فرن كورنوال للحديد

يُعدّ فرن كورنوال للحديد معلمًا تاريخيًا وطنيًا مُصنّفًا، وتتولى إدارته هيئة بنسلفانيا التاريخية والمتاحف، ويقع في كورنوال ، مقاطعة لبنان ، ولاية بنسلفانيا ، الولايات المتحدة الأمريكية . كان الفرن من أبرز منتجي الحديد في بنسلفانيا من عام 1742 حتى إغلاقه عام 1883. وقد حُفظت الأفران والمباني الملحقة بها والمجتمع المحيط بها كموقع تاريخي ومتحف، مما يُتيح للزوار فرصة الاطلاع على ماضي مقاطعة لبنان الصناعي. يُعدّ هذا الموقع فرن صهر الحديد الوحيد الذي لا يزال يعمل بالفحم في موقعه الأصلي في نصف الكرة الغربي. أسّس بيتر جروب فرن كورنوال عام 1742، وأداره ابناه كورتيس وبيتر الابن خلال الثورة الأمريكية، وكانا من كبار موردي الأسلحة لجورج واشنطن. استحوذ روبرت كولمان على فرن كورنوال بعد الثورة، ليصبح أول مليونير في بنسلفانيا . نُقلت ملكية الفرن ومحيطه إلى ولاية بنسلفانيا عام 1932.

كان فرن كورنوال للحديد واحداً من العديد من مصانع الحديد التي تم بناؤها في ولاية بنسلفانيا على مدى ستين عاماً، من عام 1716 إلى عام 1776. كان هناك ما لا يقل عن 21 فرن صهر، و45 مصنعاً للحديد، وأربعة مصانع لإنتاج الحديد الخام، وستة أفران للصلب ، وثلاثة مصانع لتقطيع الحديد، ومصنعين لإنتاج الصفائح، ومصنع واحد لإنتاج الأسلاك قيد التشغيل في ولاية بنسلفانيا الاستعمارية .

مرّت أفران كورنوال بمرحلتين من التطور التكنولوجي. وُلد بيتر جروب في ديلاوير حوالي عام 1702، واستقر في ما يُعرف اليوم بمقاطعة لبنان عام 1734. اشترى حوالي 300 فدان (1.2 كيلومتر ^مربع ) من الأرض الغنية بالمغنيتيت . لاحظ جروب أيضًا أن أرضه تحتوي على الموارد الطبيعية الأخرى اللازمة لإنتاج الحديد، وهي: مساحات شاسعة من الأخشاب لإنتاج الفحم النباتي ، ومياه جارية لتشغيل المنافيخ، وإمدادات وفيرة من الحجر الجيري اللازم لإضافة مادة صهر إلى أفران الصهر. وقد ساعد جروب في خططه وجود المغنيتيت في كورنوال إما بالقرب من سطح أرضه أو على سطحها مباشرة. كان مستعدًا لخوض غمار صناعة الحديد، وشرع في بناء "مجمع" لإنتاج الحديد. عادةً ما كانت هذه المراكز الإنتاجية للحديد تقع بعيدًا عن الأراضي الزراعية التي تم تطهيرها بكثافة ، وتحديدًا في منطقة ريدج آند فالي في ولاية بنسلفانيا. بنى جروب أفرانَه، بدءًا بفرنٍ لصهر الحديد، ثم لاحقًا بفرنٍ حديثٍ يعمل بالفحم، بالإضافة إلى المباني المساندة وقريةٍ مخصصةٍ لإيواء عماله. أطلق على مشروعه اسم "كورنوال" نسبةً إلى والده، جون جروب، الذي قدم من كورنوال، المملكة المتحدة، عام 1677. كان فرن كورنوال للحديد مناسبًا تمامًا للاقتصاد الزراعي للمستعمرات الثلاث عشرة ، حيث كان الحديد ضروريًا لصناعة الأدوات والمسامير والأسلحة. ورغم أن السياسة الرسمية لبريطانيا العظمى كانت تُعارض التصنيع في المستعمرات، إلا أن إنجلترا لم تعد قادرةً على إنتاج الحديد اللازم لها، فضلًا عن تلبية احتياجات المستعمرين. في الواقع، أصبحت إنجلترا تعتمد على استيراد الحديد من السويد . 

