آهنگری کاتالان

**آهنگری کاتالان** مجموعه‌ای از فرآیندهای فنی است که با هدف تولید آهن از طریق کاهش مستقیم سنگ معدن طراحی شده‌اند؛ در این روش برخلاف کوره بلند، نیازی به مرحله‌ی ذوب نیست. پس از کاهش سنگ معدن، توده‌ی به‌دست‌آمده که به آن *massé* گفته می‌شود، تحت عملیات کوبش و فشرده‌سازی (شینگلینگ) قرار می‌گیرد تا ناخالصی‌ها از آن جدا شوند.

در این روش، نیروی محرکه‌ی چکش  (Trip Hammer) از آب تأمین می‌شود، و برای حفظ احتراق یکنواخت در کوره از سامانه‌ی تهویه‌ای به نام *ترومپ* (Trompe) استفاده می‌شود که هوا را به درون کوره می‌دمد. اصطلاح "آهنگری کاتالان" هم به فناوری به‌کاررفته در این فرآیند اشاره دارد و هم به ساختمانی که این عملیات در آن انجام می‌شود.

با وجود نامش، این نوع آهنگری تنها محدود به منطقه‌ی کاتالونیا نبود، بلکه از قرن هفدهم تا نوزدهم در نواحی کوهستانی مانند آلپ، توده مرکزی فرانسه و پیرنه، و حتی توسط نخستین مهاجران آمریکایی به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفت.
بندانگشتی|چکش درون یک آهنگری کاتالان

## مبدا و ریشه
متالورژی از دیرباز از سنگ‌ معدن‌های غنی و دارای قابلیت ذوب آسان، مانند هماتیت قهوه‌ای فشرده و کربنات‌های تجزیه‌شده و دارای آب، استفاده می‌کرده است. این سنگ‌ معدن‌ها در کوره‌هایی ابتدایی قرار می‌گرفتند که به صورت گودال‌های دایره‌ای شکل در زمین حفر و با گل رس ساخته می‌شدند. سوخت اصلی این کوره‌ها زغال چوب بود و با دو دمنده‌ی چرمی (بلوئر دستی) فعال می‌شدند.

در این فرآیند، سنگ معدن تحت تأثیر حرارت و فشار به توده‌ای آهنی و انعطاف‌پذیر به نام "بور" (*burr*) تبدیل می‌شد. سپس این توده با چکش‌کاری فشرده می‌شد تا ناخالصی‌ها و سرباره از آن جدا شود. این روش ابتدایی را "فورج دستی" می‌نامیدند و معمولاً در نزدیکی محل استخراج سنگ معدن احداث می‌شد.

هنگامی که رگه‌ی سنگ معدن تمام می‌شد یا دسترسی به زغال چوب دشوار می‌گردید، فلزکاران محل را ترک کرده و در نقطه‌ی دیگری مستقر می‌شدند، در حالی که بوته‌ها و توده‌های سرباره را پشت سر باقی می‌گذاشتند. مصرف زیاد زغال چوب در این فرآیند نقش مهمی در تخریب جنگل‌های پیرنه داشت؛ مسئله‌ای که بعدها به بروز درگیری‌های متعددی منجر شد.

فورج دستی یکی از ابزارهای ابتدایی و رایج در تولید آهن بود. به مرور زمان، این درک به‌وجود آمد که آسیاب‌های آبی — که پیش‌تر برای آرد کردن غلات یا به حرکت درآوردن اره‌ها به‌کار می‌رفتند — می‌توانند برای کوبش فلز نیز مورد استفاده قرار گیرند. بدین ترتیب، *[[آهنگری]] آبی* به‌تدریج جایگزین فورج دستی شد. در این سیستم، دو چرخ‌آب وجود داشت: یکی برای به حرکت درآوردن دمنده‌ها (بلوئرها) و دیگری برای راه‌اندازی چکش مکانیکی.

نوآوری‌ای که بعدها به مشخصه‌ی اصلی آهنگری کاتالان تبدیل شد، نخستین بار در اوایل قرن هفدهم در ایتالیا پدید آمد. این نوآوری در مناطق مختلف با نام‌هایی مانند "پیرنه‌ای" یا "آلپی" شناخته می‌شد. در حدود نیمه‌ی همان قرن، این روش به پیرنه فرانسه رسید و به‌سرعت در سراسر این منطقه کوهستانی گسترش یافت.

