máquina a vapor substituiu uma bomba movida a cavalos em 1742. Essas máquinas eram usadas para bombear água para um reservatório acima da fornalha. Os primeiros motores usados ​​para soprar cilindros diretamente foram fornecidos pela Boulton and Watt para a New Willey Furnace de John Wilkinson . Isso movia um cilindro de sopro de ferro fundido , que havia sido inventado por seu pai Isaac Wilkinson . Ele patenteou esses cilindros em 1736, para substituir os foles de couro, que se desgastavam rapidamente. Isaac obteve uma segunda patente, também para cilindros de sopro, em 1757. A máquina a vapor e o cilindro de sopro de ferro fundido levaram a um grande aumento na produção de ferro britânica no final do século XVIII.

Explosão quente

A explosão a quente foi o avanço mais importante na eficiência de combustível do alto-forno e foi uma das tecnologias mais importantes desenvolvidas durante a Revolução Industrial . A explosão quente foi patenteada por James Beaumont Neilson na Wilsontown Ironworks na Escócia em 1828. Poucos anos após a introdução, a explosão quente foi desenvolvida a ponto de o consumo de combustível ser reduzido em um terço usando coque ou dois terços usando carvão, enquanto a capacidade do forno também aumentou significativamente. Dentro de algumas décadas, a prática era ter um "fogão" tão grande quanto a fornalha próximo a ele, para dentro do qual o gás residual (contendo CO) da fornalha era direcionado e queimado. O calor resultante foi usado para pré-aquecer o ar soprado no forno.

A explosão a quente possibilitou o uso de carvão antracítico bruto , de difícil acendimento, para o alto-forno. O antracito foi testado pela primeira vez com sucesso por George Crane na Ynyscedwyn Ironworks no sul do País de Gales em 1837. Foi adquirido na América pela Lehigh Crane Iron Company em Catasauqua, Pensilvânia , em 1839. O uso de antracito diminuiu quando altos-fornos de alta capacidade que requerem coque foram construídos na década de 1870.

Veja também

Referências

Bibliografia

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