پودلاژ (متالورژی)

بندانگشتی|طرح شماتیک کوره پادلینگ

**فرآیند همزنی یا پودلاژ (Puddling)** یک فرآیند متالورژیکی بود که در اواخر قرن هجدهم برای تصفیه چدن خام و تبدیل آن به آهن ورزیده در مقیاس صنعتی توسعه یافت. این نخستین روشی بود که امکان تولید انبوه آهن چکش‌خوار را با استفاده از زغال‌سنگ به عنوان سوخت فراهم می‌کرد و محدودیت‌های روش‌های مبتنی بر زغال چوب را از میان برمی‌داشت. این فرآیند در یک کوره شعله‌ای (Reverberatory furnace) انجام می‌شد، جایی که چدن خام مذاب با میله‌های بلند هم‌زده می‌شد (یا به اصطلاح "پودلاژ" می‌شد) تا در معرض شرایط اکسیدکننده قرار گیرد. این کار ناخالصی‌هایی مانند کربن، سیلیسیم و فسفر را حذف می‌کرد و آهن ورزیده‌ای مناسب برای آهنگری و نوردکاری تولید می‌نمود.

از اواخر قرن هجدهم تا اواخر قرن نوزدهم، پودلاژ فرآیند غالب برای تولید آهن ورزیده بود و نقشی محوری در انقلاب صنعتی ایفا کرد. این فرآیند سرانجام با روش‌های کارآمدتر فولادسازی جایگزین شد، اما نقطه عطفی در تاریخ متالورژی آهنی به‌شمار می‌رود.

گرچه پادلینگ اولین فرایند تولید میل آهن بدون زغال نبود اما تقریبا موفقترین بود و جایگزین روشهای قبلی شد. این امر باعث شد تا تولید آهن در بریتانیا و اندکی پس از آن در آمریکای شمالی گسترش یابد. این گسترش تا آنجا که به صنعت آهن مربوط می شود، آغاز انقلاب صنعتی را تشکیل داد.

بعداً از کوره ها برای تولید فولاد کربنی با کیفیت بالا نیز استفاده شد. این یک عمل بسیار ماهرانه بود و فولادهای پرکربن و کم کربن با موفقیت در مقیاس کوچک تولید شدند، به ویژه برای شمشیرها ، چاقوها و سایر سلاح‌ها با کیفیت بالا.

## تاریخچه
پالایش فولاد بوسیله پادلینگ قبلتر در چین باستان در زمان سلسله هان در قرن اول پس از میلاد شناخته شده بود. پیشرفت در فرآیندهای فولادسازی کیفیت فولاد را به خاطر آهنگری مکرر، تا کردن و انباشتن آهن فرفوژه از آهن خام بهبود بخشید.

پادلینگ مدرن یکی از چندین فرآیند توسعه یافته در نیمه دوم قرن هجدهم در بریتانیا برای تولید آهن فرفوژه از آهن خام بدون استفاده از زغال چوب بود. این روش به تدریج جایگزین فرآیندهای قبلی سوخت زغال چوب شد که در آهنگری زینتی انجام می شد.

### نیاز به پادلینگ
آهن خام حاوی مقدار زیادی کربن آزاد است و شکننده است. قبل از اینکه بتوان از آن استفاده کرد، و قبل از اینکه بتوان آن را توسط آهنگر به کار گرفته شود، باید آن را به شکل چکش خوارتری تبدیل کرد .

استفاده موفق آبراهام داربی از کک برای کوره بلند خود در کوالبروکدیل در سال 1709  قیمت آهن را کاهش داد، اما این آهن خام با سوخت کک در ابتدا پذیرفته نشد زیرا با روش های موجود امکان تبدیل آن به میل آهن وجود نداشت.  ناخالصی‌های گوگردی حاصل از کک، باعث شکننده شدن هنگام گرم کردن بود و بنابراین فرآیندهای زینتی بروی آنها آن قابل اجرا نبود. در سال 1750، زمانی که دمیدن با نیروی بخار، دمای کوره را به اندازه‌ای افزایش داد تا آهک کافی برای حذف گوگرد اضافه شود، استفاده از آهن کک آغاز شد.

