عملية بسمر

في أوائل ومنتصف خمسينيات القرن التاسع عشر، أجرى المخترع الأمريكي ويليام كيلي تجارب على طريقة مشابهة لعملية بسمر. يذكر فاغنر أن كيلي ربما استلهم هذه الطريقة من تقنيات قدمها عمال حديد صينيون استأجرهم كيلي عام ١٨٥٤. ^{[ ٢ ]} ولا يزال الادعاء بأن كيلي وبسمر اخترعا العملية نفسها محل جدل. عندما نشرت مجلة ساينتفك أمريكان خبر حصول بسمر على براءة اختراع للعملية ، رد كيلي برسالة إلى المجلة. ذكر كيلي في رسالته أنه سبق له تجربة العملية، وادعى أن بسمر كان على علم باكتشافه. وكتب: "لديّ سبب للاعتقاد بأن اكتشافي كان معروفًا في إنجلترا قبل ثلاث أو أربع سنوات، حيث زار عدد من عمال صهر الحديد الإنجليز هذا المكان للاطلاع على عمليتي الجديدة. وقد عاد بعضهم إلى إنجلترا منذ ذلك الحين، وربما تحدثوا عن اختراعي هناك." ^{[ ٢ ]} ويُشار إلى أن عملية كيلي كانت أقل تطورًا وأقل نجاحًا من عملية بسمر. ^{[ ٨ ]}

وصف السير هنري بسمر أصل اختراعه في سيرته الذاتية التي كتبها عام ١٨٩٠. خلال اندلاع حرب القرم ، أبدى العديد من الصناعيين والمخترعين الإنجليز اهتمامًا بالتكنولوجيا العسكرية. ووفقًا لبسيمر، استلهم اختراعه من محادثة مع نابليون الثالث عام ١٨٥٤ حول الفولاذ اللازم لتحسين المدفعية. زعم بسمر أن هذه المحادثة "كانت الشرارة التي أشعلت إحدى أعظم الثورات التي شهدها القرن الحالي، فخلال رحلتي المنفردة في عربة أجرة تلك الليلة من فانسان إلى باريس، عزمت على بذل قصارى جهدي لتحسين جودة الحديد في صناعة المدافع". ^{[ ١ ]} في ذلك الوقت، كان الفولاذ يُستخدم فقط في صناعة أدوات صغيرة مثل أدوات المائدة والأدوات اليدوية، ولكنه كان باهظ الثمن بالنسبة للمدافع. ابتداءً من يناير ١٨٥٥، بدأ بسمر العمل على طريقة لإنتاج الفولاذ بالكميات الهائلة المطلوبة للمدفعية، وبحلول أكتوبر من العام نفسه، قدم أول براءة اختراع له تتعلق بعملية بسمر. حصل على براءة اختراع للطريقة بعد عام في عام 1856. ^{[ 1 ]} حصل ويليام كيلي على براءة اختراع ذات أولوية في عام 1857. ^{[ 9 ]}

رخص بيسمر براءة اختراع عمليته لأربعة من كبار مصنعي الحديد مقابل 27,000 جنيه إسترليني، لكن المرخص لهم لم ينتجوا جودة الفولاذ التي وعد بها - فقد كان "فاسدًا ساخنًا وفاسدًا باردًا"، وفقًا لصديقه ويليام كلاي ^{[ 10 ]} - فاشتراها منهم لاحقًا مقابل 32,500 جنيه إسترليني. ^{[ 11 ]} كانت خطته هي منح التراخيص لشركة واحدة في كل منطقة من المناطق الجغرافية العديدة، بسعر امتياز للطن يتضمن نسبة أقل من إنتاجهم لتشجيع الإنتاج، ولكن ليس بنسبة كبيرة قد تدفعهم إلى خفض أسعار البيع. وبهذه الطريقة، كان يأمل في أن تكتسب العملية الجديدة مكانة وحصة سوقية أكبر. ^{[ 10 ]}

