Caracterización de los posibles procedimientos de fabricación de piezas de hierro forjado e hierro dulce de los siglos XVI a XIX

CARACTERIZACION DE LOS POSIBLES PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN DE PIEZAS DE HIERRO FORJADO E HIERRO DULCE DE LOS SIGLOS XVI A XIX /•".(/. C'urvu.s . J.M. CmHonio ' v EJ. Herrera '' Resumen Los procccliniicntos tío labrioaoitSn tic pic/as tic hicrrti han cvtilucionado a Iraviis tic los tiempos. Con pequeñas variacicincs. nc» t">bstanlc. las estructuras tic los hicrrtís tt>rjatli>s stui relativamente parecidas. Ln esta cfnnunieaeitSn se sei'iala la utilidad de lt>s cstutlit>s miert^estrueturales para evaluar el prtK^eso de t'abrieación. l^a aplicación tic U^s prineipit^s anterit>res se hace en lt>s distintos elementt)s de hierro, pertenecientes al et^njuntt^ de Ll Giraltlillt^ de la Catedral de Sevi lla. que se estutliartm tlurante la campaña de inspeeeitSn del añti ldd6. Además. pt)r ctímparaeitin. se muestran tambii5n las estructuras de piezas de hierre» de fabricacitMi anteritir y pt>sterii>r a las de la e>bra seiialada. Palabras clave: Arquetunetalurgia. hierro forjado, acero. Giraldillo. 1. INTRODUCCIÓN HISTÓRICA La fabricación y uso de piezas de hierro ha evolucionado durante multitud de eta pas difíciles de conocer, principalmente en sus comienzos, tanto en su situación geo gráfica como temporal. El hallazgo y estudio de utensilios mue.stra que. inmersos en la edad de cobre, hacia el 3800 a.C.. se usan tluxes de óxido de hierro, probablemente naturales, procedentes del mineral gossan. Posteriormente, hacia el 3000 a.C., aparece el uso del hierro meteorítico o "hieiTO del cielo'* (~ 8% Ni), aunque en lugares y oca siones muy limitadas. Es difícil conocer con precisión cuándo se fabrica por primera vez el hierro, si bien, probablemente fuese un hecho fortuito, consecuencia de la existencia de alguna mena DpU). Ingeniería Mecánica y de los Materiales. l£.S. Ingenieros. Camino de los Descubrimientos s/n. 41092 .Sevilla. ' Aparte de i>tras fuentes que se indican expresamente, .se han utilizado las monografías de Tylecote 111, Apraiz |21 y Mohen j.^) como fuentes recunentes de este apartado. M 554 /••O. ( í/l ,s. J.M (iu/AHi,,. ) EJ. de hierro durante la fabricación de cobre n Hf> i-, i . ® presencia de un lueuo junto a alguna roca de mmeral de hierro. Los primeros indicios de obtención de hicm. . partir de sus menas pueden datarse aproximadamente hacia el 2.5()()-20()() a.C v probablemente tu vieran lugar en el imperio Hitita (Anatolia,. aunque existen imponantes dilereneias de opinion respecto a esta fecha, adelantándose miles de años por algunos amores |4|. Entre los siglos XV a XIII ar.. se perfeeeionan los proeediinientos de obteneión del hierro forjado en el im^rio Hitita, donde es preparado a partir de esponjas de poco nom " u T " ^'1 soplido por fuelles (1200 a.C.) y el acero obtenido es endurecido ñor i • . , , . , ^ ^iiuuicciuo por los egipcios mediante tratamientos de temple y revenido (900 a.C.). Hacia el ano 500 a.C. .se obtiene en la India el acero Wootz ( l-l .6'/, de carbono), mediante el calentamiento y fusión de la esponja de hierro y virutas de madera en re cipientes de arcilla sellados, procedimiento ya conocido por los egipcios. Una aplicación del acero obtenido era la obtención de acero damasquinado. La téc nica exacta para conseguir la decoración propia de este acero se fue perdiendo pro gresivamente y no parece que haya llegado hasta nuestros días |4|. Puede indicarse que desde el Imperio Romano hasta el siglo XIV el procedimiento empleado para la fabricación de hierro y acero varió relativamente poco, tilvidándose incluso por algunos pueblos los procedimientos de fabricación empleados en la antigüedad. Por el contrario, entre lo.s .siglos XVI y XIX fueron diversos los procedimientos utilizados, inventados o reinventados, para la fabricación de estos materiales. En