mini|300px|Formación de tochos de arrabio en una cadena de moldes o "coquillas", que recoge el metal fundido a la salida del alto horno
El arrabio arrabio: 1. m. Ingen. Fundición de hierro que se obtiene en el alto horno y que constituye la materia prima de la industria del hierro y del acero. (Quizá procedente del vasco [h]arrobia 'la cantera'). es el metal obtenido a la salida de un alto horno. La calidad de esta fundición de hierro, que se procesa en estado líquido, no se caracteriza por consideraciones metalúrgicas o mecánicas, sino únicamente por su composición química.El arrabio es por lo tanto similar a la mata (sulfuro múltiple que se forma al fundir menas azufrosas, crudas o incompletamente calcinadas), cuyo valor se mide por su composición química y por el hecho de que está fundido. También se puede comparar el arrabio con las ferroaleaciones, usándolo en forma solidificada, donde solo importa su contenido de elementos no ferrosos.
Dadas sus propiedades, el arrabio se parece más a una materia prima que a un producto terminado o semiterminado; y es solo un estado intermedio de la fabricación del acero o de la fundición de hierro.
Historia
mini|250px|center|Altos Hornos Minerva (Reino Unido, 1873)mini|center|250px|Alto horno de Sestao, España (hasta la década de 1980) mini|250px|Secciones de un alto horno de comienzos del (1810) mini|250px|Arrabio en estado líquido, contenido en un cucharón thumb|250px|Fundición de arrabio, acería Iroquois, Chicago, entre 1890 y 1901 mini|250px|Recogida de los tochos de arrabio formados en los moldes de arena (Reino Unido, 1921) mini|250px|Tochos de arrabio
La fundición y producción de hierro forjado era conocida en la antigua Europa y Oriente Medio, pero se producía por reducción directa (es decir, sin alcanzar la temperatura de fusión del hierro) en hornos bajos. En la antigua China ya se fabricaba arrabio durante la Dinastía Zhou (que terminó en el año 256a. C.),Wagner, Donald. Iron and Steel in Ancient China. Leiden 1996: Brill (editorial) pero en Europa, los hornos capaces de fundir el hierro para producir arrabio no aparecieron hasta la Edad Media, como los hallados en Lapphyttan (Suecia), que pueden remontarse al ; o dispositivos similares encontrados en el Condado de Mark (hoy parte de Westfalia, Alemania) que datan del .Several papers in The importance of ironmaking: technical innovation and social change: papers presented at the Norberg Conference, May 1995 ed. Gert Magnusson (Jernkontorets Berghistoriska Utskott H58, 1995), 143-179. Queda por establecer si estos procedimientos desarrollados en el norte de Europa se derivan de los hallazgos realizados en China. Wagner ha postulado un posible vínculo a través de los contactos persas con China a través de la Ruta de la Seda y los contactos vikingos con Persia, pero existe una brecha cronológica entre esta época y la aparición de los hornos de Lapfittan.
La transición del hierro a la fase líquida en el horno era un fenómeno a evitar, dado que descarburizar el arrabio para producir acero era un proceso extremadamente tedioso utilizando tecnología medieval.
No sería hasta la aparición de los primeros altos hornos modernos en Gran Bretaña a finales del , cuando la producción de arrabio en masa, de la mano de Abraham Darby I y su idea de transformar el carbón de hulla en coque, se convirtió en un proceso intermedio que permitió la fabricación de tochos de arrabio, que a su vez posibilitaron la generalización del proceso de pudelación y más adelante de los convertidores. Estos dos procedimientos se convirtieron en elementos clave de la Revolución Industrial, que se sustentó en gran medida en la fabricación masiva de productos siderúrgicos a precios cada vez más asequibles.
Después de la Segunda Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de los altos hornos: la presurización. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25 %. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.Revista "Información Tecnológica", 1994; 96 páginas; Vol. 5,N.º 2; ISSN 0716-8756;Publicado por Centro de Información Tecnológica
En las plantas siderúrgicas integrales, el arrabio pasa directamente del alto horno a los convertidores, de forma que se aprovecha el calor del arrabio líquido, que no necesita ser fundido de nuevo para proceder a su afinado. Sin embargo, la dificultad de ajustar en tiempo real la capacidad de afinado a la de producción de arrabio, ha hecho que perdure la fabricación de tochos de arrabio, que mantienen la condición de este material como un producto intermedio que permite ajustar con mayor flexibilidad el volumen de fabricación de arrabio a la demanda a corto plazo de las empresas dedicadas al afinado de acero.
