PERSONAL DE LA FAO
POR LARGO tiempo el carbón de leña ha sido el único combustible y agente reductor en la historia de la producción de hierro. La escasez de madera en algunos países dio lugar a que se recurriera al coque como combustible de sustitución y en la actualidad éste predomina en la mayoría de los países, aun en aquellos que cuentan con importantes recursos forestales. Se ha llegado a pensar en el coque en general como combustible relacionado con los importantes altos hornos del día de hoy que son sumamente productivos y, por eso, resulta fácil concluir que el carbón de leña es menos eficaz. Ahora bien, aunque la tendencia general ha consistido en alejarse del empleo de carbón de leña, siguen funcionando en varios países altos hornos a base de carbón de leña e incluso está ya planeada la ampliación de algunas de esas operaciones. Las condiciones económicas varían mucho, tanto entre un país y otro como dentro de los propios países y por ello convendría estudiar en qué casos se prefiere el carbón de leña a fin de determinar los factores económicos y técnicos pertinentes. Por desgracia, no ha sido posible realizar un estudio cabal de la materia, pero se cuenta, no obstante, con datos que señalan la enorme trascendencia que ha tenido el adelanto técnico en la silvicultura, en la producción de carbón de leña y en las operaciones siderúrgicas. En una monografía de Constantine¹ se afirma que «en condiciones de explotación modernas el carbón de leña puede ser tan económico y eficaz como el coque para la fundición de mineral de hierro en un alto horno de tipo corriente, a condición tan sólo de que se disponga de suficientes materias primas». A la vez, en varias de las monografías presentadas en este Simposio se subraya que escasea el coque para la metalurgia y que su precio es elevado, pues suele ser preciso transportarlo a grandes distancias.
¹ Constantine, A. Charcoal blast furnace operations, Wundowie, Australia Occidental. Simposio internacional, 1963.
Hace unos 200 años una tonelada de hierro en lingotes producida en Suecia exigía más de dos toneladas de carbón de leña,² es decir, posiblemente cerca de 18 metros cúbicos de madera sólida (blanda). Hace 100 años, esas necesidades eran inferiores a 1,5 toneladas de carbón de leña, o sea 12 metros cúbicos de madera blanda. En la actualidad, normalmente se requieren cerca de 0,7 toneladas de carbón de leña (igual cantidad que la de coque), equivalentes tan sólo a 5 metros cúbicos de madera blanda, debido al mayor rendimiento del carbón de leña. Si se emplean maderas de frondosas esa proporción- puede bajar a 3,5 metros cúbicos, e incluso a menos cuando se trata de maderas muy densas. Así, pues, se han realizado economías muy apreciables en el empleo de la madera y el carbón de leña.
² Arpi, G., Den svenska jarnhanteringens trakolsforsorjning 1830-1950, Jernkontoret, Estocolmo, 1951.Documento preparado para un Simposio interregional de las Naciones Unidas sobre la aplicación de las prácticas de la técnica moderna de la siderurgia a los países en desarrollo, 1963.
Al hacer una evaluación de la importancia del carbón de leña en la producción de hierro en lingotes, detengámonos primeramente a observar algunas de las operaciones en que actualmente se emplea carbón de leña.
La industria de hierro que emplea carbón de leña, Wundowie, Australia Occidental
Se trata aquí de una industria integral que comprende serrerías, fabricación de carbón de leña y de hierro, descrita en detalle por Constantine.¹ Los principales datos pueden resumirse de la siguiente manera.
El bosque tiene una composición muy uniforme y prácticamente sólo se emplea una especie de eucalipto. Los residuos forestales y de serrería representan cerca del 70 por ciento de las existencias en formación. El bosque se explota sobre una base de rendimiento sostenido, con una edad de turno de 100 años. Dentro de un radio de casi 40 kilómetros existe madera suficiente para producir 170.000 toneladas de hierro en lingotes al año y, además, a una distancia de 65 kilómetros, que es la que se considera distancia máxima para el transporte económico, hay madera bastante para producir 400.000 toneladas de hierro en lingotes. El programa se ha desarrollado en dos fases. Primeramente, una fábrica experimental con capacidad para producir 10.000 toneladas de hierro en lingotes inició sus operaciones en 1948 y ya en el año 1953 era una empresa económicamente independiente. La operación se extendió a 50.000 toneladas en 1958, ha dado buenos resultados económicos y se han hecho ya planes para ampliarla a 250.000 toneladas al año.