أدرك أن المشكلة التقنية تعود إلى الشوائب الموجودة في الحديد، واستنتج أن الحل يكمن في معرفة الوقت المناسب لإيقاف تدفق الهواء في عمليته بحيث تُحرق الشوائب مع الحفاظ على الكمية المناسبة من الكربون . ومع ذلك، ورغم إنفاقه عشرات الآلاف من الجنيهات الإسترلينية على التجارب، لم يتمكن من إيجاد الحل. ^{[ 12 ]} بعض أنواع الفولاذ حساسة لنسبة النيتروجين البالغة 78% ، والتي كانت جزءًا من تيار الهواء المار عبر الفولاذ.

اكتشف هذا الحل لأول مرة عالم المعادن الإنجليزي روبرت فورستر موشيه ، الذي أجرى آلاف التجارب في غابة دين . كانت طريقته تقوم أولاً على حرق جميع الشوائب والكربون قدر الإمكان ، ثم إعادة إدخال الكربون والمنغنيز بإضافة كمية دقيقة من سبيكة "شبيغلايزن" ، وهي سبيكة من الحديد والمنغنيز مع آثار ضئيلة من الكربون والسيليكون . أدى ذلك إلى تحسين جودة المنتج النهائي، وزيادة ليونته - أي قدرته على تحمل الدرفلة والتشكيل - عند درجات حرارة عالية، وجعله أكثر ملاءمة لمجموعة واسعة من الاستخدامات. ^{[ 13 ] [ 14 ]} انتهت صلاحية براءة اختراع موشيه في نهاية المطاف بسبب عجزه عن دفع رسومها، واستحوذت عليها شركة بسمر. ربحت بسمر أكثر من 5 ملايين دولار كعائدات من براءات الاختراع. ^{[ 15 ]}

كانت شركة دبليو آند جيه غالاوي ، ومقرها مانشستر، أول شركة تحصل على ترخيص هذه العملية، وذلك قبل أن يعلن عنها بسمر في تشيلتنهام عام 1856. ولم تُدرج هذه الشركة ضمن قائمة الشركات الأربع التي ردّ إليها بسمر رسوم الترخيص. إلا أنها ألغت ترخيصها لاحقًا عام 1858 مقابل فرصة الاستثمار في شراكة مع بسمر وآخرين. وبدأت هذه الشراكة بتصنيع الصلب في شيفيلد عام 1858، مستخدمةً في البداية حديد الزهر المستورد من السويد . وكان هذا أول إنتاج تجاري. ^{[ 10 ] [ 16 ]}

اشترى التاجر والقنصل السويدي غوران فريدريك غورانسون، خلال زيارة له إلى لندن عام 1857، حصة 20% من براءة اختراع بسمر لاستخدامها في السويد والنرويج. وفي النصف الأول من عام 1858، أجرى غورانسون، برفقة مجموعة صغيرة من المهندسين، تجارب على عملية بسمر في إيدسكن بالقرب من هوفورس في السويد، قبل أن ينجح في النهاية. وفي وقت لاحق من العام نفسه، التقى مجددًا بهنري بسمر في لندن، وأقنعه بنجاحه في هذه العملية، وتفاوض معه على حق بيع منتجاته من الصلب في إنجلترا. استمر الإنتاج في إيدسكن، لكنه كان ضئيلاً للغاية بالنسبة للإنتاج الصناعي المطلوب. وفي عام 1862، بنى غورانسون مصنعًا جديدًا لشركته "هوغبو للحديد والصلب" على ضفاف بحيرة ستورشون، حيث تأسست مدينة ساندفيكن . أُعيد تسمية الشركة إلى "مصانع ساندفيكن للحديد"، واستمرت في النمو حتى أصبحت تُعرف باسم "ساندفيك" في سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 17 ]}