## ابزار و ویژگی‌ها

### ترومپ هیدرولیکی
یکی از ویژگی‌های شاخص آهنگری کاتالان، نیاز به اختلاف ارتفاع نسبتاً زیاد آب است—در حدود ۷ تا ۱۰ متر. آب از ارتفاع به درون مخزن چوبی‌ای به نام *پیشه‌رو* (paicherou) هدایت شده و از آن‌جا به پایین، از طریق لوله‌ای عمودی به نام *شفت* جریان می‌یابد. معمولاً دو شفت به صورت هم‌زمان در حال کار هستند.
بندانگشتی|شماتیک گرافیکی از نحوه عملکرد ترومپ

شفت از یک تنه درخت ساخته می‌شود که ابتدا از وسط به دو نیم تقسیم و سپس از درون خالی می‌گردد. در ادامه، این دو نیمه با حلقه‌های فلزی به یکدیگر متصل می‌شوند. در بخش بالایی این لوله، سوراخ‌هایی با زاویه مایل ایجاد می‌شوند که نقش مکنده دارند و هوا را به داخل می‌کشند. دهانه شفت توسط گوه‌های متحرکی از پایین باز و بسته می‌شود که امکان تنظیم جریان آب را فراهم می‌کنند.

انتهای پایینی شفت به یک محفظه چوبی بزرگ با شکل ذوزنقه‌ای ختم می‌شود که به آن *جعبه باد* (wind box) گفته می‌شود. آب وارد جعبه باد می‌شود و روی یک سطح نیمکت‌مانند که با صفحه‌ای سنگی محافظت شده، تخلیه می‌گردد. سپس از طریق دریچه‌ای کشویی از جعبه خارج می‌شود. هنگام سقوط آب، هوا از طریق لوله‌های مکش به درون کشیده می‌شود و مخلوطی از آب و هوا به جعبه باد وارد می‌شود.

هوای فشرده‌شده سپس از طریق کانالی چهارگوش که به آن *مرد نگهبان* یا *Sentinel* گفته می‌شود، عبور کرده و از طریق نازل به بخش بالایی جعبه آتش هدایت می‌شود. این سامانه، که با الهام از خرطوم طراحی شده، یک راه‌حل خودکار و پایدار برای تهویه محفظه احتراق فراهم می‌آورد که می‌توان با تغییر شدت جریان آب، آن را به‌دقت تنظیم کرد.

### کوره
یکی دیگر از ویژگی‌های بارز آهنگری کاتالان، دمش هوا از طریق *ترومپ* بر روی کوره‌ای باز و کم‌ارتفاع است. در نتیجه، آهنگری کاتالان با کوره‌ی پیشرفته‌ دیگری در همان دوره به نام *اشتوک‌اوفن* (*Stückofen*) تفاوت دارد؛ زیرا در اشتوک‌اوفن، بارگذاری سنگ معدن تا دهانه‌ی دودکش انجام می‌گرفت، در حالی که در آهنگری کاتالان این‌گونه نبود.
بندانگشتی|تصویری از کوره اشتوک‌اوفن

*کوره*، ساختاری چهارگوش از مصالح بنایی شامل گل رس و سنگ‌های درشت است که ابعادی در حدود ۲٫۵ تا ۳ متر طول و ۰٫۷۰ تا ۰٫۹۰ متر ارتفاع دارد. یکی از دیواره‌های آن با زاویه‌ای مایل نسبت به زمین ساخته شده و محل اصلی آتش (کوره‌ی ذوب) در نقطه‌ی تلاقی دو دیوار قرار دارد. ابعاد دقیق این کوره بسته به نیاز آهنگر و شرایط کارگاهی متغیر است.

کف کوره از یک تخته‌سنگ بزرگ گرانیتی ساخته شده است. سنگ‌هایی که اطراف بوته را نگه‌می‌دارند معمولاً از سنگ‌آسیاب‌های فرسوده یا سنگ‌های ساب هستند که به‌منظور جلوگیری از تجمع آب و رطوبت به‌کار می‌روند. دیواره‌ی کوتاه‌ترِ اطراف بوته، به شکل طاقی ساخته شده و در آن دریچه‌ای تعبیه شده تا نازل متصل به جعبه باد از آن عبور کند.

