اختراعات مهم تاریخ
بسمر، فرایند تولید انبوه و ارزان فولاد

بسمر، فرایند تولید انبوه و ارزان فولاد

US16083A
هنری بسمر

فولاد، آلیاژی از آهن، کربن و چند عنصر دیگر است که به‌واسطه خواص مکانیکی مناسب، در کنار قیمت پایین، به فلز ایده‌آلی برای کاربردهای مختلف، تبدیل شده است. حرکت در عصری مدرن و فناور، بدون فولاد غیرقابل‌تصور است. استفاده در ساختمان‌سازی، حمل‌ونقل و ماشین‌آلات مختلفی که هرکدام به‌نوعی موجب توسعه و رفاه جوامع شده و فهرست بلندی از صنایعی که بدون فولاد یا وجود نداشتند یا هزینه بسیار بالایی داشتند، همگی نشان‌دهنده اهمیت این فلز در پیشرفت‌های بشر است. این اهمیت تا جایی است که کارشناسان، از واژه ستون فقرات اقتصاد، برای این صنعت استفاده می‌کنند. امروزه توسعه و پیشرفت کشورها، چنان به این فلز ارزشمند ولی کم‌بها وابسته است که میزان مصرف آن، به‌عنوان شاخصی برای اندازه‌گیری توسعه و استاندارد زندگی در آن کشورها در نظر گرفته می‌شود.

شواهد و اشیایی که باستان‌شناسان کشف نموده‌اند، نشان می‌دهد که بشر حداقل سه هزار سال پیش از میلاد، با آهن آشنایی داشته است. نامی که برای این فلز استفاده می‌کردند، فلز بهشتی بوده و بر اساس آن، باستان‌شناسان معتقدند که آنان آهن را از شهاب‌سنگ‌هایی که از آسمان فرود می‌آمده، به دست می‌آوردند. اشیاء باستانی متعدد کشف‌شده مربوط به دو تا سه هزار قبل از میلا،د نشان می‌دهد که بشر در این سال‌ها، توانسته بود آهن را ذوب کند. اولین کوره جهت فرآوری آهن، در قرن ششم قبل از میلاد و توسط چینی‌ها ابداع شد. در قرون‌وسطی، زمانی که اروپایی‌ها متوجه شدند که با استفاده از چدن، می‌توان اسلحه‌ای یکپارچه و با خاصیت جذب ضربه خوبی ساخت، استفاده از این نوع کوره‌ها، بسیار رواج یافت. گفتنی است چدن، فلز مقاومی است، ولی به‌واسطه درصد بیشتر کربن خود نسبت به فولاد، ترد و شکننده است.

یکی از انواع اولیه فولاد، فولاد بلیستر بود که در قرن هفدهم در آلمان تولید می‌شد. برای تولید این فولاد، شمش‌های آهن ورزیده که روی آن‌ها لایه‌ای از زغال چوب قرار داشت، در داخل جعبه‌های سنگی ریخته شده و سپس حرارت داده می‌شد. بعد از حدود یک هفته، آهن، کربن موجود در زغال چوب را جذب می‌کرد. حرارت‌دهی چندباره، باعث توزیع یکنواخت‌تر کربن می‌شد. کارکردن با فولاد بلیستر، نسبت به چدن ساده‌تر بود. چندین سال بعد، یک ساعت‌ساز انگلیسی، به نام بنجامین هاتسون، فرایند تولید فولاد بلیستر را بهبود داد. وی زمانی که به دنبال ساخت فولاد باکیفیت برای فنر ساعت‌های خود بود، متوجه شد که می‌توان فلزات را در بوته‌های رسی ذوب نموده و با استفاده از ماده کمک‌ذوب «flux» ویژه، سرباره فرایند را زدود. با توجه به هزینه بالا، این نوع فولاد نیز همانند بلیستر، برای کاربردهای خاص و محدودی استفاده می‌شد.