pri mer lugar pueden indicarse los procedimientos empleados para la obtención de hierro mediante la reducción directa del mineral, .seguida de un martillado, dando lugar a la obtención de hierro forjado. Este procedimiento fue empleado en las forjas catalanas, las herrerías vascas, las hloomeries inglesas y los primeros Stiickofcn de Centroeuropa. Las forjas catalanas eran hornos de reducción sin tiro, de 0,6 x 0,9 m de .sección y 0,6 a 0,8 m de altura [5]. Las primeras forjas puede datarse hacia el año 600 a.C. 16], aunque su verdadero desarrollo tuvo lugar alrededor del año 1680 [21. siguiendo en funcionamiento hasta el siglo XIX. En esta época de esplendor, obtenían hierro en una sola etapa mediante la reducción del óxido de hierro, gracias al soplado producido con la ayuda de una trompa de agua, que a su paso por un estrechamiento arrastraba la su ficiente cantidad de aire a través de unos orificios, procedimiento que parece pudo co nocerse en esta zona desde el año 1400 [6], si bien, otras fuentes parecen situar su descubrimiento hacia el año 1640 en Italia [2]. Este tipo de soplado resultaba mucho más energético que el producido en aquella época con fuelles, por lo que se podían cargar mayores cantidades de hierro y aumentar la producción, llegando hasta 100 kg por operación. Al final del proceso, tras unas dos horas de trabajo (5|, el hierro me tálico quedaba en el fondo del horno, extrayéndose para su martillado, gracias al que se eliminaba parte de la escoria existente y .se obtenían utensilios con la forma de.seada. III OlNíiKI-S< • N \( li >S \1 |i| .\K-.ri 1 I iMl IKIV 555 En cuantié a las herrerías \ aseas, pertenecientes a la misma época que las forjas ca talanas, el aire era mirotiucidi^ mediante tuelles accionados gracias a la tuerza hi dráulica, U) que daba liiear a una instalación más compleja 15). El método de trabajo era muy similar al de las toi'ias catalanas, existiendo herrerías mayores y menores. Las primera.s necesitaban de inast^r cantidad de aire para tundir las masas de hierro y tormar barras que posterii>riviente eran adelgazadas en las herrerías menores (7). En el año 1550 existían unas .^00 herrerías en N izeaya y Guipúzcoa, reduciéndose su nú mero a 235 en el aíu^ 1775 16|. y a 127 en el ano 1S30 [71. Un procedimiento considerablemente distinto al descrito con anterioridad, tue el desarrollado en Gentixieiirojia en K>s he>rnos Slückoten. En sus comienzos, estos eran hornos de reducciiín directa del mineral, pero gracias al empleo de la tuerza hidráu lica para el soplado, a mediadi>s del siglo Xl\. pudo aumentarse la producción al au mentar su tamafu), con h<,>rnos de hasta 5 metros de altura. En estos hornos mayores, en alguntis casos, se i>btenía una sangría metálica líquida que, al solidificarse, se trans formaba en trozos metálicc^s trágiles. lil mineral de hierro pasaba a convertirse en fun dición (~ 3,59í G) macias a la temperatura alcanzada (1.300-1.400 ®C), sutleiente para fundir esta nue\a aleación. .Xquel nue\o producto recibió en Inglaterra el nombre de iron, y dadii su escasa utilidad era linicamente utilizado como carga para nucNOS procesos de obtenciiSn de liiern,^. En electo, se descubrió que utilizando el />/g ifon como materia prima, se podía obtener un hierro de mayor calidad que el conseguido utilizando mineral de hienx^. por le» que desde entonces el proceso de obteneión de mi neral de hierrií eonienz.