لم يكن بيتر جروب في الواقع صاحب مصنع حديد، بل كان بنّاءً. في عام 1745، قام بتأجير مصنع الحديد إلى مجموعة شركات كوري لمدة 25 عامًا، ثم عاد إلى ويلمنجتون. واصلت المجموعة إدارة المصنع، وانتقلت ملكيته إلى ابني بيتر، كورتيس وبيتر الابن ، بعد وفاته عام 1754. تولى الأخوان إدارة المصنع عام 1765، وأداراه بنجاح كبير حتى أواخر ثمانينيات القرن الثامن عشر. أدار كورتيس فرن كورنوال، وكان يسكن في الموقع؛ وفي حوالي عام 1773، بنى الغرف التسع عشرة الأصلية للقصر الذي لا يزال قائمًا في مكان بارز بجوار العقار. أدار بيتر الابن ورشة حدادة في هوبويل ، حيث كان يُكرر الحديد الخام المُنتج من الفرن إلى قضبان حديدية أكثر قيمة. كان مصنع الحديد من الموردين الرئيسيين للمجهود الحربي خلال حرب الاستقلال الأمريكية، وقد زاره جورج واشنطن ذات مرة لتفقده. لسوء حظ عائلة جروب، كما ورد في سيرة كورتيس جروب ، لم يتمكنوا من الاحتفاظ بالسيطرة على العملية بعد زواج كورتيس في عام 1783. وسقطت معظم ممتلكات جروب تدريجياً في أيدي روبرت كولمان ، وبلغت ذروتها في عام 1798. وعُيّن ابن كولمان، ويليام، مديرًا لفرن كورنوال وعاش في القصر؛ وفي عام 1865 أعاد آل كولمان تصميمه ليصبح المبنى المكون من 29 غرفة والمعروف اليوم باسم قصر باكنغهام.

في تاريخ المستعمرات الأمريكية، كان قانون الحديد، الذي صدر عام 1750، جزءًا من التشريعات البريطانية التي صُممت لتشجيع إنتاج المواد الخام (بما في ذلك الحديد الزهر ) في أمريكا الاستعمارية، ولكن مع تقييد تصنيعها هناك إلى سلع حديدية نهائية. كان يُسمح باستمرار المصانع القائمة، بينما مُنع إنشاء مصانع جديدة لبعض العمليات.

كان أول فرن بناه بيتر جروب في مصنع كورنوال للحديد عبارة عن فرن صهر أولي . بنى جروب هذا الفرن عام 1737 لاختبار القيمة السوقية لخامه. كانت هذه طريقة اقتصادية لاختبار السوق دون الحاجة إلى الاستثمار في بناء فرن الصهر الأكثر كفاءة وربحية.

الفرن الأولي هو في الأساس موقد حدادة مُكبّر . يتكون من حفرة أو مدخنة بجدران مقاومة للحرارة مصنوعة من الطين أو التراب أو الحجر ( استُخدم الحجر الرملي في كورنوال). بالقرب من الأسفل، تدخل أنبوبة أو أكثر من أنابيب الطين عبر الجدران الجانبية. تسمح هذه الأنابيب، التي تُسمى فوهات النفخ ، بدخول الهواء إلى الفرن، إما عن طريق السحب الطبيعي أو عن طريق النفخ باستخدام منفاخ . يمكن استخدام فتحة في أسفل الفرن الأولي لإزالة الحديد الخام، أو يمكن قلب الفرن الأولي وإزالة الحديد الخام من الأسفل.

تتمثل الخطوة الأولى قبل استخدام فرن الصهر في تحضير الفحم وخام الحديد . يُنتج الفحم بتسخين الخشب للحصول على وقود كربوني نقي تقريبًا، وهو الوقود اللازم لعملية التكرير. يُكسر الخام إلى قطع صغيرة ويُحمص على النار لإزالة أي رطوبة منه. يمكن سحق أي شوائب كبيرة في الخام وإزالتها. نظرًا لاحتواء الخبث الناتج عن عمليات الصهر السابقة على نسبة عالية من الحديد، يمكن تكسيره وإعادة تدويره في فرن الصهر مع الخام الجديد.

أثناء التشغيل، يُسخّن فرن الصهر مسبقًا بحرق الفحم النباتي، وبمجرد أن يسخن، يُضاف خام الحديد وكمية إضافية من الفحم النباتي من الأعلى بنسبة تقريبية 1:1. داخل الفرن، يُختزل أول أكسيد الكربون الناتج عن الاحتراق غير الكامل للفحم النباتي أكاسيد الحديد الموجودة في الخام إلى حديد فلزي، دون صهر الخام؛ مما يسمح لفرن الصهر بالعمل عند درجات حرارة أقل من درجة انصهار الخام. ولأن المنتج المطلوب من فرن الصهر هو حديد نقي تقريبًا، سهل التشكيل، ذو محتوى منخفض من الكربون ، يجب التحكم بدقة في درجة الحرارة ونسبة الفحم النباتي إلى خام الحديد لمنع الحديد من امتصاص الكربون وفقدان قابليته للتشكيل. يمكن أيضًا إضافة الحجر الجيري إلى فرن الصهر، بنسبة 10% تقريبًا من وزن الخام، والذي يعمل كعامل مساعد على إزالة الشوائب.