Se produce el carbón de leña en hornos continuos, cuyo rendimiento es del 37 por ciento de la madera seca empleada, y se hallan articulados con un alto horno, constituyendo así una unidad muy eficaz por las economías que se realizan en calor y energía eléctrica. Todas las operaciones industriales están muy mecanizadas, incluyendo las forestales, por lo cual el costo de la madera preparada para cargar las retortas es inferior a 4 dólares E.U.A. por tonelada. El costo del carbón de leña es de 20 dólares E.U.A. la tonelada, poco más o menos, pero se espera que baje a 18 dólares con el incremento del volumen de la producción.
El hierro en lingotes es muy puro y contiene menos de 0,015 por ciento de azufre y alrededor de 0,03 por ciento de fósforo, prácticamente sin otras impurezas.
La madera empleada tiene gran densidad y produce carbón de leña duro con una densidad de volumen de aproximadamente 300 kilogramos por metro cúbico. En éste y otros factores se funda la declaración enunciada en la monografía, en el sentido de que es asunto debatible el que haya límites para el tamaño de los altos hornos que funcionan a base de carbón de leña. Los planes de ampliación prevén una construcción de unidades con una capacidad de 400 toneladas de hierro al día, de 19,5 metros de altura y un diámetro de fogón de 4,5 metros.
Compañía Siderúrgica Belgo-Mineira, Monlevado, Brasil
Esta Compañía está situada en la meseta brasileña de Minas Geraes y no cuenta con recursos locales de coque. Utiliza carbón de leña de las masas mistas tropicales de segundo y tercer crecimiento y de las plantaciones de eucaliptos. En la actualidad las plantaciones sólo suministran el 10 por ciento de las necesidades, si bien esa proporción aumenta todos los años y se piensa que habrá alcanzado el 100 por ciento en el año 1983, para atender a una producción de hierro de 500.000 toneladas. La superficie total de plantación requerida para producir ese volumen es de 136.000 hectáreas, con un rendimiento de 2,5 millones de metros cúbicos sólidos al año. El replante se hace a los 22 años, con beneficios por cortas únicas intermedias después de transcurridos 8 y 15 años. El rendimiento medio es aproximadamente de 20 metros cúbicos sólidos por hectárea y año, mayor que el rendimiento del monte natural. Las especies plantadas rinden madera relativamente densa. Es bastante satisfactorio, según se tiene entendido, e] carbón de leña que se obtiene de la masa mixta; su densidad y su textura son variables, sin embargo, al paso que las plantaciones rinden un producto de elevada calidad más constante.
Las operaciones forestales están menos mecanizadas que en la operación anteriormente descrita y hasta la fecha la producción de carbón de leña se ha hecho en hornos de ladrillo discontinuos. Se está construyendo un horno continuo con capacidad de casi 60 toneladas al día. El costo de la madera procedente de plantaciones que se emplea en el horno de carbón de leña, se calcula en 2,50 dólares E.U.A. por tonelada de madera seca. El costo correspondiente del carbón de leña asciende, aproximadamente, a 8 dólares la tonelada, mientras que el carbón de leña fabricado con madera del bosque natural. en parte comprada, es menos costoso.
CUADRO 1 - ANÁLISIS DEL CARBÓN DE LEÑA
FUENTE: Estación de experimentación forestal, Meguro, Sección de carbón de leña: Outline of Japanese charcoal and charcoal study, 1960. ¹ La dureza fue verificada con el durómetro Miura. - ² El valor calorífico se ha calculado a base de los datos de análisis industriales ³ El tipo que se emplea para la metalurgia en el Japón.
Otros países
No se conoce el número de los altos hornos a base de carbón de leña que funcionan en la U.R.S.S.; el Japón, por su parte, produce unas 30.000 toneladas de hierro fabricado con carbón de leña al año. Ha disminuido en Suecia el empleo de carbón de leña principalmente debido a su elevado costo, que obedece a la competencia que hacen las industrias de pasta de papel y papel en la compra de la materia prima, pero en el año 1948 se fabricaba todavía el 31 por ciento del hierro en lingotes con carbón de leña. En Suecia, se ha producido fundamentalmente carbón con maderas blandas, lo que da un producto de densidad relativamente baja, al paso que en el Japón el carbón de leña para la metalurgia se produce con roble y posee una alta densidad.
