موضوع مقاله: فرایند بسمر | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فرایند بسمر | مقدمه: هدف اصلی فرایند بسمر حذف آلاینده‌های آهن از طریق اکسیداسیون، با دمیدن اکسیژن از میان توده چدن گداخته و آهن مذاب می‌باشد. | ## بخش 1: فرایند بسمر | همچنین پدیده اکسیداسیون دمای آهن مذاب را افزایش داده و آن را مذاب نگه می‌دارد.این افزایش دما، به‌واسطه واکنش اکسیژن با کربن و سیلیسیم موجود در آهن گداخته به وجود می‌آید. در قرن یازدهم میلادی فرآیندی شبیه به پادلینگ (puddling) در آسیای شرقی به کار می‌رفت که دانشمندی به نام Shen Kuo این فرآیند را به عنوان فرآیند مورد استفاده در صنعت آهن و فولاد چین معرفی کرد. در قرن هفدهم میلادی گزارش‌های مسافران اروپایی نشان می‌داد که این روش در ژاپن نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرآیند مدرنی که در مقیاس صنعتی از آن استفاده شد، فرآیند بسمر نام دارد که هنری بسمر در سال ۱۸۵۶ میلادی حق ثبت اختراع آن را کسب کرد. هنری بسمر مخترع فرآیند بسمر، دانشمند بریتانیایی؛ هنری بسمر (۱۹ ژانویهٔ ۱۸۱۳ - ۱۵ مارس ۱۸۹۸) می‌باشد. او روشی برای تولید فولاد ابداع کرد که به مهم‌ترین روش تولید فولاد در قرن ۱۹ میلادی تبدیل شد و شهر شفیلد را به یک مرکز مهم صنعتی تبدیل کرد. این روش، تولید فولاد را ارزان و سریع ساخت و باعث تحول در صنعت مهندسی سازه‌ها شد.علاوه بر کوره بسمر، او بیش از صد اختراع دیگر در زمینه تولید آهن، فولاد و شیشه داشت. برخلاف بسیاری از مخترعان، او توانست نوآوریهای خود را به مرحله تولید صنعتی برساند و از منفعت مادی آنها استفاده کند. تاریخچه روش‌های اولیه تولید فولاد از قرن یازدهم میلادی روش‌هایی برای تولید فولاد در آسیای شرقی ابداع شد که سیستمی یکسان با سیستم فرآیند بسمر داشت. به گفتهٔ‌ رابرت هارتوِل (Robert Hartwell)، مورخ اقتصادی، مردمان سلسله سونگ روشی برای کربن‌زدایی جزئی ابداع کرده بودند به این صورت که چدن را به طور مکرر آهنگری می‌کردند و به سرعت سرد می‌کردند (انفجار سرد). این فرآیند اولین بار توسط دانشمند و مقام چند جانبه دولت، Shen Kuo، در سال ۱۰۷۵ شرح داده شد. این روش تاثیر بسیار زیادی در کیفیت و کمیت فولاد تولید شده داشت اما با توجه به هزینه بالا، این نوع فولاد برای کاربردهای خاص و محدودی استفاده می‌شد و ارتباطی به فرآیند بسمر که از کربن‌زدایی استفاده می‌کرد؛ نداشت. با توجه به مشاهدات مسافران اروپایی در قرن ۱۷، می‌توان ادعا کرد که ژاپنی‌ها نیز از فرآیندی مشابه با روش بسمر استفاده می‌کردند. به گفتهٔ‌ او:« آن‌ها اختراعی خاص برای ذوب کردن آهن بدون استفاده از آتش داشتند؛ به این صورت که آهن را در بشکه ‌هایی می‌ریختند و در حدود نیم فوت داخل زمین می‌‌کردند سپس به طور مداوم در آن می‌دمیدند و با ملاقه‌هایی آن را خارج می‌کردند