تتساقط جزيئات الحديد الصغيرة المُنتجة بهذه الطريقة إلى قاع الفرن وتتحد معًا لتُشكّل كتلة إسفنجية من الحديد الخام. كما يمتلئ قاع الفرن بالخبث المنصهر، الذي غالبًا ما يتكون من الفاياليت ، وهو مركب من السيليكون والأكسجين والحديد ممزوج بشوائب أخرى من الخام. ولأن الحديد الخام مسامي للغاية، ومساحاته المفتوحة مليئة بالخبث، يجب إعادة تسخينه لاحقًا وضربه بمطرقة لإخراج الخبث المنصهر منه. يُطلق على الحديد المُعالج بهذه الطريقة اسم الحديد المطاوع ، ويُطلق على الحديد الناتج شبه النقي اسم الحديد المطاوع .

في عام 1742، استبدل جروب فرن الصهر الخاص به بفرن صهر بارد يعمل بالفحم بارتفاع 30 قدمًا (9.1 مترًا). كان فرن الصهر يحترق بدرجة حرارة أعلى من فرن الصهر، وكان قادرًا على استخلاص الحديد الزهر المنصهر (" حديد الفحم ") من الخام. 

يعتمد فرن الصهر على حقيقة أن السيليكون غير المرغوب فيه والشوائب الأخرى أخف وزنًا من الحديد المنصهر الذي يمثل المنتج الرئيسي. بُني فرن جروب على شكل مدخنة طويلة مبطنة بالطوب الحراري . صُبّ الفحم والحجر الجيري وخام الحديد (أكسيد الحديد) في الأعلى، ودُفع الهواء عبر فتحات نفخ بالقرب من القاعدة. يُعزز هذا "النفخ" احتراق الفحم (تستخدم الأفران الحديثة فحم الكوك أو حتى الأنثراسيت )، مما يُحدث تفاعلًا كيميائيًا يُختزل أكسيد الحديد إلى المعدن الأساسي الذي يترسب في قاع الفرن. طبيعة هذا التفاعل هي:

Fe₂O₃ + _{3CO →} 2Fe + 3CO₂_​​

وبشكل أدق، يتفاعل الهواء المضغوط الذي يُضخ إلى الفرن مع الكربون الموجود في الوقود لإنتاج أول أكسيد الكربون ، الذي يختلط بدوره مع أكسيد الحديد ، ويتفاعل كيميائيًا لإنتاج الحديد وثاني أكسيد الكربون ، الذي يتسرب من أعلى الفرن. في بداية دورة التفاعل، يُضخ تيار هواء ساخن، يُسمى أيضًا "الريح"، يحتوي على غاز مُسخن مسبقًا من مواقد كوبر وهواء، إلى الفرن عبر فوهات النفخ. يُشعل هذا التيار فحم الكوك، فيحدث تفاعل بودوارد .

C + O ₂ → CO ₂ CO ₂ + C → 2 CO

تصل درجة الحرارة في الفرن عادةً إلى حوالي 1500  درجة مئوية، وهو ما يكفي أيضًا لتحليل الحجر الجيري ( كربونات الكالسيوم ) إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون الإضافي:

CaCO3 → CaO _{+ CO2}

يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع الشوائب الحمضية المختلفة في الحديد (وخاصة السيليكا )، مكونًا خبثًا يحتوي على سيليكات الكالسيوم ، Ca Si O ₃ الذي يطفو على الحديد.

لا يُعدّ الحديد الزهر المُنتَج في الفرن العالي مُفيدًا لمعظم الأغراض نظرًا لارتفاع نسبة الكربون فيه، والتي تتراوح بين 4 و5%، مما يجعله شديد الهشاشة . ويُستخدم جزء من الحديد الزهر في صناعة منتجات الحديد الزهر، وغالبًا ما يُعاد صهره في فرن صهر خاص.

لأغراض أخرى، يلزم إجراء معالجة إضافية لتقليل محتوى الكربون، مما يُمكّن من استخدام الحديد في صناعة الأدوات أو كمادة بناء. وقد طُوّرت عمليات مختلفة لتحقيق ذلك. أُجريت أقدم هذه العمليات في أفران الصهر . وفي أواخر القرن الثامن عشر، بدأت عملية "الصب والختم" تحل محلها، إلا أن أنجح عملية جديدة في عصر الثورة الصناعية كانت عملية التلبيد .