*بوته*، که یکی از اجزای اصلی کوره‌ی کاتالان به شمار می‌رود، دارای سطوح داخلی مشخص و نام‌گذاری‌شده‌ای است. وجه جلویی آن که به "دست" (*hand*) معروف است، زمانی که از روبه‌رو به کوره نگاه می‌کنیم، در سمت چپ قرار دارد. سطح کناریِ چپ، که هوا از آن عبور می‌کند، *پُرژ* (*porges*) نام دارد. بخش پشتی بوته، *زیرزمین* (*cellar*) نامیده می‌شود و سمت کناری دیگر را *کانترون* یا *سنگ معدن* (*contrevent*) می‌نامند.

پایه‌ی کوره از مصالح بنایی ساخته شده و سایر وجوه با صفحات ضخیم آهنی پوشیده شده‌اند. *لاتایرول* (*latairol*) از دو صفحه تشکیل شده که به‌وسیله‌ی صفحه‌ای سوم به نام *رِستانک* (*restanque*) از یکدیگر جدا شده‌اند. این صفحه‌ی میانی به عنوان تکیه‌گاه اهرم‌هایی عمل می‌کند که کارگران با استفاده از آن‌ها، توده‌ی *massé* (آهن خام) را بالا می‌کشند. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، این صفحات با یک اتصال افقی به یکدیگر متصل می‌شوند. این اتصال (که به آن *plie* گفته می‌شود) بر روی پایه‌هایی محکم از دو طرف تکیه داده شده است که اغلب از سنگ‌های بزرگ یا حتی سر چکش‌های قدیمی ساخته شده‌اند.

### چکش
چکش مورد استفاده برای کوبیدن توده‌ی آهن خام (massé)، اصلی‌ترین ابزار آهنگری کاتالان به شمار می‌رود.
بندانگشتی|چکشی از یک آهنگری قدیمی، متعلق به سال ۱۷۷۴ میلادی، در پایین‌دست روستای مانته (Mantet) واقع در پیرنه شرقی (Pyrénées-Orientales).

این چکش به‌وسیله‌ی یک چرخ‌آبی به حرکت در می‌آید. چرخ به یک محور چوبی استوانه‌ای متصل است که بر روی محیط آن تعدادی **[[بادامک]]** (cam) تعبیه شده‌اند. وظیفه‌ی این بادامک‌ها گرفتن انتهای چکش است—بخشی که به‌صورت عمودی و متحرک بر روی یک محور نصب شده است.

با چرخش چرخ، هر بادامک دم چکش را بالا می‌کشد. وقتی چکش به ارتفاع مشخصی رسید، بادامک آن را رها می‌کند و چکش با نیروی وزن خود به پایین سقوط کرده و ضربه وارد می‌کند. بلافاصله، بادامک بعدی وارد عمل شده و همین چرخه تکرار می‌شود.

**سندان**، جایی که چکش به آن برخورد می‌کند، در مرکز خود یک قطعه‌ی فلزی قابل تعویض به نام *پایل* دارد. این قطعه بسته به نوع کار قابل جایگزینی است. به همین ترتیب، سر چکش نیز یک توده‌ی فلزی سنگین است، اما بخش تحتانی آن که با سندان تماس دارد نیز قابلیت تعویض دارد تا متناسب با نوع عملیات آهنگری تنظیم شود.

**ریتم ضربات چکش** توسط میزان و شدت جریان آب که روی چرخ می‌ریزد کنترل می‌شود؛ بنابراین، آهنگر می‌تواند با تنظیم دبی آب، سرعت و قدرت ضربات را به‌طور دقیق تحت کنترل داشته باشد.

## ساختار آهنگری کاتالان

### معماری و چینش
کارگاه آهنگری کاتالان (Catalan forge) به‌طور معمول یک در کنار یک رودخانه یا جویبار با دبی (نرخ جریان) آب کافی و اختلاف ارتفاع مناسب (هد هیدرولیک) احداث می‌گردد. این انتخاب موقعیت، علاوه بر تأمین انرژی محرکۀ لازم، با در نظر گرفتن ملاحظات لجستیکی زمان خود، از جمله حمل‌ونقل سنگ آهن، زغال سنگ (یا زغال چوب) و نیز انتقال محصولات نهایی-که عمدتاً از طریق قاطر انجام می‌گرفت-صورت می‌پذیرفت.