Las dos principales propiedades del carbón de leña que tienen importancia para las operaciones de altos hornos son la resistencia a la compresión y la composición química. Es conveniente que el carbón pesca una gran resistencia a la compresión para evitar su trituración en el horno, lo cual reduce la altura posible de los altos hornos y, asimismo, la producción específica por unidad de volumen. La mayor parte del carbón de leña para metalurgia obtenido en el Hemisferio Norte posee una baja densidad por ser producido con maderas blandas o de frondosas de mediana densidad. La producción de carbón de leña en Wundowie ofrece características muy distintas y se ha llegado a afirmar que disponiendo de carbón de leña de calidad comparable es el ablandamiento del mineral de hierro y no el del carbón de leña lo que establece los límites de altura y capacidad del alto horno. Además, la producción específica por unidad de volumen del fogón es superior a la del carbón de leña blando.
Se emplean métodos especiales para probar la resistencia a la compresión (dureza) del carbón de leña. En el Cuadro 1 aparecen algunos datos sobre la dureza de los distintos tipos de carbón de leña y, asimismo, de otras propiedades.
En el Cuadro 1 puede observarse la gran variedad de dureza de los carbones. Aparecen algunos datos sobre dureza del carbón de leña obtenido de las maderas europeas en un estudio de la FAO³ pero no son comparables con los que figuran en el Cuadro 1.
³ FAO. Carbonización de la madera con hornos transportables e instalaciones fijas. Roma, 1956.
Los principales factores que influyen en la densidad y en la dureza del carbón de leña son los siguientes: especie de madera, tamaño de la leña con que se alimenta el horno y métodos de producción del carbón. La madera densa suele dar carbón de leña duro y denso y ha de preferírsela a la madera más ligera, por consiguiente, para la producción del carbón destinado a la metalurgia. De ahí que cuando se emplea una mezcla de especies, la dureza del producto final no será uniforme. Si la variedad de la densidad es amplia, quizás sea preciso separar las especies de baja densidad en aquellos casos en que se requiera una dureza determinada.
De las propiedades químicas que ha de poseer el carbón de leña destinado a la producción de hierro en lingotes, las más importantes son el contenido de materia volátil y el contenido de ceniza. En las retortas modernas el contenido de carbono y de materia volátil puede regularse satisfactoriamente y no debería plantear dificultades aun cuando no sea uniforme la composición de la leña empleada.
El carbón de leña conserva todo el contenido de ceniza de la madera, que varía considerablemente según la especie. El contenido de ceniza total debería ser lo más bajo posible. Se ha señalado la cifra de 0,24 por ciento como límite óptimo y un límite máximo de 1,5 por ciento. En Wundowie, el contenido de ceniza es bajo, 0,25 por ciento. Además de la cantidad de ceniza, tienen sumo interés las de fósforo y azufre. El contenido de azufre suele ser muy bajo, con lo cual el carbón de leña resulta adecuado para la producción de hierro de alta pureza respecto a su contenido sulfúrico. El de fósforo varia entre amplios márgenes, no sólo en las distintas especies, sino también dentro del mismo árbol y según la composición del suelo. Las frondosas de Suecia contienen cuatro veces la cantidad de fósforo de las maderas blandas; la corteza contiene mucho más fósforo que la madera y las astillas mucho más que el duramen. Sin embargo, aun tratándose de frondosas, el contenido fosfórico suele ser lo bastante bajo para producir hierro en lingotes de alta pureza. Las cifras más corrientes sobre el contenido fosfórico del carbón de leña seco son: alrededor del 0,01 por ciento para el carbón de maderas blandas y el 0,04 por ciento, aproximadamente, para el carbón de frondosas (abedul, alisos, álamo temblón).4 Los datos sobre el contenido fosfórico y sulfúrico del carbón de leña destinado a la fabricación de hierro en lingotes en Wundowie, según se han comunicado, son 0,03 por ciento y 0,015 por ciento, respectivamente.
4 Bergstrom H. Kolning i ugn, Jernkontoret, Uppsala, 1947.
Es apreciable la variación del contenido de ceniza de las frondosas tropicales, pues algunas poseen una alta proporción silícea. Indudablemente, será preciso preocuparse del contenido de ceniza en todo proyecto nuevo en que se empleen maderas tropicales mixtas, si bien no se ha informado de que este aspecto sea causa de dificultades en el caso de las maderas del Brasil.
De los demás datos analíticos puede citarse como importante el del contenido de humedad, para facilitar el funcionamiento del horno. Por consiguiente, el carbón de leña debería ser debidamente protegido contra la humedad.
NOTA: Se ha establecido el cuadro basándose en las siguientes hipótesis: Consumo de carbón de leña, 0,7 toneladas por tonelada de hierro; rendimiento de carbón de leña, 35 por ciento; densidad de la madera 0,6 g./m.³; una tercera parte de la superficie del terreno en torno a la fabrica esté destinada al suministro de madera.