<.S a realizarse en dos etapas. A partir de este momento comienzan a tener importancia los ln>rnos altos, dedicados exclusivamente a obtener tundición, con producciones de entre 300 y 500 kg diarios. Hasta los primeros años del siglo XIX, cuando aumenta considerablemente la demanda, no se abandona el procedimiento directo, posible únicamente en pequeños hornos de escasa producción. Estos altos hornos llegan a España en el siglo XIX, existiendo ciertas discrepancias sobre la techa y lugar de instalación de los primeros. En 1817 se funda la Compañía de Minas de El Pedroso (Sevilla), base de los primeros altos hornos españoles 18], aunque estas instalacit^nes parecen desconocerse en muchos casos, citándose el año 1842 como fecha de instalación del primer alto horno en España, concretamente en Marbella (Málaga) |6 y 7), y el año 1848 [61 o 1849 [71, como el año de comienzo de funcionamiento del primer alto horno de Vizcaya. La segunda etapa del procedimiento reterido anteriormente consistía en el atino oxidante de la fundición, gracias al exceso de aire y la presencia de escorias muy oxi dadas, para obtener hierro pastoso en los hornos bajos de atino, donde se conseguía la fusión de la fundición en las zonas del horno de mayor temperatura (~ 1.400 ®C). Esta segunda etapa también podía realizarse en hornos de reverbero. Hacia el año 1600 la producción de hieno exigía grandes cantidades de carbón ve getal, con la consiguiente preocupación derivada de la desaparición progresiva de al gunos bosques, lo que condujo a la introducción del carbón mineral en los hornos. Esto no fue posible en los hornos de afino, ya que debido al alto contenido de azufre 556 f-.G. Ct hvys. J.M. (;uiAH,„, > liJ. IhKHEKA en este tipo de carbón, el hierro obtenido resultaba de baja calidad. Hasta el afl.t 1784. en que Henty Cott, en Inglaterra, en un homo de reverbero, separa mediamc un peeno muro el mineral y la carga metálica, no es oosible ntili/ .r ,.i , , . , ° reverbero, separa mediante un pequero muro el mineral y la carga metálica, no es posible utilizar el earb.in mineral en la producción de un hieiro de calidad, denominado hierro pudelado. La mejora de la so era en estos hornos, mediante la refrigeración de la misma, hace que a principios del siglo XIX se alcance una producción de 1.500 kg de hierro por horno v día con unos noventa minutos de duración por cada operación. Por otra paile. ¡4 fabricación de acero vuelve a rcinveniarsc. tras haber sido cono cida desde el ano 1200 a.C.. en el año 1525. en Bélgica. El procedimiento empicado es el de cementación, alternando, en el interior de cajas construidas con piedras siliciosas. pletinas de hierro y carbón vegetal, que con cargas de 500-[ ooo kse intromsT ?nnn'f Z'oí-'T' alcanzaban temperatu ras de 1.000-1.200 C. En estas operaciones el monóxido de carbono formado entra en contacto con el hierro dando lugar a carbono atómico, que por difusión penetra en el metal formando un acero con contenidos de entre 0.5 y 1 ,57r de carbono. Un procedimiento más moderno para la fabricación de aceros es el inventado en 1740 por Benjamín Hunstman en Sheffieid (Inglaterra). El mismo consistía en fundir a cementado en un cri.sol de arcilla donde se alcanzaban temperaturas de 1.440-1.500 °C. por lo que .sólo era posible fundir aceros con contenidos en car bono superior al 0.6%. El acero proveniente de estos hornos de crisol era posterior mente colado en moldes. Este procedimiento alcanzó gran desarrollo durante todo el siglo XIX. con una producción en Sheffieid. a mediados de siglo, de unas ÓO.OOO t de acero al año. El principal inconveniente de este método fue el elevado coste y pequeña capacidad de los crisoles. Hasta el año 1856, en que Henry Bessemer, en Londres, fabrica hierro y acero en un convertidor con revestimiento ácido y soplado con aire, la producción de estos ma teriales estaba por debajo de la demanda existente. En sus comienzos, el proceso con sistió en soply aire sobre la superficie del baño de un horno de pudelar. acelerando así la oxidación de la fundición. Los resultados no totalmente satisfactorios, llevaron a soplar aire en el interior de un crisol con fundición líquida, con lo que se consiguió una descarburación muy rápida y un aumento de la temperatura de 1 .250 a 1.650 °C al oxidarse el silicio, manganeso, hierro y carbono. En con.secuencia. pudo eliminarse el calentamiento exterior del