ساهم ألكسندر ليمان هولي بشكلٍ كبير في نجاح فولاذ بسمر في الولايات المتحدة. ويُعدّ كتابه "رسالة في الذخائر والدروع " ^{[ 18 ]} مرجعًا هامًا في مجال صناعة الأسلحة المعاصرة وممارسات صناعة الفولاذ. في عام 1862، زار هولي مصانع بسمر في شيفيلد، وأبدى اهتمامًا بترخيص عملية التصنيع لاستخدامها في الولايات المتحدة. لدى عودته إلى الولايات المتحدة، التقى هولي باثنين من منتجي الحديد من تروي، نيويورك ، وهما جون إف. وينسلو وجون أوغسطس غريسولد ، واللذان طلبا منه العودة إلى المملكة المتحدة والتفاوض مع بنك إنجلترا نيابةً عنهما. حصل هولي على ترخيص لغريسولد ووينسلو لاستخدام عمليات بسمر الحاصلة على براءة اختراع، وعاد إلى الولايات المتحدة في أواخر عام 1863. ^{[ 19 ]}

بدأ الثلاثة بتأسيس مصنع في تروي، نيويورك عام ١٨٦٥. ضمّ المصنع عدداً من ابتكارات هولي التي حسّنت الإنتاجية بشكل كبير مقارنةً بمصنع بسمر في شيفيلد، وقدّم المالكون معرضاً عاماً ناجحاً عام ١٨٦٧. استقطب مصنع تروي انتباه سكة حديد بنسلفانيا ، التي رغبت في استخدام العملية الجديدة لتصنيع قضبان الصلب. موّلت السكة مصنع هولي الثاني كجزء من شركتها التابعة، بنسلفانيا ستيل. بين عامي ١٨٦٦ و١٨٧٧، تمكّن الشركاء من ترخيص ما مجموعه ١١ مصنعاً للصلب من إنتاج بسمر.

كان أندرو كارنيجي أحد المستثمرين الذين استقطبوهم ، إذ رأى في تكنولوجيا الصلب الجديدة إمكانات هائلة بعد زيارته لبسمر عام 1872، واعتبرها إضافة قيّمة لأعماله القائمة، شركة جسر كيستون وشركة يونيون للحديد. بنى هولي مصنع الصلب الجديد لكارنيجي، وواصل تحسين وتطوير عملية التصنيع. افتُتح المصنع الجديد، المعروف باسم مصنع إدغار طومسون للصلب ، عام 1875، وبدأ مسيرة نمو الولايات المتحدة لتصبح منتجًا رئيسيًا للصلب في العالم. ^{[ 20 ]} وباستخدام عملية بسمر، تمكنت شركة كارنيجي للصلب من خفض تكلفة قضبان السكك الحديدية من 100 دولار للطن إلى 50 دولارًا للطن بين عامي 1873 و1875. واستمر سعر الصلب في الانخفاض حتى وصل سعر الطن إلى 18 دولارًا بحلول تسعينيات القرن التاسع عشر. قبل افتتاح مصنع طومسون التابع لكارنيجي، بلغ إجمالي إنتاج الصلب في الولايات المتحدة حوالي 157 ألف طن سنويًا. بحلول عام 1910، كانت الشركات الأمريكية تنتج 26 مليون طن من الصلب سنوياً. ^{[ 21 ]}

قام ويليام ووكر سكرانتون ، مدير ومالك شركة لاكاوانا للحديد والفحم في سكرانتون، بنسلفانيا ، بدراسة هذه العملية في أوروبا أيضاً. بنى مصنعاً في عام 1876 باستخدام عملية بسمر لقضبان الصلب، وضاعف إنتاجه أربع مرات. ^{[ 22 ]}

استُخدم فولاذ بسمر في الولايات المتحدة بشكل أساسي في صناعة قضبان السكك الحديدية. وخلال بناء جسر بروكلين ، نشأ خلاف كبير حول استخدام فولاذ البوتقة بدلاً من فولاذ بسمر الأرخص ثمناً. في عام ١٨٧٧، كتب أبرام هيويت رسالةً يحث فيها على عدم استخدام فولاذ بسمر. ^{[ ٢٣ ] [ ٢٤ ]} وقد قُدِّمت عروض أسعار لكلٍّ من فولاذ البوتقة وفولاذ بسمر؛ وقدّمت شركة جون أ. روبلينغ وأبناؤه أقلّ عرض سعر لفولاذ بسمر، ^{[ ٢٥ ]} ولكن بتوجيه من هيويت، رُسِيَ العقد على شركة جيه. لويد هايغ. ^{[ ٢٦ ]}