Según se dijo en un principio, la escasez local de madera ha sido la razón más poderosa para que se explotara el carbón de coque con destino a la producción de hierro en lingotes. Aunque los adelantos técnicos han posibilitado un menor consumo de madera por tonelada de hierro y ello ha contribuido a reducir las necesidades de madera para operar los altos hornos, la mayor producción que rinden muchos de los hornos más modernos ha actuado en sentido contrario. Para obtener un cuadro del consumo de madera, del área forestal requerida y de las correspondientes distancias de transporte para poner en marcha la producción de hierro en lingotes, se ha preparado el Cuadro 2.
En el Cuadro 2 se han incluido fábricas de muy diversas dimensiones. Se ha observado que, en relación con las necesidades de madera, la producción de hierro en lingotes y la de pasta de madera para productos químicos son muy similares, registrándose un consumo cercano a 2 toneladas por tonelada de producto final. Desde el punto de vista forestal es ya muy importante un proyecto de 300.000 toneladas: no existen muchas fábricas de pulpa que absorban mayores cantidades de madera. El tamaño económico de las instalaciones para la fabricación de hierro en lingotes será estudiado en este Simposio. Los datos presentados sobre Wundowie hacen mención de resultados económicos y perspectivas cifrados en 50.000 y 300.000 toneladas al año, respectivamente. De conformidad con las hipótesis hechas en el Cuadro 2, una fábrica de 50.000 toneladas requeriría un radio de operaciones de casi 18 kilómetros, partiendo del más bajo rendimiento supuesto. Calculándose un rendimiento de 300.000 toneladas al año, sería preciso contar con un rendimiento mínimo de madera de 6-7 metros cúbicos por hectárea y año para mantenerse a la distancia de operaciones actualmente prevista en Wundowie, es decir, a 40 kilómetros de distancia. De ordinario podría lograrse un rendimiento de esa magnitud en lugares de clima subtropical o tropical y con suficiente precipitación. Cabe señalar que el rendimiento medio previsto en el programa de plantación de Monlevado es superior a 20 metros cúbicos por hectárea y año.
Por eso, debería disponerse o debiera ser posible producir suficiente cantidad de madera para operaciones de rendimiento sostenido en muchos lugares, aun cuando se trate de instalaciones relativamente grandes para la producción de hierro en lingotes. En el día de hoy, la madera procedente de bosques tropicales mixtos y de plantaciones en que se cultivan especies de rápido crecimiento para leña es la más fácilmente accesible para producir hierro en lingotes a base de carbón de leña. En algunos casos, sobre todo, existirán oportunidades para la corta a mata rasa de las masas tropicales o subtropicales mixtas para las cuales hay poco empleo en la actualidad, si se exceptúan algunas especies que no suelen representar más que una pequeña parte del volumen en pie. Puede que sea preciso desechar algunas especies, en razón de necesidades técnicas, debido a su poca densidad o a su alto contenido de ceniza. En ese caso se volvería a plantar la superficie explotada con especies adecuadas de alto rendimiento, de modo que a la postre la fábrica pasaría a utilizar madera de plantación. Otra posibilidad que se ofrece es la regeneración natural del monte, gracias a la eliminación de las especies desechadas, si bien esta solución puede ofrecer menos atractivos al rendir las plantaciones un producto más uniforme y ofrecer mejores oportunidades para mecanizar las operaciones.
Hay también algunos casos en que se dispone de madera que tiene poco o ningún valor en pie, como ocurre, por ejemplo, con la de las plantaciones de caucho y de mimosa. Se han hecho estimaciones5 en las plantaciones de cancho de Tailandia acerca de la cantidad de madera disponible sobre una base constante. Los datos señalan que descontada la madera necesaria para ahumar el caucho (1,3 metro cúbico por hectárea. y año), podría disponerse aproximadamente de 4 metros cúbicos por hectárea y año para fines industriales. En las plantaciones de mimosa que pueden rendir de 5 a 10 metros cúbicos de madera por hectárea y año, suele haber poco empleo para la madera, que incluso puede quedar abandonada después de haberse descortezado el árbol para extraer el tanino.
5 Naciones Unidas/FAO Pulp and papar prospects in Asia and the Far East, Vol. II, Bangkok 1962.
Es evidente que al costo del carbón de leña destinado a las operaciones de fabricación de hierro en lingotes le fijará un límite máximo el precio del coque para la metalurgia. Al tomar a este último como base de comparación, se supone que el coque y el carbón de leña tienen aproximadamente las mismas propiedades respecto de la cantidad necesaria. Se supone, además, que el carbón de leña producido es de calidad suficiente para que su consumo en el alto horno sea análogo al del coque. Aun así, las operaciones a base de carbón de leña requerirán una inversión de capital más importante, tanto en razón de la producción de carbón de leña como para la explotación del monte y su desarrollo. En el caso de que el carbón de madera sea de calidad inferior, esto tendrá que ser compensado por un costo inferior también, pues de lo contrario el costo del hierro en lingotes producido con ese carbón será más elevado que el del hierro producido con coque.