همچنین، فرآیندهای بهتری برای اصلاح آن ایجاد گشت. 

### اختراع

آبراهام داربی دوم ، پسر مخترع کوره بلند، در سال 1749 موفق شد آهن خام را به میل آهن تبدیل کند، اما جزئیاتی از فرآیند او در دست نیست.  برادران کرینیج ، با استفاده از یک کوره بازتابشی زغال‌سنگ، که در آن آهن و زغال‌سنگ گوگردی را می‌توانستند جدا نگه دارند، به‌طور تجربی به نتیجه رسیدند.  آنها اولین کسانی بودند که فرض کردند که آهن را می توان از آهن خام به آهن میله فرفوژه تنها با عمل گرما دادن تبدیل کرد. اگرچه آنها از تأثیرات ضروری اکسیژن تأمین شده توسط هوا بی اطلاع بودند، اما حداقل تصور نادرست قبلی مبنی بر اینکه مخلوطی با مواد سوختی مورد نیاز است را کنار گذاشته بودند.

کوره پادلینگ توسط هنری کورت در فونتلی در همپشایر در 1783-1784 بهبود یافت و در سال 1784 به ثبت رسید. کورت دمپرهایی را به دودکش اضافه کرد تا از خطر گرم شدن بیش از حد و "سوخته شدن" آهن جلوگیری کند.  فرآیند کورت شامل هم زدن آهن خام مذاب در یک کوره بازتابشی در یک اتمسفر اکسید کننده بود، در نتیجه آن: کربن زدایی .

هنگامی که آهن به حالت خمیری در آمد، آن را به صورت گلوله‌ای جمع می‌کردند و می‌غلتاندند. این کاربرد غلتک های شیاردار در آسیاب نورد ، برای رول کردن میله های باریک نیز اختراع کورت بود.  کورت در صدور مجوز این فرآیند و دریافت درآمد از آن موفق بود.

نود سال پس از اختراع کورت، یک روزنامه نگار آمریکایی مزایای سیستم او را یادآوری کرد:زمانی که آهن به سادگی ذوب می شود و در قالبی ریخته می شود، بافت آن دانه ای است، و بسیار شکننده است بطوری که برای اموری که به استحکام کششی زیادی نیاز دارند، غیرقابل اعتماد است. فرآیند پادلینگ شامل هم زدن آهن مذاب بود که از یک گودال خارج میشد، و این تأثیر را داشت که آرایش آناتومیک آن را چنان تغییر دهد که فرآیند غلتش را مؤثرتر کند.» 

فرآیند کورت فقط برای چدن سفید کار می کرد، نه چدن خاکستری ، که خوراک رایج برای آهنگری آن دوره زمانی بود. این مشکل احتمالاً در مرثر تیدویل با ترکیب puddling با یک عنصر از یک فرآیند قدیمیتر حل شد که شامل نوع دیگری از اجاق بود که به عنوان "پالایشگاه" شناخته می شود  که آهن خام در آن ذوب میشد و به داخل یک ظرف ریخته میشد. با جدا شدنسرباره و شناور شدن روی آهن مذاب با پایین آوردن سدی در انتهای ناودان خارج میشد. اثر این فرآیند، سیلیکون زدایی از فلز بود و یک فلز شکننده سفید رنگ باقی می‌ماند. این ماده ایده‌آل برای شارژ کردن در کوره‌های پادلینگ بود. این نسخه از فرآیند به عنوان "پادلینگ خشک" شناخته می شد و تا اواخر سال 1890 در برخی مکان ها استفاده می شد.

جایگزینی برای تصفیه آهن خاکستری به عنوان «پادلینگ مرطوب» شناخته می شد که به «جوش» یا «جوش خام» نیز معروف بود. این مورد توسط جوزف هال در اختراع شد. او شروع به اضافه کردن آهن قراضه به شارژ کرد. سپس سعی کرد که زنگ آهن را اضافه کند . نتیجه از این جهت دیدنی بود که کوره به شدت جوشید. این یک واکنش شیمیایی بین آهن اکسید شده و کربن محلول در آهن بود. در کمال تعجب، آهن خوبی تولید کرد.