تا به فرم مورد نظر درآید.» به گفتهٔ‌ دونالد واگنرِ مورخ، ماندلسلو خودش به ژاپن نرفته بود، بنابرین توضیح او از این فرآیند از گزارش‌های مسافران اروپایی که به ژاپن رفته بودند نشات گرفته است. واگنر معتقد بود روش ژاپنی‌ها ممکن است با روش بسمر مشابه باشد اما توضیحات جایگزین نیز قابل قبول هستند. کِلی در این نامه اظهار کرد که قبلاً روندکار این فرآیند را آزمایش کرده است و ادعا کرد بسمر از کشف او اطلاع داشته است. در طول وقوع جنگ کریمه بسیاری از دانشمندان و صنعتگران انگلیسی به بررسی فناوری ‌های نظامی می‌پرداختند. به گفتهٔ‌ بسمر اختراع او از مکالمه‌اش با ناپلئون سوم در سال ۱۸۵۴ الهام گرفته شده بود که برای توپخانه به فولاد باکیفیتی احتیاج داشتند. بسمر در این باره می‌گوید: «جرقه‌ای بود که یکی از بزرگ‌ترین انقلاب‌های قرن را روشن کرد. آن شب در طول سفرم از وینسن به پاریس، تصمیم گرفتم تا جایی که می‌توانم به بهبود کیفیت آهن در ساخت اسلحه کمک کنم.» در آن زمان فولاد تنها در ساخت اجناس کوچک مانند کارد و چنگال کاربرد داشت و هزینهٔ بسیار بالایی برای ساخت توپ در پی داشت. بسمر از ژانویهٔ ۱۸۵۵ بر روی روشی برای تولید فولاد در مقادیر عظیم برای توپخانه شروع به کار کرد و در اکتبر همان سال اولین حق ثبت اختراع خود را برای فرآیند بسمر کسب کرد. | ## بخش 2: فرایند بسمر | بسمر لیسانس فناوری خود را به مبلغ کل ۲۷۰۰۰£ به چهار کارخانه آهن فروخت اما آن‌ها نتوانستند فولاد را با کیفیتی که بسمر ادعا می‌کرد تولید کنند. بسمر متوجه شد که این مشکل به دلیل ناخالصی‌های موجود در آهن است و نتیجه گرفت که راه‌حل این مشکل این است که بدانیم چه زمانی جریان هوا را قطع کنیم تا ناخالصی‌ها بسوزند اما مقدار کافی کربن باقی بماند. با این حال با وجود صرف ده‌ها هزار پوند برای آزمایش‌ها، او نتوانست پاسخ را پیدا کند.. در نهایت بسمر کارخانه فولادسازی خود را تاسیس کرد زیرا علی رغم اینکه نمی‌توانست روشش را به خریداران منتقل کند؛ خودش می‌توانست فولاد با کیفیت تولید کند. کارخانه بسمر به یکی از بزرگ‌ترین کارخانه‌های جهان تبدیل شد و چهرهٔ‌ جدیدی از تولید فولاد به جهان معرفی کرد.J.E. روش او این بود که ابتدا تا جایی که ممکن است همه ناخالصی‌ها و کربن را بسوزاند؛ سپس کربن و منگنز را با افزودن مقدار دقیقی اسپایگلایزن (Spiegeleisen) دوباره وارد کند. این روش تاثیر زیادی بر بهبود کیفیت محصول نهایی گذاشت و قابلیت شکل‌پذیری را افزایش داد..