Varias de las monografías presentadas al Simposio se refieren a la escasez de coque que se manifiesta en el mercado internacional y al hecho de que a menudo haya que transportarlo a distancias muy largas. El precio del coque en el documento,6 en las instalaciones situadas en el litoral oriental de los Estados Unidos de América, se cifra en 16 dólares por tonelada. El costo del carbón de leña que se ha dado para las operaciones del Brasil es muy inferior a esta cifra. Aun en el caso de Australia es evidente que los costos de transporte aumentarán el precio del coque por encima del costo del carbón de leña producido localmente.
6 Brown, H.R. y W.R. Hesp. Substitutes for coking coals in iron ore reduction, Simposio interregional, 1963.
Sin embargo, cabría alegar que un costo máximo de casi 5 a 6 dólares E.U.A. por tonelada de carbón de madera constituiría una previsión demasiado baja. Puede comparársela en cierto modo con el costo de 20 a 30 dólares por tonelada de pulpa de madera de coníferas en Europa y con el de la pulpa de madera de frondosas en los Estados Unidos, que es casi la mitad de aquél. En 1953 se llevaron a cabo estudios sobre los proyectos de fábricas de pulpa de madera basada en las especies tropicales de la zona de Amapa y amazónica del Brasil y en Yucatán.7 Se observó que aumentaba en algo el costo de la madera para leña según el tamaño de la fábrica y se le cifró aproximadamente en 4,7 y 2,3 dólares E.U.A., respectivamente, para una producción de 200.000 toneladas al año.
7 Naciones Unidas/FAO. Perspectivas de la industria de papel y celulosa en América Latina, Nueva York 1956.
Es evidente que será menester una organización eficaz y una planificación detenida, aun dándose condiciones favorables, para obtener los bajos costos requeridos, si bien el ejemplo de Australia que se ha citado revela que es posible alcanzar el nivel de costos deseado aun cuando sean elevados los costos de la mano de obra.
Sobre la base de la información reunida acerca de la experiencia más reciente en el empleo de carbón de leña para operaciones de altos hornos, parecen justificarse las siguientes conclusiones:
1. La producción de lingotes de hierro en altos hornos alimentados con carbón de leña exige aproximadamente la misma cantidad de carbón que de coque, o sea, 0,7 toneladas por tonelada de hierro, lo que corresponde, aproximadamente, a 2 toneladas de madera seca por tonelada de hierro. Dado que la producción de hierro en lingotes en general se realiza en unidades relativamente grandes, se deduce de ello que las operaciones forestales para suministrar el carbón de leña a los altos hornos de ordinario deberán tener una importancia comparable a las obras de las fábricas de pulpa de madera.2. El carbón de leña fabricado con maderas densas funciona con idéntica eficacia a la del coque en los altos hornos y puede ser empleado en unidades capaces de consumir hasta 400 toneladas al día. El carbón de leña más blanda reduce el tamaño máximo de la unidad y, asimismo, la capacidad de un horno de determinadas dimensiones.
3. Es posible, en algunos lugares, producir carbón de leña a un costo comparable o inferior al del coque para metalurgia Esto requiere una operación forestal grande y cabalmente organizada, mecanizada en consonancia con las condiciones locales y, asimismo, el empleo de retortas continuas para carbón de leña.
4. El gran volumen de madera que sobre una base de rendimiento sostenido se precisa para atender las operaciones de fabricación de hierro en lingotes, y, a la vez, los requisitos relativos al costo de la madera y del carbón de leña producidos y a la calidad del producto, limitan apreciablemente el número de lugares cuyas condiciones cabe juzgar como favorables.
5. Tales condiciones se presentarían en zonas donde puedan cultivarse especies de árboles de alto rendimiento, donde sea baja la presión demográfica y donde los costos de transporte ofrezcan una protección natural contra la competencia que hace el coque.
6. La operación forestal puede desarrollarse mediante la conversión paulatina de los montes naturales de especies mixtas en plantaciones de composición uniforme. Esta es una de las pocas posibilidades que se ofrecen para una utilización en gran escala de las especies de frondosas mistas, entre ellas las de maderas de gran densidad.