یکی از مشکلات بزرگ پادلینگ این بود که تقریباً 50 درصد آهن با سرباره هدر میرفت زیرا برای بستر فرایند ماسه استفاده می شد. هال بستر را با خاکستر برشته تغییر داد تا این ضایعات را به 8 درصد کاهش دهد و تا پایان قرن به 5 درصد کاهش پیدا کرد.

تولید فولاد نرم در کوره پادلینگ در حدود سال 1850 در وستفالن آلمان به دست آمد و به نمایندگی از Lohage، Bremme و Lehrkind در بریتانیا به ثبت رسید. این محصول فقط با آهن خام از نوع خاصی از سنگ معدن کار میکرد. چدن باید به سرعت ذوب می شد و سرباره غنی از منگنز بشود . هنگامی که فلز شکل خمیری به خود گرفت، باید به سرعت برداشته می شد و قبل از اینکه فرایند کربنات شدن بیشتر اتفاق بیفتد، آن را جدا می کرد.
بندانگشتی|سیر تکامل تولید آهن خام (گندله)، چدن و ​​فولاد در بریتانیای کبیر و فرانسه. گذار بین هر فلز را می‌توان در این نمودارها، برای هر دو کشور، مشاهده کرد.

فرآیند پادلینگ با معرفی فرآیند بسمر ، شروع به کمرنگ شدن کرد. برای مقایسه، اندازه متوسط شارژ برای یک کوره پادلینگ 360-410 کیلوگرم  بود در حالی که شارژ یک مبدل بسمر 13600 کیلوگرم بود. فرآیند پادلینگ قابلیت ارتقا نداشت. تنها با ساختن کوره های بیشتر میشد آن را گسترش داد.

## فرآیند
بندانگشتی|نمای بیرونی یک کوره پودلینگ تکی. الف. دمپر؛ ب. درب کار

فرآیند با آماده سازی کوره پادلینگ آغاز می شود. آماده سازی شامل رساندن کوره به دمای پایین و سپس *عملیات fettling* است. فتلینگ فرآیند حذف مواد اضافی از ریخته گری و رنگ آمیزی دیوارهای اطراف کوره با اکسیدهای آهن، معمولاً هماتیت است .  این لایه به عنوان یک پوشش محافظ عمل می کند تا از سوختن فلز ذوب شده در کوره جلوگیری کند. گاهی به جای هماتیت از خاکستر کوبیده شده استفاده می شود. در این مورد کوره باید 4 الی 5 ساعت گرما داده شود تا خاکستر ذوب شده و سپس قبل از شارژ سرد شود.

سپس چدن سفید یا آهن تصفیه شده در اجاق کوره قرار می گیرد، فرآیندی که به عنوان *شارژ* شناخته می شود. برای پادلینگ مرطوب، آهن قراضه و/یا اکسید آهن نیز شارژ می شود. سپس این مخلوط حرارت داده می شود تا قسمت بالایی ذوب شود و اجازه می دهد تا اکسیدها شروع به مخلوط شدن کنند. این فرایند معمولا 30 دقیقه طول می کشد. این مخلوط تحت یک جریان شدید هوا قرار می گیرد و توسط میله های بلند با قلاب هایی در یک طرف، به نام *میله های* *پادلینگ* یا رابل،  از طریق درهای کوره به هم زده می شود. 

