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Coque metalúrgico

La transición británica al coque

La adopción del coque metalúrgico para la fundición de hierro fue definitivamente una de las mayores innovaciones técnicas de la era moderna, ya que eliminó la dependencia de la madera, abrió el camino hacia un gran crecimiento de las capacidades de los hornos y la multiplicación de las producciones anuales, y liberó los lugares de fundición de la proximidad a corrientes capaces de alimentar los fuelles de los hornos. Había varias razones por las que la sustitución del carbón vegetal por coque en los hornos ingleses y galeses era un asunto bastante prolongado. Inicialmente fue el fácil acceso británico a importaciones asequibles de hierro báltico (aunque la fundición rusa se realizó en gran parte en los Urales, los envíos llegaron a través de Sankt Peterburg), y los primeros usos comerciales del combustible indicaron que la fundición a base de coque no era económicamente atractiva (Harris, 1988; Hyde, 1977).

El coque se utilizó por primera vez en Inglaterra a principios de la década de 1640 para secar malta (una tarea que no se podía hacer con carbón ya que su combustión producía copiosas emisiones de partículas y azufre), y los intentos fallidos de su uso (y también de carbón y turba) en la fundición de metales tuvieron lugar durante la segunda mitad del siglo XVII, pero fue solo en 1709 cuando Abraham Darby (1678-1717) se convirtió en el pionero solitario de la fundición de mineral de hierro con coque. Hyde (1977) ofreció una explicación convincente de por qué los maestros de hierro ingleses de la primera mitad del siglo XVIII no siguieron el ejemplo de Darby (sus dos hornos en Coalbrookdale usaron coque exclusivamente después de 1720, y uno en Wiley usó solo coque desde 1733) antes de principios de la década de 1750.

Aunque unos 25 hornos alimentados con carbón vegetal se cerraron entre 1720 y 1755, la producción agregada de hierro fundido a carbón aumentó de casi 19.000 a casi 25.000 t durante los 35 años intermedios. La razón no era ningún secreto en torno a la innovación de Darby ni una calidad inferior de hierro fundido con coque, sino costos operativos significativamente más altos de los hornos alimentados con coque y ninguna diferencia importante en el costo de capital de los nuevos hornos. Hyde (1977) calculó que los costos operativos de los dos procesos podrían haberse igualado a finales de la década de 1730, pero debido a la gran cantidad de coque consumido, los costos generales estuvieron a favor de los hornos de carbón hasta principios de la década de 1750.

Darby y sus sucesores fueron capaces de hacer rentable la fundición a base de coque «a pesar de los costos más altos del nuevo proceso porque recibieron ingresos más altos que el promedio de un nuevo subproducto de fundición de coque de paredes delgadas» (Hyde, 1977, 40). Esta técnica, patentada en 1707 antes de que Darby comenzara su fundición de coque, se beneficiaba de una mayor fluidez del hierro fundido de coque rico en Si que se podía usar para producir ollas mucho más delgadas (con la mitad de masa que las hechas de hierro fundido a carbón) con menos defectos. Además, Hyde (1977) también llegó a la conclusión de que fabricar hierro en barra a partir de arrabio de coque era más caro que hacerlo a partir de hierro fundido a carbón porque el metal líquido anterior contenía más silicio.

King (2011) revisitó las explicaciones de Hyde (1977) y su examen detallado de los registros comerciales de Coalbrookdale (existentes en cuatro libros de cuentas) y confirmó la conclusión con respecto a los costos del arrabio fundido con coque, pero encontró que el mismo argumento no se aplicaba a la producción de hierro en barra. Los libros contables muestran un enorme consumo de coque en los hornos de Carbonbrookdale durante el decenio de 1720 y su disminución gradual durante el decenio de 1730, pero los informes, y las comparaciones con otras fraguas, muestran que el bajo rendimiento de la empresa de Carbonbrookdale no se debió a problemas inherentes al arrabio fundido con coque, sino más bien a un hecho demostrable de que era una empresa pequeña y de gestión ineficiente.

El retraso en la adopción generalizada del coque fue, por lo tanto, en gran medida una cuestión de precio del hierro en barra: «Cualesquiera que fueran las dificultades técnicas que existían en el uso de arrabio de coque en las forjas a principios de la década de 1720, éstas se superaron evidentemente a finales de esa década, pero el estado deprimido del comercio del hierro desalentó la introducción en el mercado de arrabio de forja fundida con coque, hasta que la industria se benefició de un repunte económico en la década de 1750, que puede atribuirse en parte a la limitación sueca de su producción de hierro, que comenzó unos años antes» (King, 2011, 154). Los productores ingleses respondieron casi de inmediato construyendo nuevos hornos alimentados con coque después de mediados de la década de 1750. Entre 1750 y 1770 se construyeron casi 30 hornos a base de coque, y su participación en la producción de arrabio aumentó de solo el 10% al 46% (King, 2005).

Este fue un cambio de época, de la dependencia de un recurso que era renovable pero que ya escaseaba en muchas regiones y cuya explotación máxima realista no podía apoyar la futura expansión de la producción de hierro a la dependencia de un combustible no renovable que podía producirse a bajo costo a partir de abundantes yacimientos de carbón y cuya producción podía ampliarse para hacer frente a cualquier expansión previsible de la industria del hierro. Y la sustitución eliminó la presión sobre los bosques continentales: Madureira (2012) calculó que en 1820 el 52% de la superficie boscosa de Bélgica se utilizaba para producir carbón metalúrgico, e incluso en Francia y Suecia, mucho más grandes y boscosas, las acciones eran de alrededor del 15% en 1840.

