Metalurgia do ferro

A redução do ferro extrai o metal do minério aquecido com carvão vegetal num pequeno forno de argila alimentado com ar por foles. Este forno baixo produz normalmente uma massa sólida e pobre em carbono, a lupa, que o ferreiro compacta e trabalha até obter ferro forjado.

O que é

Por dentro, uma lupa em bruto é uma esponja de ferro e escória. Horas de forja transformam-na numa barra.

O ferro é um dos elementos mais comuns da crosta terrestre, mas quase nunca aparece em estado metálico. Existe nos minérios como óxidos: a hematite vermelha, a magnetite negra, o minério castanho que se extrai dos pântanos. A redução retira o oxigénio a estes minérios e fica com o metal.

Durante quase três mil anos, isto fez-se no forno baixo, um forno de argila com cerca de um metro de altura onde o carvão vegetal arde sob o sopro dos foles. O seu produto é a lupa, uma massa esponjosa de ferro misturado com escória. Martelada a quente, torna-se ferro forjado, tenaz e fácil de trabalhar. Dele se fizeram relhas de arado, pregos e espadas até o alto-forno o substituir na Europa, no fim da Idade Média.

Como funciona

Ao arder diante do algaraviz, o carvão aquece o forno. Mais acima na cuba, onde falta oxigénio, forma monóxido de carbono, e este gás, ao subir pela carga, retira o oxigénio ao óxido de ferro. O minério perde o oxigénio por etapas, e a reação torna-se rápida acima de uns 900 °C.

A lupa consolida-se primeiro a quente com golpes leves; pode ser reaquecida entre séries de marteladas.

O forno trabalha a cerca de 1100 a 1200 °C e produz normalmente uma lupa sólida, pobre em carbono. O ferro puro funde a 1538 °C, mas o ferro rico em carbono pode fundir às temperaturas do forno baixo. A sílica e outros minerais do minério combinam-se com parte do óxido de ferro e formam uma escória rica em ferro, que pode fluir a cerca de 1180 °C conforme a sua composição. A escória desce junto ao algaraviz, o bocal de argila que traz o ar, enquanto os grãos de metal se aglomeram logo abaixo e formam a lupa. O fundidor deixa sair a escória por um arco na base, ou a escória acumula-se numa cova sob o forno.

A lupa sai do forno incandescente e porosa, cheia de escória e carvão. Se for frágil, pode precisar de golpes leves ao início, por vezes com um maço de madeira. Também se pode deixá-la arrefecer e voltar a aquecê-la antes de a compactar; não é indispensável martelá-la logo ao calor branco. Aquecimentos e passagens sucessivas pela forja compactam o metal e expulsam grande parte da escória. A perda de peso depende da lupa e do método de forja. O carbono é geralmente pouco e está distribuído de forma irregular, pelo que a mesma lupa pode conter ferro macio e zonas de aço.

Como se constrói

Segue-se o esboço de uma pequena redução, não um desenho cotado. É preciso argila misturada com areia e palha, minério, muito carvão vegetal, foles ou um ventilador, e uma equipa para um dia inteiro.

Preparar o minério. Torrá-lo numa fogueira aberta para expulsar a água e torná-lo quebradiço, e parti-lo em pedaços de cerca de um centímetro. Partir o carvão em pedaços de uns dois centímetros e peneirar o pó, para o gás circular pela carga.

Erguer a cuba. Em terreno seco, levantar um cilindro de argila com cerca de um metro de altura e 25 a 30 cm de diâmetro interior, com paredes da grossura de vários dedos. Deixar um orifício junto à base para o algaraviz e um arco que se possa abrir e voltar a fechar com argila. Deixar secar devagar vários dias e acabar com uma pequena fogueira lá dentro.