اختراع موشت به دلیل ناتوانی او در پرداخت حق اختراع، به نام او ثبت نشد و در نهایت توسط بسمر خریداری شد. بسمر فروش لیسانس به داخل و خارج انگلیس، از جمله آمریکا را دوباره شروع کرد و بیش از پنج میلیون دلار به‌دست آورد. انقلاب صنعتی در آمریکا الکساندر لیمن هولی به طور چشمگیری به موفقیت فولاد بسمر در ایالات متحده کمک کرد. او در سال ۱۸۶۲ از فعالیت‌های بسمر بازدید کرد و علاقمند به دریافت لیسانس برای استفاده از این تکنولوژی در آمریکا شد. هولی در این کارخانه دست به نوآوری‌هایی زد که باعث شد سود کارخانه نسبت به کارخانهٔ بسمر بسیار بالاتر رود. این کارخانه توجه راه آهن پنسیلوانیا که به دنبال راه‌های جدید برای ساخت ریل فولادی بود؛ را به خود جلب کرد. راه آهن پنسیلوانیا بودجه کارخانهٔ دوم هولی که زیر مجموعهٔ شرکت پنسیلوانیا استیل بود را تامین کرد. بین سال‌های ۱۸۶۶ و ۱۸۷۷ این سه شریک توانستند مجوز ۱۱ شرکت تولید فولاد بسمر را کسب کنند. هولی کارخانهٔ تولید فولاد جدیدی برای کارنگی تاسیس کرد و با این کار به پیشرفت و اصلاح فرآیند بسمر ادامه داد. این روند کاهش قیمت ادامه داشت تا اینکه در دههٔ ۱۸۹۰ قیمت ریل به ۱۸ دلار در هر تن رسید. قبل از تاسیس این کارخانه‌ها، تولید فولاد در ایالات متحده حدود ۱۵۷۰۰۰ تن در سال بود؛ تا سال ۱۹۱۰ شرکت‌های آمریکایی سالانه ۲۶ میلیون تن فولاد تولید می‌کردند. در سال ۱۸۷۷، آبراهام هویت نامه‌ای نوشت و خواستار جلوگیری از استفاده از فولاد بسمر در ساخت پل بروکلین شد. اکسیداسیون دمیدن هوا در آهن مذاب باعث وارد شدن اکسیژن به داخل آن می‌شود؛ اکسیژن باعث اکسید شدن ناخالصی‌هایی مانند سیلیکون، منگنز و کربن می‌شود و به این ترتیب این ناخالصی‌ها را از بین می‌برد. پوشش نسوز مبدل نیز در فرآیند تبدیل آهن به فولاد نقش دارد؛ برای موادی که مقدار فسفر در آن‌ها کم است از لایه‌های رسی استفاده می‌شود که به فرآیند اسید بسمر معروف است؛ اما زمانی که مقدار فسفر زیاد باشد از لایه‌های دولومیت و منیزیت استفاده می‌شود. مدیریت فرآیند وقتی فولاد مورد نیاز تشکیل شد درون ملاقه‌هایی ریخته می‌شود و سپس درحالی که سربارهٔ سبک‌تر در پشت آن‌ وجود دارد به قالب منتقل می‌شود. | ## بخش 3: فرایند بسمر | در طی این مدت میزان پیشرفت اکسیداسیون ناخالصی‌ها با استفاده از شعله‌ای که از دهان مبدل خارج می‌شود؛ سنجیده می‌شود. استفاده از روش‌های مدرن مانند روش‌های فوتوالکتریک برای ثبت مشخصات شعله می‌تواند کمک بزرگی به کنترل کیفیت محصول نهایی کند. پس از ضربه، فلز مایع ری‌کربوریزه (اضافه کردن کربن به ماده) می‌شود تا مقدار کربن به مقدار مورد نیاز برسد؛ همچنین با توجه به کاربرد مورد نظر مواد آلیاژی دیگر نیز به آن افزوده می‌شوند. در آن زمان به دلیل نبود تکنولوژی پیشرفته، امکان حرارت دادن زیاد آهن وجود نداشت و به همین دلیل سربارهٔ ناخالصی‌ها به طور کامل از بین نمی‌رفت. فرآیند بسمر اجازهٔ تولید فولاد بدون مصرف سوخت را داد؛ که گرمای لازم را، از ناخالصی‌های موجود در آهن تامین می‌کرد. این روش هزینه‌های تولید فولاد را به شدت کاهش ‌داد اما یافتن مواد اولیه با ویژگی‌های مطلوب (واکنش دادن با ناخالصی‌های آهن) بسیار دشوار بود. افزودن