La Guerra de Crimea, Bessemer y el acero estructural

Sir Henry Bessemer (1813-1898). https://es.wikipedia.org/wiki/Henry_Bessemer

No es casual que un conflicto bélico y el despegue de la industria armamentística provoquen crisis de calado que acelera y transforma, paradógicamente, la calidad de vida en muchos países. La Guerra de Crimea (1853-1856) empezó y concluyó en medio de una auténtica revolución debida a Sir Henry Bessemer. Fue este ingeniero inglés el que, hacia 1855, descubrió en Inglaterra la posibilidad de afinar el arrabio procedente de los altos hornos, patentando el proceso ese mismo año. Eso cambió profundamente la industria armamentística, pero también la civil, con la construcción de barcos, ferrocarriles, edificios industriales y puentes. Fue el inicio de la Era del Acero.

Pero vayamos por partes. La Guerra de Crimea enfrentó al Imperio ruso y al reino de Grecia contra una coalición formada por el Imperio otomano, Francia, Gran Bretaña y el reino de Cerdeña. El origen de la guerra puede encontrarse en la decadencia del Imperio otomano y el expansionismo ruso, que acrecentaron el temor de Francia y Gran Bretaña de que el Imperio otomano se desmoronase y pasase a ser un vasallo ruso. El conflicto terminó con la derrota de Rusia. Se puso fin al orden europeo surgido del Congreso de Viena, resurgió Francia como potencia, el Imperio austríaco entro en declive y Rusia empezó reformas como la abolición de la servidumbre y cambios en la estructura, reclutamiento y entrenamiento de su ejército. Pero lo que más nos interesa en este artículo es resaltar que la de Crimea fue la primera guerra moderna que utilizó nuevas tecnologías como el ferrocarril, el barco de vapor, el telégrafo, la fotografía y una nueva generación de fusiles. “Agua, sol y guerra en Sebastopol” es un viejo dicho de los agricultores castellanos con motivo de la Guerra de Crimea. El agua y el sol multiplicaban las cosechas y la guerra cerraba la salida del trigo de las estepas ucranianas y rusas cuando se bloqueaba  el puerto de Sebastopol. Esta guerra propició  la subida del precio del cereal español y era motivo de alegría de sus agricultores.

En plena Guerra de Crimea, Inglaterra buscaba producir acero más resistente y en grandes cantidades, pues algunos cañones no resistían el calibre de determinados disparos. A Bessemer se le ocurrió insuflar aire a través del baño fundido en los recipientes o convertidores asociados a su nombre. La revolución tecnológica ocurrió en ese mismo momento. Los altos hornos eran capaces de producir arrabio, fundición líquida de las menas del hierro, pero con el inconveniente de presentar contenidos de carbono entorno al 4%. Este arrabio, una vez enfriado, daba lugar a un material de gran dureza pero muy frágil, que solo era apto para moldear piezas de fundición. Pero la inyección de aire presurizado por el fondo del alto horno provocaba la reducción por oxidación del carbono, el silicio y el fósforo del arrabio, dando lugar a la producción del acero en cantidades industriales, con un contenido en carbono inferior al 0,25%. Con su innovación, solo en 25 minutos se podía convertir 25 toneladas de hierro en acero.

Convertidor Bessemer, Kelham Island Museum, Sheffield, Inglaterra (2002). https://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Thomas-Bessemer

Este nuevo proceso productivo disparó la demanda de acero en cantidad y calidad, especialmente con el ferrocarril de la época. Hoy día existen procedimientos más eficientes que los convertidores Bessemer, como los convertidores de oxígeno y los hornos eléctricos. Pero la revolución fue imparable. El acero de calidad permitió una auténtica revolución en la construcción con este nuevo material, el acero estructural.

Hoy en día, los convertidores de oxígeno y los hornos eléctricos acaparan la producción mundial de acero. Se vierte el material en lingoteras de fundición para introducirse en trenes de laminación que conforman, por etapas, chapas, carriles y perfiles laminados. La introducción de sistemas continuos de laminación está eliminado las lingoteras, simplificando los procesos y facilitando la aplicación de los tratamientos térmicos.

En este vídeo os dejo una breve semblanza de Bessemer y su invención.

Os dejo varios vídeos de producción del acero.

 

 

Composición y propiedades del acero

Histórico horno Bessemer. Wikipedia

El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

A continuación os voy a pasar unos vídeos al respecto que espero os sean útiles.

