عملية التلبيد (علم المعادن)

عملية التكوير هي عملية تحويل الحديد الزهر إلى حديد مطاوع ( حديد دوار ) في فرن عاكس يعمل بالفحم . طُوّرت هذه العملية في إنجلترا خلال ثمانينيات القرن الثامن عشر. يُحرّك الحديد الزهر المنصهر في فرن عاكس، في بيئة مؤكسدة، لحرق الكربون، مما ينتج عنه الحديد المطاوع . ^{[ 1 ]} كانت هذه العملية من أهم العمليات لإنتاج أولى الكميات الملحوظة من الحديد المطاوع (الحديد المطاوع القابل للطرق) ذي القيمة العالية والفائدة الكبيرة دون استخدام الفحم النباتي . لاحقًا، استُخدم الفرن لإنتاج كميات صغيرة من أنواع الفولاذ المتخصصة .

على الرغم من أنها لم تكن أول عملية لإنتاج قضبان الحديد دون استخدام الفحم، إلا أن عملية التكوير كانت الأكثر نجاحًا، وحلت محل عمليات التشكيل والختم السابقة ، فضلًا عن عمليات تنقية الحديد بالفحم القديمة . وقد أتاح ذلك توسعًا كبيرًا في إنتاج الحديد في بريطانيا العظمى، وبعد ذلك بفترة وجيزة في أمريكا الشمالية. ويمثل هذا التوسع بداية الثورة الصناعية فيما يتعلق بصناعة الحديد. وقد استخدمت معظم تطبيقات الحديد المطاوع في القرن التاسع عشر ، بما في ذلك برج إيفل والجسور والهيكل الأصلي لتمثال الحرية ، الحديد المكوّر.

كانت عملية التكوير الحديثة إحدى العمليات العديدة التي طُوّرت في النصف الثاني من القرن الثامن عشر في بريطانيا العظمى لإنتاج قضبان الحديد من الحديد الزهر دون استخدام الفحم. وقد حلت تدريجياً محل العملية السابقة التي كانت تعتمد على الفحم، والتي كانت تُجرى في فرن صهر الحديد .

اختراع

تمكن أبراهام داربي الثاني ، نجل مبتكر فرن الصهر، من تحويل الحديد الزهر إلى حديد خام في عام 1749، لكن لا تُعرف أي تفاصيل عن طريقته. ^{[ 5 ]} يُزعم أن الأخوين كرانج ، اللذين كانا يعملان أيضًا على ضفاف نهر سيفرن ، حققا ذلك تجريبيًا باستخدام فرن عاكس يعمل بالفحم ، حيث كان من الممكن فصل الحديد عن الفحم الكبريتي، لكن هذه الطريقة لم تُستخدم تجاريًا قط. ^{[ 5 ]} كانا أول من افترض إمكانية تحويل الحديد من حديد زهر إلى حديد خام بفعل الحرارة وحدها. ورغم جهلهما بالتأثيرات الضرورية للأكسجين المُزوَّد من الهواء ، فقد تخلّيا على الأقل عن الاعتقاد الخاطئ السابق بضرورة خلطه بمواد من الوقود. تكللت تجاربهما بالنجاح، وحصلا على براءة الاختراع رقم 851 في عام 1766، لكن يبدو أنه لم يتم اعتماد طريقتهما تجاريًا.