Proceso de fabricación
mini|250px|"Tocho" o lingote de arrabio
El arrabio es un producto del proceso de fundición de las menas del hierro mediante combustión del coque sumado a la aportación de caliza, que actúa como fundente y catalizador. Es un producto intermedio en procesos de siderometalurgia, de forma que sirve de materia prima en la fabricación de algunos tipos de acero. Se obtiene tras el enfriamiento del material fundido extraído de un alto horno, en cuya fusión interviene principalmente la reducción del hierro presente en el mineral, además de la posterior purificación mediante separación de la escoria. El arrabio tiene un alto contenido en carbono, generalmente entre 3,5 % y 4,5 %, además de sílice y otras impurezas, que lo hacen muy frágil, por lo que tiene limitada su aplicación exclusivamente a su uso como precursor.
Otro de los materiales básicos empleados para obtener arrabio, además del mineral de hierro y el carbón de coque, es la piedra caliza (pulverizada). El coque se quema como combustible para calentar el horno, liberando monóxido de carbono, que se combina con el oxígeno componente de los óxidos de hierro del mineral y por tanto desencadenando la reducción del hierro presente en éstos —aumentando así la concentración de hierro puro en el producto resultante. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:
Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe
La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. El material fundente utilizado se denomina castina, castina: 1. f. Fundente calcáreo que se emplea cuando el mineral que se trata de fundir contiene mucha arcilla. carbonato cálcico muy puro (principal componente de la caliza), al que en ocasiones se le añade espato de flúor. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería parte del hierro metálico (puro) disponible para formar el arrabio final, reduciéndose así la eficiencia del proceso. El silicato de calcio y otras impurezas formarán una escoria que flota sobre el metal fundido recogido en la parte inferior del horno.
Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como amianto (asbesto) o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero (denominado bigotera) para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30m, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.
El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura comprendida entre los 550 y los 900 °C. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.
El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del orificio del hierro (denominado piquera) cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y caiga a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta 100toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente.
Usos
El arrabio extraído de los altos hornos puede tener tres destinos principales: Servir para alimentar el mezclador desde el que pasa directamente a los hornos de afino, para lo que se vierte en grandes cucharones de capacidad variable, que en muchos casos son vehículos ferroviarios especialmente acondicionados para este fin denominados vagón torpedo, que son arrastrados hasta su destino por una locomotora. Convertirse en tochos de arrabio, unos lingotes de formas toscas que una vez enfriados se pueden almacenar a la espera de ser fundidos de nuevo para producir piezas de fundición de hierro o para ser transformados en acero. Estas piezas de arrabio, de unas decenas de kg de peso, tradicionalmente se formaban en una gran extensión cubierta de arena, donde se realizaban manualmente una serie de huecos más o menos iguales que servían de moldes, así como los canales necesarios para hacer fluir el metal fundido hasta estos moldes. Este antiguo proceso, que data la época de Darby, se ha sustituido por una cinta sin fin de moldes refractarios ("coquillas"), en los que se enfría el metal hasta que está en condiciones de que se desprendan automáticamente los lingotes. Servir para el moldeado de piezas de fundición directamente, si bien uso solo es admisible en la producción de elementos que no deban soportar cargas estructurales o elevadas presiones.
Producción mini|200px|Extracción de arrabio
Con mucho, el país productor más importante de arrabio a comienzos del es la República Popular China: + Los mayores productores de arrabio (2015)World Steel Association: Statistics Archive Posición País Producción(en miles de t) Posición País Producción(en miles de t) 1 China 691410 8 USA25357 2 Japón 81011 9 Ucrania22148 3 India 57334 10 Taiwán14305 4 Rusia52682 11 Turquía10184 5 Corea del Sur46651 12 Francia10097 6 Brasil27803 13 Reino Unido8775 7 Alemania27578 … Otros países<7000
Composición Al estar el arrabio destinado al afinado, su composición está optimizada para garantizar una mejor eficiencia de los procesos posteriores a la salida del material del alto horno. De hecho, para todas las acerías integrales, razones económicas impedían que se multiplicaran las operaciones de afinado lo suficiente como para extraer hierro perfecto de un mal arrabio.
Distinguir las fundiciones según su finalidad (arrabio para ser afinado en un convertidor o para producir fundición de hierro), en lugar de por su fractografía (fundición blanca, gris o atruchada) se generalizó durante el con el uso del acero en detrimento del hierro pudelado y del hierro forjado. De este modo: