الثورة الصناعية
التطورات التقنية الهامة > صناعة الحديد > ابتكارات صناعة الحديد

كان التغيير الرئيسي في الصناعات الحديدية خلال الثورة الصناعية هو استبدال الخشب وأنواع الوقود الحيوي الأخرى بالفحم. بالنسبة لكمية معينة من الحرارة، تتطلب مناجم الفحم عمالة أقل بكثير من قطع الخشب وتحويله إلى فحم نباتي، وكان الفحم أكثر وفرة من الخشب، إلا أن إمداداته نادرة قبل الزيادة الهائلة في إنتاج الحديد الذي حدث في أواخر القرن الثامن عشر.
وفي سنة 1750 حل فحم الكوك بشكل عام محل الفحم النباتي في صهر النحاس والرصاص، واستخدم على نطاق واسع في إنتاج الزجاج. ولكن في صهر وتكرير الحديد فإن الفحم وفحم الكوك ينتج حديدًا أدنى من ذلك المصنوع من الفحم النباتي بسبب محتوى الكبريت في الفحم. والمعروف أن الفحم منخفض الكبريت، لكنه لا تزال تلك كميات ضارة. يؤدي تحويل الفحم إلى فحم الكوك إلى تقليل محتوى الكبريت بشكل بسيط فقط.
كان العامل الآخر الذي حد من صناعة الحديد قبل الثورة الصناعية هو ندرة الطاقة المائية لتشغيل منفاخ الانفجار. تم التغلب على هذا القيد بواسطة المحرك البخاري.
بدأ الاستخدام المبسط للفحم في صهر الحديد قبل الثورة الصناعية. وبناءً على ابتكارات السير كليمنت كليرك وآخرين منذ سنة 1678 باستخدام أفران الفحم العاكسة المعروفة باسم القباب. تم تشغيلها بواسطة ألسنة اللهب التي تعمل على خليط الخام والفحم النباتي أو فحم الكوك، مما يقلل أكسدة المعدن. هذا له ميزة أن الشوائب (مثل رماد الكبريت) في الفحم لا تنتقل إلى المعدن. تم تطبيق هذه التقنية للرصاص من سنة 1678 وعلى النحاس منذ 1687. كما تم تطبيقها أيضًا في أشغال مسابك الحديد في تسعينيات القرن السابع عشر، ولكن في هذه الحالة كان الفرن الانعكاسي معروفًا باسم فرن الهواء.
في سنة 1709 أحرز أبراهام داربي تقدمًا في استخدام فحم الكوك في تزويد الأفران اللافحة في كولبروكديل بالوقود. ومع ذلك فإن حديد الصب الذي انتجه فحم الكوك لم يكن مناسبًا لصنع الحديد المطاوع، استخدم في الغالب لإنتاج سلع الحديد الزهر، مثل الأواني والغلايات. وإن كانت ميزته على منافسيه في أن أوانيه المصبوبة من خلال عمليته الحاصلة على براءة اختراع كانت أرق وأرخص من الأخرى.
نادراً ما كان يستخدم الحديد الخام لإنتاج الحديد المطاوع حتى سنة 1755-1756 عندما بنى داربي ابن داربي أبراهام الأفران في هورشاي وكيتلي حيث كان الفحم منخفض الكبريت متاحًا (وليس بعيدًا عن كولبروكديل). تجهز تلك الأفران الجديدة بمنفاخ يعمل بالماء، ويضخ المياه عن طريق محركات نيوكومن. ولكن لم يتم توصيل تلك المحركات بأسطوانات النفخ مباشرة، لأنها لا تستطيع وحدها إنتاج دفق هواء ثابت. فقام أبراهام داربي الحفيد بتركيب أسطوانات نفخ مماثلة تعمل بالبخار، والتي تعمل بالطاقة المائية في الشركة عندما تولى زمام الأمور سنة 1768. استخدمت الشركة العديد من محركات نيوكومن لسحب الفحم من مناجمها وصنع أجزاء للمحركات التي بيعت في جميع أنحاء البلاد.
جعلت المحركات البخارية استخدام الضغط العالي والانفجار الحجم عمليًا؛ ومع ذلك كان استبدال الجلد المستخدم في المنفاخ باهظ الثمن. وفي سنة 1757 سجل سيد الحديد جون ويلكينسون براءة اختراع محرك نفخ يعمل بالهيدروليك للأفران العالية. تم تقديم أسطوانة النفخ للأفران العالية في 1760 ويُعتقد أن أول أسطوانة نفخ مصنوعة من الحديد الزهر هي تلك المستخدمة في كارينجتون في 1768 والتي صممها جون سمتون.
كان من الصعب تصنيع اسطوانات من الحديد الزهر لاستخدامها في المكابس؛ يجب أن تكون الأسطوانات خالية من الثقوب وتشكيلها بشكل سلس ومستقيم لإزالة أي تشويه. واجه جيمس واط صعوبة كبيرة في محاولة صنع أسطوانة لأول محرك بخاري له. وفي 1774 اخترع جون ويلكينسون الذي بنى أسطوانة نفخ من الحديد الزهر لأعماله الحديدية، آلة حفر دقيقة للأسطوانات المجوفة. بعد أن جوّف ويلكنسون أول أسطوانة ناجحة لمحرك بولتون ووات البخاري سنة 1776 تم منحه عقدًا حصريًا لتوفير الأسطوانات. بعد أن طور واط محركًا بخاريًا دوارًا في 1782، فاستخدم على نطاق واسع في النفخ والطرق والدحرجة والقطع.
كانت الحلول لمشكلة الكبريت هي إضافة ما يكفي من الحجر الجيري إلى الفرن لإجبار الكبريت على الرماد واستخدام الفحم منخفض الكبريت. يتطلب استخدام الجير أو الحجر الجيري درجات حرارة أعلى للفرن لتكوين خبث يتدفق بحرية. أدت زيادة درجة حرارة الفرن التي أصبحت ممكنة بفضل النفخ المحسن إلى زيادة قدرة الأفران العالية وسمح بزيادة ارتفاع الفرن. بالإضافة إلى التكلفة المنخفضة وتوفره الكبير، كان لفحم الكوك مزايا مهمة أخرى على الفحم من حيث أنه كان أكثر صعوبة وجعل عمود المواد (خام الحديد والوقود والخبث) يتدفق إلى أسفل الفرن العالي أكثر مسامية ولا يتم سحقه في الأفران الطويلة أواخر القرن التاسع عشر.
نظرًا لأن الحديد الزهر أصبح أرخص ومتاحًا على نطاق واسع، فقد بدأ في كونه مادة هيكلية للجسور والمباني. ومن الأمثلة الشهيرة على ذلك الجسر الحديدي الذي بني في 1778 بحديد الزهر الذي أنتجه أبراهام داربي الثالث. ومع ذلك تم تحويل معظم الحديد الزهر إلى حديد مطاوع.
اعتمدت أوروبا على فرن الحديد الخالص لمعظم الحديد المطاوع حتى تم إنتاج الحديد الزهر على نطاق واسع. فتم تحويل الحديد الزهر في معامل الحدادة، كما كان منذ فترة طويلة. تم تطوير عملية تكرير محسّنة تُعرف باسم وضع القدر والختم، ولكن تم استبدال ذلك بعملية التسويط لهنري كورت. طور كورت عمليتين مهمتين لتصنيع الحديد: الدرفلة في 1783 والتسويط في 1784. أنتج بودلنج حديدًا هيكليًا بتكلفة منخفضة نسبيًا.
كان التسويط وسيلة لإزالة الكربنة من الحديد الزهر المصهور عن طريق الأكسدة البطيئة في فرن عاكس عن طريق تحريكه يدويًا بقضيب طويل. فالحديد منزوع الكربنة الذي له درجة انصهار أعلى من الحديد الزهر تم تحطيمه في كرات بواسطة عمال الصهر. وعندما تكون الكرة كبيرة بما يكفي، يقوم عامل الصهر بإزالتها. كان التسويط عملاً شاقًا وساخنًا للغاية. عاش القليل من عمال الصهر حتى سن 40. لأن التقليب كانت يتم في فرن عاكس فيمكن استخدام الفحم أو فحم الكوك كوقود.
استمر استخدام عملية التسويط حتى أواخر القرن التاسع عشر عندما تم استبدال الحديد بالفولاذ. نظرًا لأن التقليب (التسويط) تتطلب مهارة بشرية في استشعار الكرات الحديدية، فلم يتم تشغيلها آليًا بنجاح. كان الدرفلة جزءًا مهمًا من عملية التقليب، لأن البكرات المحززة طردت معظم الخبث المنصهر وعززت كتلة الحديد المطاوع الساخن. كان التدحرج أسرع 15 مرة من المطرقة الساقطة.وهناك استخدام مختلف للدرفلة الذي يتم في درجات حرارة أقل من تلك المستخدمة في طرد الخبث في إنتاج صفائح الحديد، ثم الأشكال الهيكلية اللاحقة مثل العوارض والزوايا والقضبان.
تم تحسين عملية التقليب في سنة 1818 بواسطة بلدوين روجرز الذي أبدل بعض البطانة الرمل في قاع الفرن الانعكاسي بأكسيد الحديد. وفي 1838 حصل جون هول على براءة اختراع لاستخدام صنبورة للخبث المحمص (سيليكات الحديد) بقاع الفرن، مما قلل بشكل كبير من فقد الحديد من خلال زيادة الخبث الناجم عن قاع مبطن بالرمل. ربطت صنبورة الخبث أيضًا بعض الفوسفور، لكن هذا لم يكن مفهومًا في ذلك الوقت. استخدمت عملية هول أيضًا مقياسًا من الحديد أو الصدأ، والذي تفاعل مع الكربون في الحديد المصهور. أدت عملية هول التي تسمى التقليب الرطب إلى تقليل فقد الحديد مع الخبث من حوالي 50٪ إلى تقريبًا8٪.
كانت عملية الانفجار الساخن الذي سجل براءة اختراعها جيمس بومونت نيلسون في 1828 أهم تطور في القرن التاسع عشر لتوفير الطاقة في صناعة الحديد الخام. فاستخدام هواء الاحتراق المُسخن مسبقًا قلل من كمية الوقود اللازمة لصنع قالب حديد منذ البداية بنسبة تتراوح بين الثلث باستخدام فحم الكوك أو الثلثين باستخدام الفحم النباتي؛ واستمرت مكاسب الكفاءة مع تحسن التكنولوجيا. كما أدى الانفجار الساخن إلى ارتفاع درجة حرارة تشغيل الأفران، مما زاد من قدرتها. واستخدام كميات أقل من الفحم النباتي أو فحم الكوك يعني إدخال كمية أقل من الشوائب في الحديد الخام. وهذا يعني أنه يمكن استخدام الفحم الأقل جودة أو أنثراسايت في المناطق التي لا يتوفر فيها فحم الكوك أو يكون باهظ الثمن؛ وفوقها فقد انخفضت تكاليف النقل بشكل كبير مع نهاية القرن التاسع عشر.
جرى تحسين في إنتاج الصلب قبل الثورة الصناعية بفترة وجيزة. فقد كان سلعة باهظة الثمن ولا يستخدم إلا في الأماكن التي لا يصلح فيها الحديد، مثل الأدوات القطع والزنبرك. ثم طور بنيامين هانتسمان أسلوبه في فولاذ البوتقة في أربعينيات القرن الثامن عشر. كانت المادة الخام المستخدمة في تصنيع هذا الفولاذ عبارة عن الفولاذ المنفّط المصنوع من خلال عملية التدعيم.
ساعد توريد الحديد والصلب الأرخص سعرًا في نمو عدد من الصناعات، مثل صناعة المسامير والمفصلات والأسلاك وغيرها من عناصر الأجهزة. سمح تطوير الأدوات الآلية بعمل أفضل للحديد، مما أدى إلى استخدامه بقوة في الصناعات الواعدة من الآلات والمحركات.