في عام ١٧٨٣، بنى بيتر أونيونز في دولايس فرنًا عاكسًا أكبر حجمًا. ^{[ ٥ ]} وبدأ بنجاح عملية التكوير التجاري باستخدام هذا الفرن، وحصل على براءة اختراع رقم ١٣٧٠. قام هنري كورت بتحسين الفرن في فونتلي ، هامبشاير، في الفترة ١٧٨٣-١٧٨٤، وحصل على براءة اختراع في عام ١٧٨٤. أضاف كورت مخمدات إلى المدخنة، متجنبًا بذلك بعض مخاطر ارتفاع درجة الحرارة واحتراق الحديد. ^{[ ٥ ]} تضمنت عملية كورت تقليب الحديد الزهر المنصهر في فرن عاكس في جو مؤكسد ، مما أدى إلى إزالة الكربون منه. عندما يصبح الحديد "طبيعيًا"، أي ذا قوام عجيني، يتم تجميعه على شكل كرة مكورة، ثم يُرصّ ويُدحرج (كما هو موضح أدناه). كان استخدام البكرات المحززة في مطحنة الدرفلة ، لدرفلة القضبان الضيقة، بمثابة تبني كورت لمطاحن الدرفلة الموجودة في القارة الأوروبية. ^{[ 6 ]} لم يطور كورت هذه الطريقة بنفسه، بل تعلمها من عمال معادن جامايكيين سود مستعبدين، وحصل على براءة اختراعها عام 1873. ^{[ 7 ]} باءت محاولات كورت للحصول على ترخيص لهذه العملية بالفشل، إذ لم تكن فعالة إلا مع الحديد الزهر المصهور بالفحم . أجرى ريتشارد كراوشاي تعديلات عليها في مصنعه للحديد في سيفارثفا بمدينة ميرثير تيدفيل، حيث دمج عملية تكرير أولية طُوّرت لدى جيرانهم في دولايس.

بعد تسعين عاماً من اختراع كورت، استذكرت صحيفة عمالية أمريكية مزايا نظامه:

"عندما يُصهر الحديد ببساطة ويُصب في أي قالب، يكون نسيجه حبيبيًا، ويكون هشًا للغاية لدرجة أنه غير موثوق به تمامًا لأي استخدام يتطلب قوة شد عالية . وتتمثل عملية التكوير في تقليب الحديد المنصهر المتدفق في بركة، وكان لها تأثير في تغيير ترتيبه الذري بحيث تجعل عملية الدرفلة أكثر فعالية." ^{[ 8 ]}

كانت عملية كورت (كما هو مسجل ببراءة اختراع) فعّالة فقط مع الحديد الزهر الأبيض ، وليس مع الحديد الزهر الرمادي ، الذي كان المادة الخام المعتادة لأفران الحدادة في تلك الفترة. وقد حُلّت هذه المشكلة على الأرجح في ميرثير تيدفيل بدمج عملية التكرير مع أحد عناصر عملية سابقة قليلاً. تضمنت هذه العملية نوعًا آخر من المواقد يُعرف باسم "المصفاة" أو "نار التفريغ". ^{[ 9 ]} كان يُصهر الحديد الزهر في هذه المصفاة ويُسكب في حوض. تنفصل الخبث وتطفو على سطح الحديد المنصهر، ثم تُزال بخفض حاجز في نهاية الحوض. كان أثر هذه العملية هو إزالة السيليكون من المعدن، تاركةً معدنًا أبيض هشًا يُعرف باسم "معدن النُقى". كان هذا المعدن هو المادة المثالية لشحن فرن التكرير. عُرفت هذه النسخة من العملية باسم "التكرير الجاف" واستمر استخدامها في بعض الأماكن حتى عام 1890.

كان من بين التطورات الإضافية في تكرير الحديد الزهر تقنية تُعرف باسم "التكرير الرطب"، أو "الغلي" أو "غلي الحديد الزهر". وقد ابتكرها جوزيف هول، وهو عامل تكرير _في تيپتون _. بدأ هول بإضافة خردة الحديد إلى الشحنة، ثم جرب لاحقًا إضافة قشور الحديد ( أكاسيد الحديد مثل FeO و Fe₂O₃ و _Fe₃O₄ ) _. وكانت النتيجة مذهلة ، إذ غلى الفرن بشدة، مُنتجًا فقاعات من أول أكسيد الكربون . ويعود ذلك إلى تفاعل كيميائي بين أكاسيد الحديد الموجودة في القشور والكربون المذاب في الحديد الزهر: C + Fe₂O₃ _→ CO + 2 FeO _. ولدهشته، أنتجت كرة التكرير الناتجة حديدًا جيدًا .

كانت إحدى المشكلات الكبيرة في عملية التكوير هي أن ما يصل إلى 15% من الحديد كان يُسحب مع الخبث بسبب استخدام الرمل في قاع الصهر. استبدل هول قاع الصهر برماد الصنبور المحمص، مما قلل هذه النسبة من الهدر إلى 8%، ثم انخفضت إلى 5% بحلول نهاية القرن. ^{[ 10 ]}

أصبح هول لاحقًا شريكًا في تأسيس مصانع بلومفيلد للحديد في تيبتون عام 1830، وأصبحت الشركة تُعرف باسم برادلي، باروز وهول ابتداءً من عام 1834. هذه هي النسخة الأكثر شيوعًا من العملية المستخدمة في منتصف القرن التاسع عشر وأواخره. تميزت عملية التكرير الرطب بكفاءتها العالية مقارنةً بالتكرير الجاف (أو أي عملية سابقة). أفضل إنتاجية للحديد يمكن تحقيقها من التكرير الجاف هي طن واحد من الحديد من 1.3 طن من الحديد الزهر (إنتاجية 77%)، بينما بلغت إنتاجية التكرير الرطب ما يقارب 100%.

بدأ إنتاج الفولاذ الطري في فرن التكوير حوالي عام 1850 في وستفاليا ، ألمانيا، وحصل على براءة اختراع في بريطانيا العظمى باسم لوهاج، بريم، وليركيند. كان هذا الفرن يعمل فقط مع الحديد الزهر المصنوع من أنواع معينة من الخام. وكان لا بد من صهر الحديد الزهر بسرعة وأن تكون الخبث غنية بالمنغنيز . وعندما يذوب المعدن، كان يجب إزالته بسرعة وتكويره قبل حدوث المزيد من عملية إزالة الكربون . تم تطبيق هذه العملية في مصانع لو مور للحديد في برادفورد ، يوركشاير ( إنجلترا ) عام 1851، وفي وادي لوار في فرنسا عام 1855، حيث شاع استخدامها على نطاق واسع.

بدأ استخدام عملية التكوير بالتراجع مع ظهور عملية بسمر ، التي أنتجت الفولاذ. ويمكن تحويل هذا الفولاذ إلى حديد مطاوع باستخدام عملية أستون بتكلفة ووقت أقل بكثير. للمقارنة، كان متوسط ​​حجم الشحنة اللازمة لفرن التكوير يتراوح بين 360 و410 كيلوغرامات [ ^{11 ] ،} بينما كانت شحنة محول بسمر 13600 كيلوغرام . لم يكن بالإمكان توسيع نطاق عملية التكوير، إذ كانت محدودة بكمية المعدن التي يمكن لفرن التكوير معالجتها. وكان التوسع الوحيد الممكن هو بناء المزيد من الأفران.   

تبدأ العملية بتحضير فرن الصهر. يتضمن ذلك خفض درجة حرارة الفرن ثم تنظيفه . التنظيف هو عملية طلاء الشبكة والجدران المحيطة بها بأكاسيد الحديد، وعادةً ما يكون الهيماتيت ؛ ^{[ 12 ]}  يعمل هذا كطبقة واقية تمنع المعدن المنصهر من الاحتراق داخل الفرن. في بعض الأحيان، كان يُستخدم الرماد المطحون ناعماً بدلاً من الهيماتيت. في هذه الحالة، يجب تسخين الفرن لمدة 4-5 ساعات لإذابة الرماد ثم تبريده قبل وضع المعدن المنصهر فيه.

يُوضع إما الحديد الزهر الأبيض أو الحديد المكرر في موقد الفرن، وهي عملية تُعرف باسم "الشحن" . في عملية "التلبيد الرطب"، يُضاف أيضًا خردة الحديد و/أو أكسيد الحديد. يُسخّن هذا المزيج حتى ينصهر سطحه، مما يسمح للأكاسيد بالبدء في الاختلاط؛ وتستغرق هذه العملية عادةً 30  دقيقة. يُعرّض هذا المزيج لتيار هواء قوي ويُحرّك بواسطة قضبان طويلة ذات خطافات في أحد طرفيها، تُسمى قضبان التلبيد أو "الرافلز" ، ^{[ 11 ] [ 13 ]} تُمرّر عبر أبواب الفرن. ^{[ 14 ]} يُساعد هذا الحديد الثلاثي ( Fe3 ^+، الذي يعمل كمؤكسد ) من الأكاسيد على التفاعل مع الشوائب الموجودة في الحديد الزهر، وخاصة السيليكون والمنغنيز (لتكوين الخبث) وإلى حد ما الكبريت والفوسفور ، والتي تُشكّل غازات تخرج مع عادم الفرن.

ثم يُضاف المزيد من الوقود وتُرفع درجة الحرارة. ينصهر الحديد تمامًا ويبدأ الكربون بالاحتراق. عند الصهر الرطب، يتسبب تكوّن أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون ( CO₂ ₎ نتيجة تفاعلاتهما مع أكسيد الحديد المُضاف في تكوّن فقاعات تجعل الكتلة تبدو وكأنها تغلي. تتسبب هذه العملية في انتفاخ الخبث على السطح، مما يُعطي عامل الصهر مؤشرًا مرئيًا على تقدم الاحتراق. مع احتراق الكربون، ترتفع درجة انصهار الخليط من 1150 إلى 1540 درجة مئوية (2100 إلى 2800 درجة فهرنهايت) ، ^{[ 15 ] [ 16 ]} لذا يجب تغذية الفرن باستمرار خلال هذه العملية. ترتفع درجة الانصهار لأن ذرات الكربون في الخليط تعمل كمذاب في المحلول، مما يُخفض درجة انصهار خليط الحديد (مثل ملح الطريق على الجليد).  

كان بإمكان عامل التكرير ومساعده، ضمن فريق عمل مكون من شخصين، إنتاج حوالي 1500  كيلوغرام من الحديد في نوبة عمل مدتها 12 ساعة. ^{[ 17 ]} تسبب العمل الشاق والحرارة والأبخرة في قصر متوسط ​​عمر عمال التكرير، حيث توفي معظمهم في الثلاثينيات من عمرهم. ^{[ 18 ]} لم يكن من الممكن أتمتة عملية التكرير مطلقًا لأن عامل التكرير كان عليه أن يستشعر متى "تكونت" الكرات جاهزة للتكرير.

في أواخر أربعينيات القرن التاسع عشر، طوّر الكيميائي الألماني فرانز أنطون لوهاج تعديلًا على عملية التكوير لإنتاج الفولاذ بدلًا من الحديد في مصانع هاسبي للحديد في هاغن . ثم تم تسويقها تجاريًا في ألمانيا وفرنسا والمملكة المتحدة في خمسينيات القرن التاسع عشر، وظل الفولاذ المُكوّر المادة الخام الرئيسية لفولاذ كروب المصبوب حتى سبعينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 19 ]} قبل تطوير البطانة الحرارية الأساسية (باستخدام أكسيد المغنيسيوم ، MgO) والاعتماد الواسع النطاق لعملية جيلكريست-توماس حوالي عام 1880، كانت عملية التكوير تُكمّل محولات بسمر الحمضية (باستخدام مادة حرارية مصنوعة من SiO2 ) والأفران المفتوحة، لأنها، على عكسها، كانت قادرة على استخدام خامات الفوسفور الوفيرة في أوروبا القارية _. ^{[ 20 ]}

فرن التكوير هو تقنية لصناعة المعادن تُستخدم لإنتاج الحديد المطاوع أو الفولاذ من الحديد الزهر المُنتَج في الفرن العالي . يُصمَّم هذا الفرن بحيث يمر الهواء الساخن فوق الحديد دون أن يلامس الوقود الحديد مباشرةً، وهو نظام يُعرف عمومًا باسم الفرن العاكس أو فرن الموقد المفتوح . وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا النظام في الحفاظ على فصل شوائب الوقود عن الشحنة.

