Reducción del hierro

La reducción del hierro extrae el metal del mineral calentado con carbón vegetal en un pequeño horno de arcilla alimentado con aire por fuelles. Este horno bajo suele producir una masa sólida y pobre en carbono, la zamarra, que el herrero compacta y transforma en hierro forjado.

Qué es

Por dentro, una zamarra en bruto es una esponja de hierro y escoria. Horas de forja la convierten en una barra.

El hierro es uno de los elementos más comunes de la corteza terrestre y, sin embargo, casi nunca aparece en estado metálico. Se encuentra en los minerales en forma de óxidos: la hematites roja, la magnetita negra, el mineral pardo que se extrae de los pantanos. La reducción arranca el oxígeno de esos minerales y se queda con el metal.

Durante cerca de tres mil años, la herramienta para hacerlo fue el horno bajo, un horno de arcilla de alrededor de un metro de altura en el que el carbón vegetal arde bajo el aire de los fuelles. Su producto es la zamarra, un bloque esponjoso de hierro mezclado con escoria. Martilleada en caliente, la zamarra se convierte en hierro forjado, tenaz y fácil de trabajar en la fragua. Con él se hicieron rejas de arado, clavos y espadas hasta que el alto horno se impuso en Europa a finales de la Edad Media.

Cómo funciona

El carbón vegetal arde delante de la tobera y calienta el horno. Más arriba en la cuba, donde escasea el oxígeno, forma monóxido de carbono, y este gas le quita el oxígeno al óxido de hierro mientras asciende a través de la carga. El mineral cede su oxígeno por etapas, y la reacción se vuelve rápida por encima de unos 900 °C.

La zamarra se consolida primero en caliente con golpes ligeros; puede recalentarse entre tandas de martillado.

El horno trabaja a unos 1100 a 1200 °C y suele producir una zamarra sólida, pobre en carbono. El hierro puro funde a 1538 °C, pero el hierro rico en carbono puede fundirse a las temperaturas del horno bajo. La sílice y otros minerales de la mena se combinan con parte del óxido de hierro y forman una escoria rica en hierro que puede fluir hacia los 1180 °C, según su composición. La escoria desciende junto a la tobera, la boquilla de arcilla por la que entra el aire, mientras los granos de metal se agrupan justo debajo y forman la zamarra. La escoria sale por un arco en la base o se acumula en un foso bajo el horno.

La zamarra sale del horno incandescente y porosa, cargada de escoria y carbón. Si es frágil, puede requerir golpes suaves al principio, a veces con una maza de madera. También se puede dejar enfriar y recalentar antes de compactarla; no es imprescindible martillearla de inmediato al rojo blanco. Las sucesivas calentadas y pasadas de forja compactan el metal y expulsan buena parte de la escoria. La pérdida de peso depende de la zamarra y del método de forja. El carbono suele ser escaso y estar repartido de forma irregular, por lo que una misma zamarra puede contener hierro dulce y zonas de acero.

Cómo se construye

Lo que sigue es el esquema de una pequeña reducción, no un plano acotado. Hace falta arcilla mezclada con arena y paja, mineral, mucho carbón vegetal, fuelles o un soplador, y un equipo para toda una jornada.

Preparar el mineral. Tostarlo en un fuego abierto para expulsar el agua y volverlo quebradizo, y después partirlo en trozos de alrededor de un centímetro. Partir el carbón en trozos de unos dos centímetros y cribar el polvo para que el gas pueda circular por la carga.

Levantar la cuba. Sobre suelo seco, alzar un cilindro de arcilla de cerca de un metro de alto y 25 a 30 cm de diámetro interior, con paredes de varios dedos de grosor. Dejar un orificio cerca de la base para la tobera y un arco que se pueda abrir y volver a cerrar con arcilla. Dejarlo secar despacio durante varios días y terminar con un fuego pequeño en su interior.