Pré-aquecer e carregar. Encher a cuba de carvão e fornecer ar até ficar em brasa de cima a baixo. Nas experiências do WIRG juntam-se cerca de 1 kg de minério e 1 kg de carvão por carga, a cada 10–15 minutos, com um total declarado de 15–20 kg de cada material por redução. São 15–20 cargas duplas, equivalentes a cerca de 2,5–5 horas a esse ritmo, sem pressupor cinco horas de carregamento contínuo. A duração declarada de cerca de cinco horas inclui a combustão final; o pré-aquecimento é feito à parte. Prever carvão adicional para o pré-aquecimento e para a última carga de carvão apenas: o total das cargas duplas não cobre todo o combustível.

Controlar o sopro. Vigiar a temperatura e a descida das cargas, ajustando o ar para manter a redução e o escoamento da escória. A absorção de carbono depende da proporção entre carvão e minério, da atmosfera do forno, do tempo de permanência e da química da escória. Mais ar, por si só, não permite prever a formação de ferro fundido: algumas experiências produziram ferro com menos carbono ao aumentar o caudal de ar. Vazar a escória à medida que se acumula; o WIRG indica um primeiro vazamento após cerca de três horas.

Extrair e compactar. Depois de a última carga arder, abrir a frente e tirar a lupa com a tenaz. Se for frágil, começar com golpes leves, por exemplo com um maço de madeira, e aumentar a força quando estiver mais coesa. Também é possível deixá-la arrefecer e reaquecê-la antes da compactação. Reaquecê-la na forja entre passagens até formar uma barra coesa.

Segurança. Um forno baixo trabalha acima de 1100 °C. A escória líquida provoca queimaduras profundas e incêndios. Trabalhar ao ar livre sobre terra nua e seca, longe de erva seca, com areia seca à mão. Manter secos os utensílios e o terreno onde cai a escória. Nunca deixar que a água toque escória quente ou líquida nem entre no forno quente: a formação súbita de vapor pode causar uma explosão. Usar botas de couro, luvas, avental e óculos, e nunca ficar em frente do arco de vazamento. Pelo topo sai monóxido de carbono: manter o rosto afastado e nunca fazer reduções em espaços fechados. Argila ou minério húmidos podem rebentar com o calor.

História e evolução

Trabalhou-se o ferro antes de se saber reduzi-lo. Alguns dos objetos de ferro mais antigos foram martelados de meteoritos, que contêm níquel. Há indícios de reduções antigas na Anatólia, na atual Turquia, embora o lugar e a data da invenção continuem incertos. Em Kaman-Kalehöyük, fragmentos datados de cerca de 1800 a.C. incluem algum aço-carbono, e o carbono irregular sugere ferreiros que ainda faziam experiências. Por volta de 1250 a.C., o rei hitita Hattusili III escreveu uma carta sobre o fabrico de «bom ferro».

Por volta de 1200 a.C., o uso do ferro alarga-se no Próximo Oriente, a ritmos diferentes conforme a região. A redução já era conhecida antes. Cerca de 1100 a.C. já era comum em Chipre e no Levante. A maior parte da Europa usava-o desde cerca de 800 a.C., e em 500 a.C. os fornos baixos eram conhecidos do Mediterrâneo à Escandinávia. Ao contrário do cobre e do estanho do bronze, o minério de ferro encontrava-se em quase toda a parte.

Foles de pote: bombeando à vez as coberturas de couro, o ar corre sem interrupção.

A África teve tradições próprias, com fornos na Núbia desde o século VII a.C. e na África Ocidental o mais tardar no século VI a.C. A China aprendeu provavelmente a redução em forno baixo com o Ocidente por volta do século VIII a.C. e passou cedo a fornos quentes o bastante para produzir ferro fundido líquido.

Durante séculos, as lupas europeias pesaram cerca de dois quilos, pequenas o bastante para se forjarem à mão. Os fornos romanos, com até dois metros de altura, davam lupas de 10 a 15 kg, e por volta de 1500 os martelos hidráulicos já trabalhavam lupas de 100 kg ou mais. O alto-forno de Lapphyttan, na Suécia, já funcionava desde meados do século XII. Os altos-fornos difundiram-se mais nos séculos medievais seguintes e por volta de 1500 produziam ferro fundido em quantidade; os fornos baixos perderam terreno aos poucos. As forjas catalãs de Espanha e do sul de França ainda funcionavam em meados do século XIX.