هم‌زمان با انقلاب صنعتی در انگلستان، هنری کورت، با استفاده از یک سیستم نوآورانه، فرایندی برای تبدیل چدن به آهن ورزیده معرفی نمود که نیازی به استفاده از زغال نداشت. وی در سال ۱۷۸۴ میلادی، پتنتی برای این فرایند ثبت رسانید که نام فرایند را در آن پادلینگ «Puddling» گذاشت. از این فرایند، بعدها برای تولید فولاد کم‌کربن و فولاد پرکربن نیز استفاده شد. وی کوره خاصی برای این منظور طراحی نمود که در آن، سوخت و مذاب، با هم تماسی نداشتند. در این کوره، آهن مذاب با استفاده از میله‌های بلند پارو مانندی هم زده می‌شد و باعث می‌شد تا اکسیژن وارد آن شده و از میزان کربن بکاهد. زمانی که محتوای کربن کاهش یافت، نقطه ذوب آهن افزایش می‌یابد؛ بنابراین، درون کوره، توده‌های آهن شکل‌گرفته و جمع می‌شدند. البته فرایند کاهش کربن در این روش، بسیار آهسته بود و از طرفی، توده‌های جمع شده، توسط یک چکش آهنگری می‌شد، تا به استحکام لازم برسد که نیاز به نیروی کار و هزینه به نسبت زیادی داشت.

 

 

 انقلاب صنعتی، باعث افزایش تعداد این کوره‌ها شد؛ به‌طوری‌که تا سال ۱۸۶۰ میلادی، در انگلستان، بیش از ۳۰۰ کوره پادلینگ وجود داشت. ولی مصرف سوخت بالا و نیاز به نیروی کار زیاد این فرایند، باعث شده بود که بازده کم و هزینه بالایی داشته باشد. با توجه به نیاز روزافزون صنایع به فولاد و ناکارآمدی فرایندهای تولید در پاسخ‌گویی به فعالیت بسیاری از صنایع، برخی مجبور بودند تا از چدن و آهن ورزیده که هم ارزان‌تر و هم در دسترس‌تر بودند، استفاده نمایند. به‌عنوان نمونه، درساخت پل‌ها، از این فلزات استفاده می‌شد؛ ولی سال‌ها بعد، ماهیت خیانت‌کار چدن، برای مهندسین و طراحان آشکار شد. حادثه‌های بسیاری به علت فروریختن ناگهانی ستون‌های چدنی، اتفاق افتاد و انسان‌های زیادی جان خود را از دست دادند و چنین اتفاقاتی، تا زمانی که پایه و سازه‌های چدنی پل‌ها، با نوع فولادی جایگزین و یا تقویت نشده بودند، حادث می‌شدند.

در جنگ کریمه که طی سال‌های ۱۸۵۳ تا ۱۸۵۶ اتفاق افتاد، مخترعی به نام هنری بسمر «Henry Bessemer»، گلوله توپ جنگی قدرتمندی اختراع نمود که با استفاده از پودر گاز (پودری که به گاز تبدیل‌شده و انرژی تولید می‌کند)، حرکت دورانی و پیش‌رونده داشت. وی برای فروش این توپ به فرانسه، با مقامات این کشور وارد مذاکره شد؛ ولی آن‌ها بیان داشتند که توپ چدنی که در اختیار دارند، آنقدر مقاومت ندارد که بتوان از آن برای پرتاب گلوله‌های بسمر استفاده نمود. همین موضوع، انگیزه‌ای برای بسمر شد تا بر روی افزایش مقاومت چدن، کار کند.

بسمر، طی آزمایش‌های خود، متوجه شد که در راستای خطوطی از مذاب که با جریان هوا تماس دارند، ماده‌ای به وجود می‌آید که دارای نقطه ذوب بالاتر و خواص متفاوت با بقیه مواد است. استفاده از اکسیژن اضافی، موجب کاهش محتوای کربن آهن گداخته می‌شد. وی مشاهده نمود که دمیدن هوا بر چدن مذاب، نه‌تنها باعث از بین بردن ناخالصی‌های آن می‌شود، بلکه باعث می‌شود که دمای آن نیز بالاتر رود. این افزایش دما، به‌واسطه واکنش اکسیژن با کربن و سیلیسیوم موجود در آهن گداخته به وجود می‌آید. بسمر، با استفاده از این فن جدید که بعدها فرایند بسمر نام‌گذاری شد، توانست با سرعت و حجم بالا، شمش‌های بزرگ، بدون ناخالصی و کارپذیر، تولید نماید. در سال ۱۸۵۶ میلادی، بسمر برای فرایند تولیدی خود، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US16083A» شد و کوره بزرگی برای اجرای فرایند ابداعی خود توسعه داد. وی بعد از ساخت کوره و کنورتور خود و دریافت گواهی ثبت اختراع دیگری به شماره «US16083A»، شرکتی برای تولید فولاد، تأسیس نمود که با توجه به هزینه بسیار پایین فرایند ابداعی خود، توانست همه رقبا را از میدان به در کند. این موضوع، باعث شد که سیلی از درخواست لیسانس این فناوری نیز، به سمت وی روانه شود.