Precalentar y cargar. Llenar la cuba de carbón y suministrar aire hasta que brille en toda su altura. En los ensayos del WIRG se añaden cargas de unos 1 kg de mineral y 1 kg de carbón cada 10–15 minutos, con un total declarado de 15–20 kg de cada material por reducción. Son 15–20 cargas dobles, que equivalen a unas 2,5–5 horas a ese ritmo, sin suponer cinco horas continuas de carga. La duración declarada de unas cinco horas incluye la combustión final; el precalentamiento va aparte. Reservar carbón adicional para precalentar y para la última carga de carbón solo: las cargas dobles no cubren todo el combustible necesario.

Regular el aire. Vigilar la temperatura y el descenso de las cargas, y ajustar el aire para mantener la reducción y el flujo de escoria. La absorción de carbono depende de la proporción de carbón y mineral, la atmósfera del horno, el tiempo de permanencia y la química de la escoria. Un mayor caudal de aire por sí solo no permite prever la formación de hierro colado: algunos ensayos obtuvieron hierro con menos carbono al aumentar el aire. Sangrar la escoria según se acumule; el WIRG indica un primer sangrado después de unas tres horas.

Extraer y compactar. Tras consumirse la última carga, abrir el frente y sacar la zamarra con tenazas. Si es frágil, empezar con golpes suaves, por ejemplo con una maza de madera, y aumentar la fuerza cuando se mantenga unida. También se puede enfriar y recalentar antes de compactarla. Recalentar en la fragua entre pasadas hasta obtener una barra cohesionada.

Seguridad. Un horno bajo supera los 1100 °C. La escoria líquida causa quemaduras profundas e incendios. Trabajar al aire libre, sobre suelo desnudo y seco, lejos de la hierba seca, con arena seca a mano. Mantener secos los útiles y el suelo donde cae la escoria. Nunca permitir que el agua toque escoria caliente o líquida ni que entre en el horno caliente: la formación repentina de vapor puede causar una explosión. Llevar botas de cuero, guantes, mandil y protección ocular, y no situarse delante del arco de sangrado. Por la boca sale monóxido de carbono: mantener la cara apartada y no hacer reducciones en espacios cerrados. La arcilla o el mineral húmedos pueden reventar al calentarse.

Historia y evolución

Se trabajó el hierro antes de saber reducirlo. Algunos de los objetos de hierro más antiguos se hicieron a martillo con hierro de meteoritos, que contiene níquel. Hay indicios de reducciones tempranas en Anatolia, en la actual Turquía, aunque el lugar y la fecha de la invención siguen siendo inciertos. Entre los fragmentos de Kaman-Kalehöyük fechados hacia 1800 a. C. hay algo de acero al carbono, y lo desigual de su carbono hace pensar en herreros que todavía estaban experimentando. Hacia 1250 a. C., el rey hitita Hattusili III escribió una carta sobre la fabricación de «buen hierro».

Hacia 1200 a. C. se amplía el uso del hierro en Oriente Próximo, con ritmos distintos según la región. La reducción ya se conocía antes. Hacia 1100 a. C. era habitual en Chipre y el Levante, la mayor parte de Europa lo usaba desde alrededor de 800 a. C., y hacia 500 a. C. el horno bajo se conocía desde el Mediterráneo hasta Escandinavia. A diferencia del cobre y el estaño del bronce, el mineral de hierro podía extraerse casi en cualquier parte.

Fuelles de vasija: al bombear por turnos las cubiertas de cuero, el aire fluye sin interrupción.

África tuvo sus propias tradiciones, con hornos en Nubia ya en el siglo VII a. C. y en África occidental como muy tarde en el VI. China probablemente aprendió del oeste la reducción en horno bajo hacia el siglo VIII a. C., y pronto pasó a hornos lo bastante calientes para obtener hierro colado líquido.

Durante siglos, las zamarras europeas pesaron unos dos kilos, lo justo para poder forjarlas a mano. Los hornos romanos, de hasta dos metros de altura, daban zamarras de 10 a 15 kg, y hacia 1500 los martinetes movidos por agua podían trabajar zamarras de 100 kg o más. El alto horno de Lapphyttan, en Suecia, ya funcionaba desde mediados del siglo XII. Los altos hornos se extendieron más durante los siglos medievales siguientes y hacia 1500 producían hierro colado en grandes cantidades; los hornos bajos fueron perdiendo terreno. Las forjas catalanas de España y del sur de Francia seguían funcionando a mediados del siglo XIX.