Composición del acero. Tipos más comunes, Comercialización de algunos materiales hechos con acero

Propiedades físicas, térmicas y ópticas del acero.

Propiedades mecánicas y tecnológicas del acero, corrosión.

Comportamiento elastoplástico y pandeo de barras a compresión de acero con bajo contenido de carbono

En la fotografía, de izquierda a derecha, los profesores Gizo Partskhaladze, Julián Alcalá y Víctor Yepes, que forman parte del equipo que ha desarrollado este trabajo

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering (revista indexada en el JCR) fruto de la colaboración con profesores de Georgia. Esta colaboración se gestó con distintas visitas del profesor Gizo Partskhaladze, que también es el Decano de la Facultad de Tecnología de la Shota Rustaveli State University, en Georgia. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Este trabajo presenta nuevos enfoques para resolver un problema de estabilidad de las barras comprimidas en la zona de trabajo elastoplástica. Es bien conocido que los pilares de los edificios, los soportes estructurales en puentes, las barras de perforación de petróleo y la industria de extracción de gas pueden estar sujetos a un riesgo significativo de pérdida de estabilidad.

Hoy en día, existen métodos de diseño basados en los resultados de las pruebas que definen las relaciones (por ejemplo, tensiones críticas-esbeltez) para evitar este riesgo debido a la pérdida de estabilidad, pero no siempre se conocen de forma precisa sus límites. Los principales objetivos de este estudio han sido desarrollar nuevos enfoques que permitieran especificar los valores de las tensiones críticas de los elementos comprimidos más allá del límite proporcional. El problema de estabilidad de los elementos comprimidos en la región elastoplástica se ha estudiado de acuerdo con la teoría de estabilidad. En el artículo se ha sugerido un enfoque original del tema; en particular, la determinación de los valores de las tensiones críticas y el hallazgo de los puntos de la bifurcación se llevaron a cabo mediante la tangente establecida por los resultados experimentales y por la aproximación del llamado doble módulo. El análisis comparativo mostró la ventaja del enfoque propuesto, particularmente que las nuevas curvas críticas estaban ubicadas por debajo de las curvas de Engesser-Karman y Shanley y por encima de las curvas críticas establecidas por los códigos de construcción. Se desarrolló en el trabajo un enfoque novedoso para la determinación de las tensiones críticas en la región elásticoplástica, mediante el cual se aumentó la fiabilidad estructural y la eficiencia económica en casi un 12% en comparación con los enfoques existentes.

A continuación os dejo la referencia y el artículo completo para su descarga, puesto que se ha publicado en la versión de acceso abierto, siendo posible su descarga y distribución sin restricciones.

Referencia:

PARTSKHALADZE, G.; MSHVENIERADZE, I.; MEDZMARIASHVILI, E.; CHAVLESHVILI, G.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2019). Buckling Analysis and Stability of Compressed Low Carbon Steel Rods in Elasto-Plastic Region of Material. Advances in Civil Engineering, 2019: 7601260. DOI:10.1155/2019/7601260

Descargar (PDF, 1.6MB)

 

El acero como material estructural

Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas. Tal y como indica el Real Decreto 751/2011 de 27 de mayo, por el que se aprueba la Instrucción de Acero Estructural (EAE), “las estructuras destinadas a obras de ingeniería civil y de edificación construidas en acero, junto con las realizadas en hormigón y las ejecutadas conjuntamente en acero y hormigón, constituyen la inmensa mayoría de las estructuras existentes construidas en el último siglo y de las nuevas que se proyectan actualmente en nuestro país“.

El acero se obtiene a través de un proceso industrial complejo. Existen, por tanto, en el mercado una gran variedad de aceros disponibles para su empleo en las estructuras, definidos por su forma y calidad, y su transformación por las técnicas habituales de corte y unión. Por ello es importante que el ingeniero estructural tenga en cuenta cómo se fabrica el material, los requisitos para su uso en proyecto y sus aplicaciones. Además de las propiedades mecánicas, tales como el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión, es importante considerar la ductilidad y la resistencia a la fractura, así como la composición química, la metalurgia y la soldabilidad. Con carácter general, las clases de acero utilizables en estructuras para perfiles y chapas, son aceros laminados en calientes, aceros con características especiales y aceros conformados en frío.

A continuación os dejo un vídeo educativo de la profesora Arianna Paola Guardiola, de la Universitat Politècnica de València, donde se explica en 9 minutos las clases y tipos de acero estructural, las secciones de acero laminado y su uso y se indican aplicaciones prácticas. Espero que os sea de interés.