يؤدي نفخ الهواء عبر الحديد الزهر المنصهر إلى إدخال الأكسجين إلى المصهور، مما يؤكسد الشوائب مثل السيليكون والمنغنيز والكربون . تتسرب هذه الأكاسيد إما على شكل غاز أو تشكل خبثًا صلبًا . تلعب البطانة الحرارية للمحول دورًا في عملية التحويل؛ حيث يمكن استخدام بطانات طينية عندما يكون محتوى الفوسفور في المادة الخام منخفضًا. استخدم بسمر نفسه حجر رملي غانيستر في عملية بسمر الحمضية . أما في حالة ارتفاع محتوى الفوسفور، فتُستخدم بطانات من الدولوميت أو المغنيزيت في عملية بسمر الأساسية باستخدام الحجر الجيري . بعد ذلك، يمكن إضافة مواد مثل سبيكة الحديد والمنغنيز (سبيكة من الحديد والمنغنيز) إلى الفولاذ المنصهر للحصول على خصائص محددة.

عندما يتشكل الفولاذ المطلوب، يُصب في مغارف ثم يُنقل إلى قوالب، بينما تبقى الخبث (الأخف وزنًا) في القوالب. كانت عملية التحويل، التي تُسمى "النفخ"، تستغرق في البداية حوالي 20 دقيقة. خلال هذه الفترة، يُحكم على تقدم أكسدة الشوائب من خلال ظهور اللهب في فوهة المحول. لاحقًا، استُبدلت العين البشرية بأساليب كهروضوئية لمراقبة اللهب، مما زاد من دقة العملية. بعد النفخ، يُعاد إضافة الكربون إلى المعدن السائل، وتُضاف مواد أخرى مُسبِّكة.

كان بإمكان محول بسمر معالجة "دفعة" (كتلة من المعدن المنصهر) تتراوح بين 5 و30 طنًا في المرة الواحدة. ^{[ 27 ]} وعادة ما كانت تعمل في أزواج: يتم نفخ أحدهما بينما يتم ملء الآخر أو صبه.

تناول الكيميائي الصناعي سيدني جيلكريست توماس مشكلة الفوسفور في الحديد، والتي كانت تؤدي إلى إنتاج فولاذ منخفض الجودة. واعتقد أنه قد وجد حلاً، فتواصل مع ابن عمه، بيرسي جيلكريست ، الذي كان يعمل كيميائيًا في مصانع بلاينافون للحديد . وقدّم له مدير المصنع، إدوارد مارتن، معدات اختبار وساعده في إعداد براءة اختراع صدرت في مايو 1878. تمثّل اختراع توماس في استخدام بطانات من الدولوميت أو الحجر الجيري لمحول بسمر بدلاً من الطين، وأصبح يُعرف باسم عملية بسمر "القاعدية" بدلاً من عملية بسمر "الحمضية". ومن المزايا الإضافية لهذه العملية أنها أنتجت كمية أكبر من الخبث في المحول، والذي يمكن استعادته واستخدامه بشكل مربح كسماد. ^{[ 28 ]}

• أنستيس، رالف (1997)، رجل من حديد، رجل من فولاذ: حياة ديفيد وروبرت موشيت ، دار ألبيون هاوس، رقم ISBN 0-9511371-4-X
• جاكسون، ألبرت (1964)، صناعة الصلب بالأكسجين لصانعي الصلب ، جورج نيونس المحدودة، رقم ISBN 978-0408073523{{citation}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
• باجلي، ب.؛ ساندرسون، ن. (2002)، أرشيف مصور لصناعة الصلب في ووركينغتون ، رقم ISBN 0-9538447-1-4