Alto-forno

Antiguidade

Os alto-fornos mais antigos conhecidos foram construídos no China da dinastia Han, no Século I a.C., embora os artefatos férreos encontrados neste país datem do Século V a.C. - o que torna possível acreditar-se que a história dos altos-fornos na China seja mais antigo do que atualmente se supõe. Estes fornos primitivos possuíam paredes de barro com grande quantidade de minerais fosfóricos.^[1]

Enquanto se acreditava por muito tempo que os chineses haviam desenvolvido o método de fundição do ferro, Donald Wagner (mesmo autor da referência anterior), publicou novo trabalho^[2] substituindo algumas das afirmações de seu trabalho anterior. Nesta pesquisa mais recente, o autor coloca a data dos primeiros artefatos de fundição entre os séculos IV e V a.C., mas também cogita de evidências de que o uso dos fornos de fundição tenha se difundido para o ocidente. Ele sugere, também, que os alto-fornos primitivos teriam se evoluído a partir dos fornos para derretimento do bronze. Isso pode ser confirmado pelo que é hoje conhecido como "uma das maiores obras de engenharia", o "mar de fundição" uma bacia de cobre no templo de Jerusalém, que pesava cerca de 30 toneladas e comportava 40.000 litros de água, construído pelo povo hebreu em meados do século IX a.C no reinado de Salomão.^[3]

Europa Antiga

O ferro foi fundido pelos gregos, celtas, romanos e cartagineses da Antiguidade. Foram encontrados vestígios variados na França (antiga Gália). Materiais encontrados na atual Tunísia sugerem seu uso por ali, como também na Antioquia durante o período helenístico. Embora seja pouco conhecido o seu uso durante a Idade Média, o processo provavelmente continuou em uso. A fundição aperfeiçoada recebeu o nome de forja catalã, e foi inventada na Catalunha, na atual Espanha, durante o século VIII. Em vez de usar a estrutura de ventilação natural, adicionou o sistema de foles para bombear o ar no interior. Isso permitiu a um tempo produzir um ferro de melhor qualidade, como aumentou-lhe a capacidade. É reconhecido que os monges cistercianos, que eram bons engenheiros e qualificados metalúrgicos, tinham conseguido produzir um verdadeiro aço, sendo considerados os inventores do alto-forno na Europa.

Idade Média

Os alto-fornos mais antigos conhecidos foram construídos na Suécia ocidental, em Lapphyttan, e o complexo esteve ativo entre os anos de 1150 a 1350. Em Noraskog, no município sueco de Järnboås foram encontrados restos de alto-fornos datados de antes desse período, provavelmente por volta de 1100.^[4] Isso constitui um fato obscuro, e será possivelmente impossível determinar se o alto-forno foi desenvolvido independentemente na Suécia medieval, ou se este conhecimento foi-lhes transmitido de alguma forma, da Ásia. Estes primitivos fornos, a exemplo dos chineses, eram extremamente ineficientes, se comparados com os atuais. Era utilizado o ferro das minas de Lapphyttan para a produção de bolas de ferro forjado, conhecidas como osmonds, e que eram internacionalmente comercializadas - uma possível referência disso encontra-se em um tratado com Novgorod, de 1203, além de várias referências certas nas contas alfandegárias inglesas entre os anos de 1250 a 1320. Foram também identificados fornos dos séculos XIII a XV na Vestfália.^[5]

Podem ter sido também transmitidos os conhecimentos dos avanços tecnológicos promovidos pela Ordem de Cister, inclusive do forno de produção do aço. Um alto-forno medieval (e o único identificado fora da Inglaterra, e que se acreditou conter avanços semelhantes aos alto-fornos modernos) foi identificado por Gerry McDonnell, arqueometalúrgico da University of Bradford. Ela localizava-se em Laskill, uma estação externa da Abadia de Rievaulx, produtora de aço. Sua data, entretanto, não é precisa; ela certamente não sobreviveu à dissolução dos monastérios, promovida na década de 1530 por Henrique VIII - razão pela qual esse conhecimento não se espalhou para além de Rievaulx.^[6]

A data de operação do forno não apenas não está clara, como também é possível não haver sobrevivido por muito tempo, de acordo com registros do Conde de Rutland, em 1541.^[7]

Uma correia transportadora conduz a carga contendo as matérias primas ferrosas, fundentes e coque para a parte superior do forno, onde são distribuídas alternadamente em seu interior. Em uma região chamada zona de combustão, as ventaneiras sopram gases à elevadas temperaturas, contendo oxigênio e outros combustíveis auxiliares (óleo mineral, carvão pulverizado, gás natural, etc.), que sobem e reagem com a carga metálica contida no interior do forno, causando sua redução e fusão.

A principal reação química que produz o ferro fundido é:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂^[8]

Essa reação pode ser dividida em várias etapas. A primeira envolve o ar explosivo pré-aquecido soprado no forno com o carbono do coque para produzir monóxido de carbono:

2 C_(s) + O_2(g) → 2 CO_(g)

O monóxido de carbono é um gás redutor do minério de ferro e reage com o óxido de ferro para produzir ferro fundido e dióxido de carbono.

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

A temperaturas em torno de 850° C, o ferro é reduzido ainda mais ao óxido de ferro:

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

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

FeO_(s) + CO_(g) → Fe_(s) + CO_2(g)

Os produtos das reações que ocorrem no alto-forno são o ferro-gusa e a escória, escoados no estado líquido para a base do reator e separados por diferença de densidade. O ferro-gusa é conduzido por canais refratários para os carros torpedos para ser transportado para as aciarias. A escória é levada para os granuladores de escória.^[9]