ساختن کورهٔ احیای مستقیم (Bloomery) و ذوب آهن — عصر آهن

طراحی: کورهٔ استوانه‌ای

کورهٔ احیای مستقیم استوانه‌ای بلند است که ستونی کاهنده می‌سازد — سنگ‌معدن و زغال از بالا بار می‌شوند، هوا از پایین دمیده می‌شود و بلوم آهن در ته کوره جمع می‌شود.

مشخصات

• ارتفاع: ۸۰ تا ۱۲۰ سانتی‌متر، اندازه‌ای رایج برای کوره‌های آزمایشی کوچک (دودکش بلندتر به گاز زمان بیشتری برای احیای سنگ‌معدن می‌دهد)
• قطر داخلی: ۲۵ تا ۳۵ سانتی‌متر
• ضخامت دیواره: ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متر (آمیزهٔ گل و ماسه، مانند کوره)
• دمنده (tuyère): لوله‌ای گلی با دهانه‌ای چندسانتی‌متری که نزدیک کف و بالای حوضچهٔ کوره از دیواره وارد می‌شود و رو به پایین به سمت مرکز شیب دارد. ارتفاع و زاویه در طرح‌های آزموده‌شدهٔ کوره متفاوت است، پس آن‌ها را از یک طرح مستند بگیرید و عددها را با هم نیامیزید
• طاق برداشت (اختیاری): دهانه‌ای در پایهٔ کوره برای بیرون آوردن بلوم که در طول ذوب با گل مسدود می‌شود

ساخت

1. یک پایهٔ گلی گرد با فرورفتگی کم‌عمق کاسه‌ای (حوضچهٔ کوره) بسازید. بلوم همین‌جا شکل می‌گیرد.
2. از روش فتیله‌ای (coil) بلوپرینت ۰۲ استفاده کنید، اما بلندتر.
3. لولهٔ دمنده (لوله‌ای گلی) را در ارتفاعی که طرح برگزیده‌تان تعیین می‌کند، بالای حوضچه، از دیواره عبور دهید.
4. بسته به هوا بگذارید از چند روز تا یک هفته یا بیشتر خشک شود. کورهٔ احیای مستقیم از کوره ضخیم‌تر است و به زمان خشک‌شدن بیشتری نیاز دارد.
5. آن را با آتش‌هایی که به‌تدریج داغ‌تر می‌شوند بپزید (همان روش بلوپرینت ۰۲).

آماده‌سازی سنگ‌معدن

1. سنگ‌معدن را چند ساعت روی آتش باز تشویه (برشته) کنید. این کار رطوبت و بخشی از ناخالصی‌ها را بیرون می‌راند، اکسیدهای آب‌دار را تبدیل می‌کند و خرد کردن سنگ‌معدن‌های سنگی را آسان‌تر می‌سازد.
2. سنگ‌معدن تشویه‌شده را به اندازهٔ فندق (۱ تا ۲ سانتی‌متر) خرد کنید. نه خیلی ریز — هوا باید بتواند عبور کند.
3. سنگ‌معدن خردشده را بشویید تا گل و ناخالصی‌های سبک جدا شوند.

ذوب (۶ تا ۱۰ ساعت)

1. پیش‌گرمایش: کوره را با زغال چوب پر کنید و روشن کنید. بگذارید حدود یک ساعت با دم‌ها بسوزد و زغال اضافه کنید تا کل استوانه داغ شود.
2. بار نخست: یک بار توزین‌شده از زغال و روی آن یک بار توزین‌شده از سنگ‌معدن بریزید. بارها را وزن کنید، نه اینکه از روی ضخامت لایه‌ها قضاوت کنید: در طول کل ذوب، زغال و سنگ‌معدن با وزن‌هایی تقریباً برابر مصرف می‌شوند و زغال محیط را کاهنده نگه می‌دارد.
3. ادامهٔ بارگیری: هر بار که ستون به اندازهٔ یک بار پایین نشست، از بالا بار دیگری از زغال و سپس سنگ‌معدن اضافه کنید.
4. دم‌ها — بی‌وقفه: دو نفر به نوبت، یا یک دم دوکاره. جریان هوا نباید قطع شود: بدون هوای دمیده، کوره زود سرد می‌شود.
5. تخلیهٔ سرباره: سربارهٔ مذاب (شیشهٔ مایع در حدود ۱۲۰۰ درجهٔ سلسیوس) بالای بلوم جمع می‌شود. اگر کوره سوراخ تخلیه دارد، هرازگاهی آن را باز کنید تا سرباره بیرون برود. اگر ندارد، سرباره در حوضچه می‌ماند؛ پس حوضچه باید آن‌قدر عمیق باشد که سرباره تا دمنده بالا نیاید و راه هوا را نبندد.
6. مدت: ۶ تا ۱۰ ساعت کار پیوسته. وقتی همهٔ سنگ‌معدن را فرآوری کردید، ذوب تمام است.