crisol y reducirse el tiempo de operación de dos horas en el homo de pudelar a quince minutos en el convertidor Bessemer. Los óxidos for mados, de baja densidad, subían a la superficie del baño por lo que no intervenían en las reacciones. Aun así, el proceso no fue por completo satisfactorio hasta eliminar los problemas relacionados con el fósforo, muy abundante en algunos minerales, que daba como resultado materiales muy frágiles a temperatura ambiente, así como los proble mas relacionados con los óxidos y sulfuros de hierro, resueltos con la adición de man ganeso. Los porcentajes de carbono que podían obtenerse en estos convertidores se en contraban entre el 0,10 y el 0,70%. III CoNí iKI SO N \< I< 'S \1 I >1 .-XKi.)! H >MI I Kl \ 557 Los problemas existentes con los minerales de alto contenido en fósforo fueron es tudiados por Sidncv Clilchrist Thomas. que en 1879. en Inglaterra, consiguió eliminar el P:05 formado al combinarlo con una escoria calcárea, para lo cual hubo de elimi nar los recubrimientos siliciosos de los convertidores Bessemer y sustituirlos con do lomía calcinada, de carácter básico. Los convertidores Thomas fueron alcanzando im portancia hasta lograr, en la primera década del siglo XX. la misma producción que los convertidcíres Bessemer. unos 12 millones de toneladas al año. Estos convertido res alcanzaban temperaturas de 1 .650 °C y una operación duraba unos cuarenta mi nutos. diez más que en Uis Bessemer. con una producción de 30 t por operación, do ble que en los Bessemer. Un último avance del siglo XIX para la fabricación de hierro y acero, partiendo de chatarras, acero y fundicitSn. fue desarrollado en 1865 por Fierre Martín en Francia, logrando fabricar acero en un horm^ de solera, gracias a los generadores de calor ideados por Siemens en Inglaterra, cim los que se alcanzaban temperaturas de 1.600-1.650 ®C. El gran desarrollo de estos hornos tuvo lugar hacia 1880. cuando, tras el descubri miento de Thomas. comienzan a utilizarse revestimientos básicos. Las operaciones du raban en torno a seis-ocho horas, pero el acero obtenido era de mejor calidad. 2. CARACTERIZACIÓN DK ALGUNAS PIEZAS DE HIERRO FORJADO DE CARÁCTER HISTÓRICO 2.1 . Esi KlCri KA DI AlC.l NOS Hll KROS DI I CiIRAl.DIl I.O La estructura portante de líl Giraldillo ha experimentado diversas modificacioties y restauraciones desde su instalación por primera vez. en 1568 (9 y 10]. En algunas de estas reparaciones se procedió a la sustitución parcial de la mistna. lógicatriente con piezas de hierro coetáneas. En concreto, existe constancia documental de que en el si glo XVIIl y en el XIX se produce la sustitución de parte del espárrago que le sirve de eje de giro. Es posible que todavía queden algunas piezas originales del siglo XVI. Los estudios microestructurales se han realizado mediante la técnica de réplica metalográfica. durante los trabajos de inspección de la primavera de 1996. Cuando, a raíz de las intervenciones se podía disponer de algún trozo, la metalografía se ha realizado de forma destructiva sobre el mismo. El primer tramo estudiado ha sido el del vástago situado en el Cuerpo Redondo. La estructura a lo largo de la barra no es unifomte. pudiendo apreciarse diferente con tenido de carbono en las distintas réplicas realizadas. Además, en una zona el tamaño de grano es relativamente grande, de unos 150-200 pm. mientras que otra se puede medir un tamaño de unos 50 pm. En estas réplicas metalográficas es difícil distinguir las inclusiones, aunque aparentemente no existe un elevado número de ellas. Por el estado de corrosión de este tramo y las referencias documentales, es posible que co rresponda a un material original del siglo XVI. El proceso de fabricación se llevaría a cabo en una herrería donde, después de haber reducido el mineral, se habría forjado el metal para ayudar a expulsar el exceso de escoria y óxidos. 