يتم ذلك الآن عن طريق ضخ تيار من الأكسجين عالي الضغط في وعاء دوار خاص يحتوي على الحديد الزهر. يتأكسد جزء من الكربون إلى أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ . كما يؤكسد هذا أيضًا الشوائب الموجودة في الحديد الزهر. يُدار الوعاء، ويمكن فصل الحديد الزهر المُعالَج عن الشوائب المؤكسدة. قبل منتصف القرن التاسع عشر، كان يُصنع الحديد الزهر من الفرن العالي إلى حديد مطاوع ، وهو حديد نقي تجاريًا. في تلك الفترة، إذا دعت الحاجة إلى الفولاذ، كانت تُسخّن أنواع الحديد النقية جدًا مع الفحم في فرن الصهر لإنتاج فولاذ الفقاعات (بنسبة كربون تتراوح بين 1 و2%). كان من الممكن تنقية هذا الفولاذ بشكل أكبر باستخدام تقنية البوتقة ، لكن الفولاذ كان باهظ الثمن جدًا للاستخدام على نطاق واسع. مع ذلك، ومع إدخال عملية بسمر في أواخر خمسينيات القرن التاسع عشر، ثم عمليات أخرى، ازداد إنتاج الفولاذ بشكل كبير. وبحلول أواخر القرن التاسع عشر، كان معظم الحديد يُحوّل إلى فولاذ قبل استخدامه.

أصبح فرن كورنوال للحديد متقادمًا بحلول ثمانينيات القرن التاسع عشر. فقد أدت عمليات بسمر والفرن المفتوح المستخدمة في صناعة الصلب ، واستبدال الفحم النباتي بفحم الكوك والفحم الحجري ، واكتشاف رواسب الحديد في منطقة آيرون رينج بولاية مينيسوتا بالقرب من بحيرة سوبيريور ، وبناء المصانع الحديثة في بيتسبرغ وستيلتون وبيت لحم، إلى نهاية إنتاج الحديد في كورنوال. لم يعد فرن كورنوال يحقق أرباحًا في السنوات العشر الأخيرة من تشغيله، وقام مالكه الأخير، روبرت هابيرشام كولمان، بإغلاقه في 11 فبراير 1883. وفي عام 1932، تبرعت مارغريت كولمان باكينغهام بالفرن والمباني الملحقة به، ومنذ ذلك الحين تم ترميمها وفتحها للجمهور.

• حديد الزهر
• حديد
• مصنع الحديد
• Ewiger Jäger — Cornwall Iron Furnace هو موقع أسطورة شبحية عن الصيد البري .
• قائمة المعالم التاريخية الوطنية في ولاية بنسلفانيا
• قوائم السجل الوطني للأماكن التاريخية في مقاطعة لبنان، بنسلفانيا

• شارون هيرنز سيلفرمان. "لمحة من الماضي: فرن كورنوال للحديد" . مجلة تراث بنسلفانيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 فبراير 2007 .
• "كورنوال فورنيس، خريطة طبوغرافية لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في لبنان (بنسلفانيا)" . توبوكويست . تم الاطلاع عليها في 10 يوليو 2008 .

• إتش آر شوبرت، تاريخ صناعة الحديد والصلب البريطانية (1957).
• آر إف تايلكوت، تاريخ علم المعادن (1991).
• غوردون سي. بولارد، "التجريب في إنتاج الصفائح المعدنية في القرن التاسع عشر: أدلة من جبال أديرونداك في نيويورك" علم المعادن التاريخي 32 (1) (1998)، 33-40.

• الموقع الرسمي لفرن كورنوال للحديد
• صور فرن الحديد في كورنوال
• وسيلة تعليمية: الفرن العالي - كيفية استخراج الحديد، لمستوى المرحلة الثانوية
• رسوم متحركة لفرن الصهر
• كيفية عمل الفرن العالي ( باستخدام الرسوم التوضيحية).
• مقدمات الفرن العالي
• معرض صور شامل يُغطي جميع طرق تصنيع وتشكيل الحديد والصلب في أمريكا الشمالية وأوروبا. متوفر باللغتين الألمانية والإنجليزية.
• متحف الفرن العالي رادويرك 4
• مخطط تخطيطي لفرن الصهر وموقد كوبر
• ironfurnaces.com - ويكي مجاني مخصص لحفظ تاريخ ومواقع أفران صهر الحديد التاريخية
• نقاشات مؤيدة ومعارضة حول قانون الحديد