درون کوره چه می‌گذرد

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂    (در حدود ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجهٔ سلسیوس)

مونوکسید کربن (برآمده از زغال) اکسید آهن را به آهن فلزی احیا می‌کند. اما برخلاف مس، آهن هرگز ذوب نمی‌شود — به‌صورت ذرات جامد پدید می‌آید که به هم جوش می‌خورند و تودهٔ اسفنجی (بلوم) را می‌سازند که در حوضچه‌ای از سربارهٔ مایع قرار دارد.

بیرون آوردن بلوم

1. بلوم را در پایان ذوب، وقتی هنوز در دمای جوشکاری است، بیرون بیاورید؛ فشرده کردن آن در همان لحظه از همه آسان‌تر است و بعداً هم می‌توان دوباره گرمش کرد.
2. اگر طاق برداشت دارید: درزگیر گلی را بشکنید و بلوم را با انبر بیرون بکشید.
3. اگر طاق ندارید: بخش پایینی کوره را بشکنید تا بلوم بیرون بیاید. (کوره فداشدنی است — بسیاری از کوره‌های احیای مستقیم تاریخی یک‌بارمصرف بودند.)

آنچه باید ببینید

توده‌ای ناصاف و متخلخل — از یک ذوب کوچک اغلب تقریباً به اندازهٔ یک گریپ‌فروت بزرگ — به رنگ قهوه‌ای مایل به سرخ تا خاکستری تیره، اسفنجی، با سربارهٔ شیشه‌مانندی که همه‌جای آن گیر افتاده است. این بلوم شماست.

فشرده‌سازی (گام حیاتی)

بلوم خام پر از سرباره، تکه‌های زغال و حفره است. باید در حالت داغ چکش‌کاری شود تا ناخالصی‌ها بیرون فشرده شوند و ذرات آهن به هم جوش بخورند:

1. بلوم را در دمای جوشکاری — زرد روشن تا سفید مایل به زرد — کار کنید و هر بار که سرد شد در کورهٔ آهنگری دوباره گرمش کنید.
2. آن را روی سندان بگذارید و با ضربه‌های سبک شروع کنید: بلوم تازه شکننده است و ممکن است از هم بپاشد. هرچه بیشتر به هم پیوست، محکم‌تر بکوبید — سرباره به‌صورت جرقه و قطره بیرون می‌پاشد. تماشایی و خطرناک است؛ محافظ چشم بزنید و تماشاگران را دور نگه دارید.
3. وقتی فشرده شد، آن را ببرید، تا کنید و دوباره جوش دهید تا بیشتر پالایش شود. منتظر گرم‌کردن‌های فراوان باشید.
4. هر جوش حفره‌های بیشتری را می‌بندد و سربارهٔ بیشتری بیرون می‌راند.
5. پس از فشرده‌سازی، میله‌ای ناصاف از آهن کارشده (wrought iron) خواهید داشت.

زنجیرهٔ نوآوری کامل شد

اکنون مسیر چوب ← زغال چوب ← کوره ← مس ← مفرغ ← آهن را پیموده‌اید. هر گام بر گام پیشین استوار بود. هر کدام دانشی انباشته می‌خواست. نوآوری این‌گونه کار می‌کند — نه به‌صورت اختراع‌های جدا از هم، بلکه چون زنجیره‌ای به‌هم‌پیوسته که در آن هر توانایی راه را برای توانایی بعدی باز می‌کند.

گام‌های بعدی

آهن بلوم شما کارآمد است اما نرم. نوآوری‌های بعدی این زنجیره:

• کربن‌دهی (سمانتاسیون): آهن را در زغال بپیچید و ساعت‌ها گرم کنید ← کربن به درون آن نفوذ می‌کند ← فولاد (سخت‌تر)
• آب‌دادن (کوئنچ): فولاد را تا سرخی گرم کنید و در آب فرو برید ← مارتنزیت تشکیل می‌شود ← بسیار سخت اما شکننده
• بازپخت (تمپر): فولاد آب‌داده را تا دمای معینی دوباره گرم کنید (رنگ تمپر آبی حدود ۳۰۰ درجهٔ سلسیوس است) ← کمی از سختی را فدای چقرمگی بسیار بیشتر می‌کند
• جوشکاری نقش‌دار (pattern welding): فولادهایی با کربن متفاوت را تا کنید و به هم جوش دهید ← فولاد نقش‌دار جوشی (که اغلب به‌نادرست «دمشقی» خوانده می‌شود)

هر یک از این‌ها بلوپرینتی آینده در مسیر نوآوری خواهد بود.