بعد از فروش مجوزهای بهره‌برداری، مشکل فرایند بسمر آشکار شد. خریداران لیسانس، نمی‌توانستند فولادی باکیفیت مشابه کارخانه بسمر تولید کنند. مشکل اینجا بود که این فرایند، قابلیت زدودن فسفر و گوگرد که عناصر نامطلوبی برای فولادند را نداشت. سنگ‌آهن منطقه‌ای که بسمر برای تولید فولاد خود استفاده می‌کرد، فاقد این عناصر بود؛ ولی خریداران لیسانس، به این اندازه خوش‌شانس نبودند. در نهایت، بسمر با شکایت خریداران مواجه شد و مجبور شد که به آن‌ها غرامت بپردازد؛ ولی در کارخانه خودش، همچنان به تولید فولاد باکیفیت می‌پرداخت.

مشکل فوق، برای اولین بار، توسط مهندس موادی به نام «ربرت فورستر موشت» حل شد. روش وی، بدین ترتیب بود که در ابتدا، با استفاده از فرایند بسمر، تمامی محتوای کربن و ناخالصی‌های دیگر را سوزانده و اکسید می‌نمود. در مرحله بعدی، آلیاژهای خاصی که شامل کربن و منگنز بودند، به آن می‌افزود که باعث بهبود کیفیت و خواص فولاد می‌شد. موشت، درخواست پتنتی ثبت نمود، ولی به دلیل عدم توانایی در پرداخت هزینه‌ها، به درخواستش ترتیب اثر داده نشد و در نهایت، بسمر با پرداخت هزینه‌ها، حقوق اختراع ثبت شده به شماره «US17389A» را از وی خریداری نمود و بدین گونه فروش لیسانس خود به داخل و خارج انگلیس، ازجمله آمریکا را، دوباره از سر گرفت.

البته لازم به ذکر است که یک مخترع آمریکایی، به نام «ویلیام کلی» نیز، دارای پتنت مشابهی به شماره «USRE505E»، برای کاهش محتوای کربن بود. ویلیام ادعاهایی در مورد فرایند بسمر مطرح نمود، ولی در نهایت، به دلیل ورشکستگی، مجبور شد پتنت خود را به بسمر واگذار کند. از طرفی، مهندسی به نام «جیمز ناسمیت»، سال‌ها قبل از بسمر، چنین فرایندی را ابداع نموده بود و به دنبال توسعه و رفع نواقص آن بود؛ ولی به‌موازات آن، اقدام به ثبت پتنت برای یافته‌های خود نکرد. بعد از این که بسمر فرایند خود را در نشست‌های متعدد و انجمن‌های فولاد انگلیس مطرح نمود و برای آن پتنت ثبت کرد، اسمیت سرخورده شده و از ادامه آزمایش‌های خود، منصرف گردید و باقی عمر خود را در تنگ‌دستی و بیماری با اندک مستمری که بسمر از سر دلسوزی و شاید هم برای دور کردن ناسمیت از طرح ادعا به او می‌داد، سپری نمود.

در مقابل، بسمر به‌واسطه تولید فولاد و از سرگیری فروش لیسانس پتنت خود، ثروت فراوانی اندوخت؛ به‌طوری‌که فقط درآمد یک‌ساله شرکتی که تأسیس نموده بود، بیش از ۸۴ میلیون پوند بود. وی در سال ۱۸۹۷ میلادی، به‌واسطه خدماتش به صنعت، نشان شوالیه را از دولت انگلیس دریافت نمود. یک سال بعد، به عضویت انجمن سلطنتی این کشور که متشکل از دانشمندان و افراد با درجه علمی والا است، درآمد و به‌عنوان پدر فلزات، شناخته شد.