دوبارهٔ کربن به آهن فرفورژه، که از سوئد وارد می‌شد، باعث بالا رفتن کیفیت فولاد شد. فرآیند تولید، که فرآیند سیمان‌سازی نام دارد به این صورت است که میله‌های حرارتیِ آهن فرفورژه را همراه با زغال چوب به مدت حداکثر یک هفته در یک جعبه سنگی بلند قرار می‌دهند و به این ترتیب فولاد بلیستر ( blister steel) ساخته می‌شود. برای هر تن فولاد تولید شده به این روش، حداکثر ۳ تن زغال کک گران قیمت سوزانده می‌شود. دشوارترین و پرمشغله‌ترین مرحلهٔ این فرآیند، تولید آهن فرفورژه بود که در سوئد تولید می‌شد. در ساخت فولاد بوته‌ای میله‌های فولاد بلیستر به قطعاتی تقسیم می‌شوند و در بوته‌های کوچک ذوب می‌شوند که هر کدام از این بوته‌ها حاوی ۲۰ کیلوگرم فولاد است. فرآیند بسمر زمان لازم برای تولید فولاد با این کیفیت را به حدود نیم ساعت کاهش داد و زغال کک را فقط در ذوب آهن (pig iron) استفاده کرد و به این ترتیب فرآیند بسمر توانست هزینه‌ها را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد. مدیر وقت، ادوارد مارتین، تجهیزاتی برای آزمایش‌ در مقیاس بزرگ در اختیار او گذاشت و به او کمک کرد تا اختراعش را ثبت کند. اختراع او استفاده از دولومیت و در بعضی موارد سنگ آهک به جای خاک رس، در مبدل بسمر بود و به عنوان فرآیند بازی بسمر ( به جای فرآیند اسیدی بسمر) شناخته شد. آن‌ها خاطر نشان کردند که گسترش خطوط راه‌آهن به مناطق کم جمعیت کشور باعث افزایش جمعیت ساکن در این مناطق شده همچنین تجارت برخی از کالاها که هزینهٔ حمل‌ و نقلشان بسیار بالا بود را سودآور کرده است. فرآیند بسمر با کاهش هزینه‌های تولید، از ۴۰£ در هر تن بزرگ به ۶-۷£ در هر تن بزرگ و افزایش قابل توجه مقیاسِ تولید این مادهٔ اولیهٔ حیاتی، انقلابی در تولید فولاد ایجاد کرد. تا قبل از معرفی این فرآیند، فولاد برای ساخت پل یا چارچوب ساختمان‌ها بسیار گران بود و در طول انقلاب صنعتی از آهن فرفورژه برای ساخت آن‌ها استفاده می‌شد. پس از معرفی فرآیند بسمر، فولاد و آهن فرفورژه در یک رنج قیمت قرار گرفتند و بسیاری از کاربران، به خصوص راه‌آهن، به فولاد روی آوردند. مشکلاتی مانند شکستگی (ناشی از نیتروژن موجود در هوای دمیده) مانع از استفاده از فولاد بسمر در بسیاری از کاربردهای ساختاری شد. در سال ۱۸۹۵ در انگلستان ذکر شد که دوران اوج فرآیند بسمر به پایان رسیده و روش کورهٔ سرباز غالب است. فرآیند اساسی بسمر (فرآیند توماس-گیلچریست) مدت بیش‌تری باقی ماند؛ به ویژه در قارهٔ اروپا که سنگ معدن آهن از مقدار فسفر بالایی برخوردار بود و فرآیند کورهٔ سرباز قادر به حذف همهٔ فسفر نبود. | ## جمع‌بندی | تقریباً همهٔ فولادهای ارزان قیمت ساختمانی در آلمان، در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ با این روش تولید می‌شدند که سرانجام با فولادسازی اکسیژن اساسی جایگزین شد.