ظهور و گسترش طراحی مبتنی بر کورۀ شاخدار (Horn Forge) -که به دلیل شکل خاص داخلی آن به این نام خوانده می‌شد-انقلابی در این عرصه ایجاد کرد. این فناوری جدید منجر به بازطراحی، جابجایی یا ارتقای اساسی بسیاری از کارگاه‌های موجود شد؛ امری که شدیداً مشروط به پتانسیل‌های توپوگرافیک و جغرافیایی محل استقرار آن‌ها بود.

#### سیستم آبرسانی و انتقال قدرت
جریان آب ابتدا کانال‌کشی و سپس به دو حوضچۀ انشعابی هدایت می‌شود:

۱. انشعاب اول: ترومپه (Trompe) را تغذیه می‌کند. ترومپه یک دستگاه هوای فشرده‌سازی هیدرولیک است که با استفاده از اثر ونتوری، هوا را در آب حل کرده و آن را به صورت حباب‌های ریز به داخل محفظۀ زیرین کوره (Wind box) تزریق می‌نماید. این فرآیند باعث ایجاد احتراق قوی و کارآمد در کوره می‌شود.

۲. انشعاب دوم: یک چرخ پدالی (Paddlewheel) یا در برخی طراحی‌های متأخر، یک چرخ آبانی (Waterwheel) را به حرکت درمی‌آورد. این چرخش از طریق یک سیستم میل‌لنگ و چکش (Trip hammer mechanism) به چکش‌های سریع (Swifts or Malls) منتقل شده و آن‌ها را به حرکت تناوبی درمی‌آورد.

جریان آب هر یک از این انشعابات به‌طور مجزا و توسط سامانه‌ای از دریچه‌ها و سَلَّک‌ها (Valves and Sluice gates) کنترل می‌شود تا توان خروجی مطابق با نیاز فرآیند تنظیم گردد.
جایگزین=اثر ونتوری|بندانگشتی|نحوه کارکرد اثر ونتوری

#### فضای داخلی و فرآیند تولید
فضای داخلی کارگاه به‌طور معمول به چندین بخش عملکردی  تقسیم می‌شود:

* محوطۀ چکش‌ها: این بخش محل استقرار یک یا چند چکش سریع (Swift)-ابزار حیاتی شکل‌دهی- است. این چکش‌ها با انرژی آب به حرکت درآمده و برای فشرده‌سازی و گداختن تودۀ اسفنجی آهن (The spongy 'massé') به کار می‌روند. عمل کوبیدن، ناخالصی‌ها  را خارج کرده و توده را به هم‌ فشرده می‌نماید تا در نهایت به شمش‌های تجاری (Refined bars or Ingots) یا حتی محصولات نیمه‌ساخته تبدیل شود.
* محوطۀ کوره: قلب عملیات است. جعبه هوا که در پایۀ کورۀ شاخدار قرار دارد، هوای فشرده تولید شده توسط ترمپ را دریافت و از طریق یک نازل دمنده -که در دیواره‌ای عایق تعبیه شده است-با فشار به داخل کوره می‌دمد. این کار راندمان احتراق و دمای کوره را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
* انبارها و محوطه‌های جانبی: این بخش‌ها به دریافت، ذخیره و توزیع مواد اولیه (سنگ آهن، ذغال) و نیز انبار کردن محصولات نهایی اختصاص دارند.
* اتاق استراحت کارگران: در برخی کارگاه‌های بزرگتر، فضایی مجزا برای استراحت کارگران در نظر گرفته می‌شد که نشان‌دهندۀ توجه به ساعات کار طولانی و طاقت‌فرسا در این صنعت است.

#### مطالعات متالورژیکی
از دیدگاه علم مواد، این کوره‌ها قادر به تولید آهن چکش‌خوار  با کیفیت نسبتاً خوب بودند. عمل کوبیدن مکرر توسط چکش‌های آبی، نه تنها شکل را اصلاح می‌کرد، بلکه باعث خروج سرباره و همگن‌تر شدن بافت میکروسکوپی فلز می‌گردید. این فرآیند، خواص مکانیکی نهایی محصول، از جمله چقرمگی (Toughness) و انعطاف‌پذیری (Ductility) را بهبود می‌بخشید.