الموقد هو المكان الذي يُشحن فيه الحديد ويُصهر ويُجمد. عادةً ما يكون شكل الموقد بيضاويًا؛ بطول يتراوح بين 1.5 و1.8 متر (4.9-5.9 قدم) وعرض يتراوح بين 1 و1.2 متر (3.3-3.9 قدم) . إذا صُمم الفرن لصهر الحديد الأبيض، فإن عمق الموقد لا يتجاوز 50 سم (20 بوصة) . أما إذا صُمم الفرن لغلي الحديد الرمادي، فإن متوسط ​​عمق الموقد يتراوح بين 50 و75 سم (20-30 بوصة) .        

كانت المدفأة، حيث يُحرق الوقود، تستخدم شبكة من الحديد الزهر تختلف في حجمها تبعًا لنوع الوقود المستخدم. فإذا استُخدم الفحم الحجري، يكون متوسط ​​حجم الشبكة 60 سم × 90 سم (2.0 قدم × 3.0 قدم) وتُملأ بطبقة من الفحم بسمك 25-30 سم (9.8-11.8 بوصة) . أما إذا استُخدم فحم الأنثراسيت ، فتكون الشبكة 1.5 م × 1.2 م (4.9 قدم × 3.9 قدم) وتُملأ بطبقة من الفحم بسمك 50-75 سم (20-30 بوصة) . ونظرًا للحرارة العالية اللازمة لصهر الفحم، كان لا بد من تبريد الشبكة حتى لا تذوب معه. وكان ذلك يتم بتمرير تيار مستمر من الهواء البارد عليها، أو بسكب الماء على قاعها.                

يُشبه فرن الصهر المزدوج فرن الصهر الأحادي، مع اختلاف رئيسي يتمثل في وجود بابين للعمل يسمحان لعاملَي صهر بتشغيل الفرن في الوقت نفسه. وتتمثل الميزة الأكبر لهذا التصميم في إنتاجه ضعف كمية الحديد المطاوع. كما أنه أكثر اقتصادية وكفاءة في استهلاك الوقود مقارنةً بالفرن الأحادي.

• فولاذ البوتقة
• مطرقة مزدوجة
• صناعة الصلب

مصادر

• لاندز، ديفيد س. (1969). بروميثيوس غير المقيد: التغير التكنولوجي والتطور الصناعي في أوروبا الغربية من عام 1750 إلى الوقت الحاضر . كامبريدج، نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-09418-6.
• شوبرت، إتش آر (1958). استخراج وإنتاج المعادن: الحديد والصلب . تاريخ التكنولوجيا الرابع: الثورة الصناعية. مطبعة جامعة أكسفورد.

• WKV Gale, Iron and Steel (Longmans, London 1969), 55ff.
• WKV Gale, The British Iron and Steel Industry: a technical history (David & Charles, Newton Abbot 1967), 62–66.
• RA Mott, 'Dry and Wet Puddling' Trans. Newcomen Soc. 49 (1977–78), 153–58.
• RA Mott (ed. P. Singer), Henry Cort: the great finer (The Metals Society, London 1983).
• ك. باراكلو، صناعة الصلب: 1850-1900 (معهد المواد، لندن 1990)، 27-35.
• أوفرمان، فريدريك (1854). صناعة الحديد، بجميع فروعها المختلفة . فيلادلفيا: إتش سي بيرد. ص 259-302 . 
• ورقة بول بيلفورد حول شركة إن. هينجلي وأولاده المحدودة
• عامل صهر الحديد: حياتي في مصانع الدرفلة وما آلت إليه . بقلم جيمس ج. ديفيس . نيويورك: غروسيت ودونلاب، 1922. (كتبه بالنيابة سي إل إدسون)
• بينيت، هنري (1863). "حول صهر الحديد بالآلات". وقائع المؤتمر . برمنغهام: معهد المهندسين الميكانيكيين. ص 298-309 . 
• دادو، صموئيل هاريس؛ بانان، بنيامين (1866). "تطوير الحديد والصلب". الفحم والحديد والنفط، أو، عامل المنجم الأمريكي العملي . بوتسفيل، بنسلفانيا: بنيامين بانان.