سپس سوخت بیشتری اضافه می شود و دما افزایش می یابد. آهن کاملا ذوب می شود و کربن شروع به سوختن می کند. هنگام پادلینگ مرطوب، تشکیل دی اکسید کربن در اثر واکنش با اکسید آهن اضافه شده باعث ایجاد حباب هایی می شود که باعث می شود جرم به نظر بجوشد. این فرآیند باعث پف کردن سرباره در بالا می‌شود و به رابلر یک نشانه بصری از پیشرفت احتراق می‌دهد. با سوختن کربن، دمای ذوب مخلوط از 1150 به 1540 درحه سلسیوس میرسد 
## شیمی فرآیند
فرآیند پودلاژ ناخالصی‌ها را از طریق واکنش‌های اکسیداسیون حذف می‌کرد. واکنش‌های اصلی شامل موارد زیر بودند:

* **اکسیداسیون سیلیسیم:** Si+2FeO→SiO2​+2Fe
* **اکسیداسیون فسفر:** 2P+5FeO→P2​O5​+5Fe
* **اکسیداسیون کربن:** C (in iron)+FeO→CO↑+Fe

منوکسید کربن تولید شده باعث جوشش مشخصه حمام مذاب می‌شد. وجود اکسیدهای آهن در سرباره حیاتی بود: آن‌ها به عنوان عامل اصلی اکسیدکننده عمل می‌کردند، به‌ویژه در پودلاژ مرطوب.

با کاهش محتوای کربن به زیر ۰.۳٪، آهن شروع به جامد شدن می‌کرد و توده شکل‌پذیر می‌شد. واکنش‌های گرمازا و گرمای حاصل از انجماد به حفظ دمای بالا در مراحل پایانی کمک می‌کردند.

## کوره پادلینگ
بندانگشتی|مقاطع عرضی عمودی و افقی یک کوره پودلینگ منفرد. الف. شبکه شومینه؛ ب. آجرهای نسوز؛ ج. چسب‌های عرضی؛ د. شومینه؛ ه. درب کار؛ و. اجاق؛ ز. صفحات نگهدارنده چدنی؛ ح. دیوار پل

اجاق کوره جایی است که آهن شارژ، ذوب و عملیات پادلینگ در آن انجام میشود. شکل کوره معمولاً بیضوی است. ۱٫۵–۱٫۸ متر (۴٫۹–۵٫۹ فوت) طول و ۱–۱٫۲ متر (۳٫۳–۳٫۹ فوت) عرض دارد. به دلیل گرمای زیاد و خنک نگه داشتن بعضی از اجزا جریان مداوم هوای خنک روی اجزا یا آب وجود دارد.
بندانگشتی|طرح کوره پادلینگ دوتایی

### طراحی کوره
کوره پودلاژ یک کوره شعله‌ای با سوخت زغال‌سنگ بود. اجزای اصلی آن عبارت بودند از:

* **محفظه آتش (Firebox):** محل سوختن زغال‌سنگ یا کک.
* **دیواره جداکننده (Bridge wall):** محفظه آتش را از کف کوره جدا می‌کرد و از تماس مستقیم سوخت با آهن جلوگیری می‌نمود.
* **کف کوره (Hearth):** یک حوضچه کم‌عمق و پهن که بار چدن خام در آن قرار می‌گرفت. در ابتدا با شن پوشانده می‌شد اما بعدها با اکسیدهای آهن (در پودلاژ مرطوب) آسترکاری شد.
* **دودکش و کانال‌ها (Chimney and flues):** مکش هوا و اتمسفر کوره را تنظیم می‌کردند.

طراحی شعله‌ای (انعکاسی) امکان دستیابی به دماهای بسیار بالا را فراهم می‌کرد، در حالی که آهن مذاب را از ناخالصی‌های موجود در سوخت جدا نگه می‌داشت.

## جستار های وابسته

* فولاد بوته 
* فولادسازی
* فرآیند بسمر
* متالورژی آهنی
* آهن کارشده

## منابع
* Encyclopaedia Britannica. “Puddling process.”
* Metal Zenith. “Puddling Process: Key Steelmaking Method in Historical and Modern Production.”
* Flemings, M. & Ragone, D. (2009). Puddling: A New Look at an Old Process. *ISIJ International, 49*(12), 1960–1967.
* Historical Metallurgy Society Journal. *Puddling: a Metallurgical Perspective*.
* AllTheScience.org. “What is Puddling?”
* Fiveable. “Puddling Process.”
رده:فرایندهای متالورژی
رده:فولادسازی