این فناوری، نمونۀ بارزی از به‌کارگیری هوشمندانۀ انرژی پاک و تجدیدپذیر (آب) در صنایع پیش از انقلاب صنعتی به‌ شمار می‌رود.

### پرسنل و ساختار نیروی انسانی
کارگاه آهنگری کاتالان، مطابق با اصول استاندارد، توسط یک تیم یا بریگاد هشت‌نفره از کارگران اداره می‌شد.

#### تیم متخصصان (۴ نفر):

* سرکوره (Foyer): این فرد به عنوان ناظر ارشد عملیات یا سرپرست کارگاه عمل می‌کند. مسئولیت نظارت کلی بر فرآیند تولید، هماهنگی بین بخش‌ها و اطمینان از کیفیت نهایی محصول بر عهدۀ اوست.
* استاد چکش‌کار (Maillé or Hammer-maker): یک متخصص متالورژی مکانیک است که بر کار مکانیکی روی آهن و عملکرد چکش‌ها نظارت دقیق دارد. او بر ضربات چکش، دمای مناسب فلز برای آهنگری و شکل‌دهی نهایی توده آهن (massé) نظارت می‌کند تا از هدررفت ماده و انرژی جلوگیری شود.
* دو متخصص کوره (Escolas): این دو نفر مسئولیت مدیریت احتراق و دمش هوا را بر عهده دارند. کار آن‌ها کنترل آتش کوره، نظارت بر عملکرد ترمپ (trompe) و جعبه هوا (wind box) و اطمینان از دستیابی و حفظ دمای بهینۀ ذوب و نرم‌شدن آهن است.

#### تیم کمکی (۴ نفر):

* چهار دستیار (Valets): این افراد تحت نظر استاد چکش‌کار (Maillé) کار می‌کنند. وظیفۀ اصلی آن‌ها خردایش و آماده‌سازی سنگ آهن با استفاده از چکش و همچنین کمک در جابجایی فلز داغ در طول فرآیند آهنگری است.

#### پست‌های اداری و پشتیبانی:

* تأمین‌کننده (Garde-forge): مسئولیت تدارکات و لجستیک مواد اولیه، شامل خرید و حمل سنگ معدن و زغال‌سنگ (یا ذغال چوب) با کیفیت مناسب، بر عهدۀ این فرد است.
* منشی یا حسابدار (Clerk): این نقش اداری-مالی است و شامل نظارت بر موجودی مواد اولیه و محصولات، ثبت سفارشات، مدیریت فروش و انجام امور حسابداری کارگاه می‌گردد..

### فرآیند تولید و ظرفیت‌ها
یک توده آهن اسفنجی (Iron massé یا Bloom) که از کوره استخراج می‌شود، وزنی در حدود ۱۲۵ کیلوگرم دارد. جابجایی و کار بر روی چنین قطعۀ سنگین و داغی نیازمند همکاری تیمی است. یک تیم هماهنگ قادر است با استفاده از ابزارهای مناسب، این توده را به صورت نیمه‌مکانیزه (با کمک سیستم چکش آبی) جابجا و پردازش کند. 

فرآیند تبدیل این توده آهن خام به یک محصول تجاری، شامل مراحل پتک‌کاری و آهنگری برای فشرده‌سازی، خروج سرباره و شکل‌دهی نهایی، حدود پنج ساعت به طول می‌انجامد. تنها پس از این فرآیند طولانی است که آهن به شکل شمش، تختال یا محصول نیمه‌ساخته‌ای مانند یک محور ابزار درآمده و برای عرضه به بازار آماده می‌شود.