558 F.G. C i hws. JAf (¡uiAh/x, ) FJ. III C()N(:KI -S< ) N \( ION \1 DI AK<.iI t • Atl I Kl \ 559 La estructura del perno de El Giraldillo observada entre las dos crucetas del Cuerpo del Penacho está práctrcamente exenta de carbono, es decir, una estructurt. ferrítica. con un tamaño de grano heterogéneo. En la banda central, coincidiendo con la pre sencia de inclusiones o carburos, el tamaño de grano es de unos SO um Fuera de la banda se alcanzan tamaños superiores a 300 pm. Esta banda, que esui orientada en la dirección longitudinal del perno, tiene probablemente ligeras diléreneias de composi ción respecto al resto del material, lo que ha producido la diferencia mieroesiruclural. El perno a que se refiere este párrafo fue colocado posiblemente en el siulo XVIII. como sustitución del anterior deteriorado en el terremoto de Lisboa de 17.ís Las di ferencias de microestructura del pemo en la zona del Cuerpo Redondo > el Cuerpo del Penacho no .son .significativas. Esto equivale a decir que. en .Sevilla, ¡os proce.sos de fabricación utilizados para e.stas piezas, en el siglo XVI y en el Xvill. producían aceros con características metalúrgicas similares. En la misma restauración de 1770. se colocó un nuevo esqueleto interno a El Gi raldillo. Se ha podido preparar en laboratorio el extremo anterior de la doblé percha que sostiene el bronce a la altura del pecho y los hombros jlOj. ,Se ha estudiado la microestructura en el núcleo y cerca de la .superficie, respectivamente. En el núcleo el contenido de carbono es mayor, mientras que la estructura en la superficie es prácti camente ferrítica con abundantes inclusiones. Es muy probable que la pieza se obtu viese mediante soldadura por forja de diversos trozos, cada uno de ellos de caracte rísticas distintas. No se de.scarta que la pieza sufriese una descarburación durante el proceso de forja a elevada temperatura. En la estructura portante de El Giraldillo también se encuentran piezas colocadas en el siglo pasado, concretamente en 1886 por Fernández Casanova. Se trata del tramo inferior del vástago, que se encuentra en el Cuerpo del Pozo. No fue posible preparar una réplica metalográfica de este tramo por las premuras que hubo en terminar los tra bajos en la primavera de 1996. Sin embargo, la simple eliminación superficial de la pintura protectora ya ponía de manifiesto a simple vista la presencia de grandes for maciones alargadas de inclusiones y escorias, bien distintas de las que se han obser vado en las piezas hasta aquí descritas. Cabe conjeturar que esta parte del espárrago esté formada por hierro pudelado, propio del siglo XIX, como ha quedado descrito en la introducción. En el apartado 2.3. se describirán estructuras de hierro pudelado si milares a las que debe tener esta pieza. 2.2. Armas de la batalla de las Navas de Toi.osa El estudio de las armas de la batalla de las Navas de Tolosa, entre musulmanes y cristianos [11], permite conocer el estado del arte de la fabricación de hierro en el sur de la península en el siglo XIII. Como .se ha de.scrito en la introducción, los métodos de fabricación no distaban mucho de los utilizados en los siglos siguientes, por lo que no deben esperarse grandes diferencias microestructurales. Las estructuras observadas son equivalentes a las comentadas con anterioridad, es decir hierros forjados con distinto contenido de carbono e inclusiones. Aparentemente, a falta de un estudio más c.xhaustivo, es más usual encontrar piezas con carbono en tre las armas musulmanas que entre las cristianas, lo que supondría un conocimiento básico del carácter endurecedor del mencionado elemento. También se observan dife rencias entre las escorias e inclusiones visibles en ambas piezas. En general las e.scorias asociadas a la ferrita. o hierro "p'^'ro". tiende a estar constituida por varias fa.ses. La escoria de las piezas ct>nteniendo carbono, es decir, aceros, suelen estar formadas por una sola fase. 