La imposibilidad de depender a largo plazo del carbón vegetal se ilustra fácilmente con cálculos pertinentes para los Estados Unidos excepcionalmente ricos en madera. Las estadísticas de producción de hierro a nivel nacional de Estados Unidos comenzaron en 1810, cuando la fundición de 49,000 toneladas de arrabio consumidas (suponiendo una tasa promedio de 5 kg de carbón vegetal o al menos 20 kg de madera por kg de metal caliente) aproximadamente 1 Mt de madera. Incluso si toda esa madera hubiera provenido de bosques de frondosas naturales de crecimiento antiguo que almacenaban alrededor de 250 t/ha (Brown, Schroder, & Birdsey, 1997), e incluso si toda la fitomasa sobre el suelo se utilizara en el carbonizado, un área de casi 4000 km2 (un cuadrado con un lado de casi 63 km) tendría que ser talada cada año para mantener ese nivel de producción. Los bosques ricos de los Estados Unidos podían soportar una tasa aún mayor y para 1840 todo el hierro de los Estados Unidos todavía se fundía con carbón, pero después de un cambio rápido posterior al coque, energizó casi el 90% de la producción de hierro para 1880 y los futuros aumentos en la producción de hierro no podían basarse en carbón, en 1910, con una producción de hierro de 25 toneladas e incluso con cargas muy reducidas de 1,2 kg de carbón y 5 kg de madera por kg de metal caliente, el país habría necesitado 125 toneladas de madera al año.

Ese requisito por sí solo (dejando de lado toda la necesidad de carbón vegetal para seguir procesando metales) habría requerido (incluso con un incremento medio elevado de 7 t/ha en los bosques naturales) la cosecha anual de madera de casi 180.000 km2 de bosque (Smil, 1994). Esa área sería igual a Missouri u Oklahoma (o un tercio de Francia), y si fuera un cuadrado, su lado iría de Filadelfia a Boston, o de París a Frankfurt. Obviamente, ni siquiera los Estados Unidos ricos en bosques podrían hacer esto. Además, no cabía duda de su superioridad como combustible metalúrgico. El coque se produce calentando tipos adecuados de carbones bituminosos (deben tener un bajo contenido de cenizas y azufre) en ausencia de oxígeno: esta pirólisis (destilación destructiva) expulsa prácticamente toda la materia volátil y deja carbón casi puro con baja densidad aparente de solo 0,8–1 g/cm3, pero con un mayor valor calorífico a 31-32 MJ/kg, aproximadamente el doble de densidad energética que la madera secada al aire, pero solo ligeramente más densa que el mejor carbón vegetal.

Al igual que con la mayoría de los avances técnicos, la eficiencia de los primeros métodos de producción de coque fue muy pobre. Durante más de un siglo, la forma estándar de hacer coque fue en hornos cerrados para colmenas (Sexton, 1897; Washlaski, 2008). Estas estructuras semiesféricas (las colmenas estadounidenses tenían un diámetro de aproximadamente 3,8 m) generalmente se construían en bancos (llamadas baterías, con algunas baterías estadounidenses que eventualmente tenían de 200 a 300 colmenas), a menudo en una ladera (lo que facilita cubrirlas con tierra), y siempre con fuertes muros de contención frontales. Después de 4 o 5 días de precalentamiento (primero con madera, luego con carbón), se retiró el combustible de arranque, las puertas delanteras se tapiaron hasta dos tercios de su altura y los hornos se cargaron con carbón. La carga promedio de un horno estándar fue de 5-5, 5 t, el carbón cargado se niveló con una barra de hierro, las puertas se tapiaron y sellaron con arcilla, y durante los siguientes 2 a 3 días (los períodos de combustión variaron entre 40 y 75 h) los hornos de colmenas de combustión lenta iluminaron el cielo nocturno con un brillo anaranjado rojizo y emitieron gases calientes a través de sus tapas abiertas (cabezas de túnel).

Una vez terminada la combustión controlada, el coque se apagó con agua, se rompieron las puertas y se retiró el combustible de las colmenas para transportarlo a los altos hornos. La coquización temprana de colmenas consumía hasta 2 t de carbón por tonelada de coque; más tarde, el rendimiento aumentó al 60% y, finalmente, a alrededor del 70%. La capacidad de Coque para soportar cargas más pesadas de mineral y piedra caliza hizo posible construir altos hornos más altos con mayores capacidades y mayores rendimientos, y esto, a su vez, aumentó la demanda de coque. Algunos de estos primeros hornos de coque usaban las ineficientes máquinas de vapor de Newcomen, y después de 1776 la difusión de la fundición a base de coque fue ayudada en gran medida por la adopción de las máquinas de vapor de Watt como motores de fuelles más potentes: se usaron de esa manera en 1782 y en 1790 Inglaterra y Gales tenían 83 hornos alimentados con coque en funcionamiento y 71 con fuelles alimentados con vapor (Hyde, 1977). Pero los hornos alimentados con carbón vegetal no desaparecieron: en 1810 todavía fundían un tercio del hierro inglés y galés.

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