## توزیع جغرافیایی
فناوری آهنگری کاتالان به‌طور عمده در مناطق کوهستانی که دارای منابع غنی آب و معدن بودند رواج داشت. از جمله مهم‌ترین کانون‌های این صنعت می‌توان به مناطق زیر اشاره کرد:

* پیرنه-اورینتال (Pyrénées-Orientales) در فرانسه
* آریِژ (Ariège) در فرانسه
* پیرنه-آتلانتیک (Pyrénées-Atlantiques) در فرانسه
* آندورا (Andorra) 

بندانگشتی|یک کارگاه آهنگری در نزدیکی آرییژ

### علل افول و انقراض
در فرانسه، تعداد زیادی از تأسیسات متالورژی روستایی و کوچک‌مقیاس که وابسته به فناوری کوره کاتالان بودند، برای قرن‌ها به حیات خود ادامه دادند؛ حتی پس از ظهور و بهبودهای گسترده در کوره‌های بلند (Blast Furnaces) که قادر به تولید چدن به مقدار بسیار بیشتر بودند. با این حال، این واحدهای سنتی در نهایت با آغاز قرن بیستم و کامل‌شدن فرآیند توماس (Thomas process) در سال ۱۸۷۸  به‌کلی منقرض شدند.

دلایل این افول عبارت بودند از:

۱. ظهور فناوری برتر (فرآیند توماس): این فرآیند انقلابی، امکان استفاده از سنگ‌آهن‌های فسفردار (Phosphoric iron ores) ذخایر بزرگ لورن (Lorraine) را که قبلاً غیرقابل استفاده بودند، فراهم کرد. فرآیند توماس با حذف فسفر از چدن مذاب، تولید انبوه فولاد باکیفیت را ممکن ساخت. این فناوری مسئول گسترش چشمگیر صنعت فولاد لورن بود.

 قبل از جنگ فرانسه و پروس در سال ۱۸۷۰، دو دپارتمان «مرت» و «موزل» در مجموع تنها ۱.۴٪ از کل تولید فولاد فرانسه را به خود اختصاص می‌دادند.

 تا سال ۱۹۱۳، «فولاد توماس» که به‌طور انحصاری در منطقه ادغام‌شدۀ «مرت-ا-موزل» (Meurthe-et-Moselle) تولید می‌شد، ۶۹٪ از کل تولید ملی فولاد این کشور را تشکیل می‌داد.  این آمار به‌تنهایی گویای یک تغییر پارادایم کامل در صنعت متالورژی اروپا است.

۲. پیشرفت‌های بزرگ در حمل‌ونقل: همزمان با تحولات تکنولوژیک، پیشرفت‌های چشمگیر در شبکه‌های راه‌آهن و حمل‌ونقل این امکان را فراهم کرد که کالاهای تولیدی در کارخانه‌های بزرگ جدید (مانند کارخانه‌های لورن) به‌راحتی و با هزینه کم به دورترین نقاط کشور ارسال شوند. این امر مزیت محلی کارگاه‌های روستایی کوچک را که تنها بازارهای محدود اطراف خود را تأمین می‌کردند، به‌کلی از بین برد.
بندانگشتی|تصویری از یک مبدل بسمر
بندانگشتی|تصویری از یک مبدل در فرآیند توماس

#### کاربرد در ایالات متحده آمریکا
این فناوری تنها به اروپا محدود نبود. مهاجران اولیۀ آمریکایی نیز از کوره‌های کاتالان برای پالایش چدن خام (Refining cast iron) تولیدشده در کوره‌های کوچک محلی خود استفاده می‌کردند. ساختار نسبتاً ساده و نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه کمتر این کوره‌ها در مقایسه با کوره‌های بلند و کارگاه‌های بزرگ وابسته به آن‌ها، باعث شد این فناوری برای جامعهٔ در حال توسعۀ آمریکا مناسب باشد. این فرآیند در ایالات جنوبی آمریکا تا اواسط قرن نوزدهم میلادی (حدود سال ۱۸۵۰) همچنان مورد استفاده قرار می‌گرفت. با این حال، صنعتی‌شدن سریع آمریکا پس از جنگ داخلی و ظهور فولادسازی به روش بِسِمِر (Bessemer process)، سرنوشت محتوم این واحدها را نیز همانند همتایان اروپایی آن‌ها رقم زد.

## جستارهای وابسته

* آهنگری 
* واکنش‌های اکسایش-کاهش
* علم متالورژی
* سرباره
* اثر ونتوری
* احتراق
* چقرمگی
* فرآیند بسمر

## منابع

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:تاریخ فلزشناسی
رده:انرژی آبی
رده:متالورژی