2.3. Los niI RKOS A I INAl l S DI l SIC.LO XIX El tercer ejemplo escogido para ilustrar la tecnología de fabricación del hierro es posterior a El Giraldillo. Se trata de la construcción del muelle-embarcadero de mi neral de la compañía Río Tintii Mines en Huelva [12 y 13]. El muelle se construyó con material traído expresamente de Inglaterra entre los años 1885 y 1889. Es por tanto coetáneo de la restauración del tramo inferior del espárrago de El Giraldillo. Las vigas, remaches y tornillos usados para la construcción del puente habrían sido fabricados con dos materiales diferentes; hieiTo pudelado y un acero fundido muy pri mitivo. La gran mayoría de las vigas y aproximadamente un cincuenta por ciento de los tomillos y remaches muestran la estructura típica de un hierro pudelado. La microes tructura consiste en graneas equiaxiales de ferrita. con numerosas inclusiones no metá licas alargadas. De otro lado, la mitad de los remaches y tomillería mostraban una estructura de un acero primitiva), con signos de un forjado final por medio de un proceso de con formado poco evolucionado. La cantidad de inclusiones, aunque mucho mayor que en los aceros de nuestros días, es pequeña en comparación con el hierro pudelado. Algu nas de las piezas mostraban un contenido de carbono ligeramente superior, apareciendo una estructura de Widmanstátten. Estos aceros eran producidos en Inglaterra mediante un proceso de obtención del hieiTO en estado líquido, prácticamente por primera vez en la historia en cantidades industriales, gracias al uso del convertidor Bessemer cuyo desarrollo era muy activo en esa época. 3. COMENTARIOS FINALES Se han expuesto los procedimientos principales de fabricación de hierros y aceros, poniendo especial atención a los métodos usados entre el siglo XVI y el XIX. El estudio de las fases metálicas de los materiales férreos fabricados en dicho pe ríodo permite conocer aproximadamente el contenido de carbono del material, por ejemplo, si ha sido deliberadamente cementado para endurecerlo. También permite co nocer si la pieza ha sido obtenida por soldadura mediante forja de más de un trozo de metal, o si se llevó a cabo un trabajo en frío más o menos intenso para obtener en durecimiento por deformación. Los materiales fabricados a lo largo del siglo XIX por UNIVERSIDAD DE S l^ac e Hisíoriv ::c3 J SBSS 560 /••O. Cr/ns. J,M (;uiahi>,> > EJ. el método de pudelado o en la segunda mitad del mismo siglo mediante los métodos Bessemer, Thomas o Martm-Siemens pueden distinguirse del hierro forjado anterior. No hemos estudiado hasta el momento ninguna pieza obtenida por el método indirecto, es decir, por intermedio de arrabio obtenido en un homo alto Sin embargo, la metalografía de las fases metálicas no permite identilíear con se gundad la época de fabricación de la pieza en el período contemplado en esta eomunicación. Por ello, la información que se obtiene con esta técnica está siendo completada en los últimos años mediante el estudio de las fases no metálicas, es decir las escorias y óxidos embebidos en la matriz metálica. En algunos casos, esta técnica se ha mostrado útil para determinar el proce.so de fabricación o la procedencia de las piezas fabricadas por un mismo procedimiento [14 y 15]. 4. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al Maestro Mayor de la Catedral D Al fonso Jiménez por las facilidades dadas en la los estudios relativos al Giraldillo Parte de los trabajos de preparación de esta comunicación han sido finaneitidos por el Instituto Andaluz de Patrimonio Histórico. III Ct »N< >K1 bl I N \I I' 'S \l MI Ak».'! i i iMI i ki \ 561 101 Accbcs, J.M \ (iallatilfj. J.M.. 1.a cstruclura portante del Giraldillo de la Catedral de .Se\ illa. ( '< /( //<; 43. 66-70. 1 1 ] Cuevas. l (¡ . C.allardo. J.M.. l.o|XV Payer. M,G,. Rosado Llantas. M.D.. Soria Lemta. M. y \ illeeas. 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