بناء فرن الاختزال المباشر (Bloomery) وصهر الحديد — العصر الحديدي

التصميم: الفرن العمودي

فرن الاختزال المباشر عمود طويل يصنع عمودًا مُختزِلًا: يُلقَّم الخام والفحم من الأعلى، ويُنفخ الهواء من الأسفل، وتتجمع كتلة الحديد عند القاعدة.

المواصفات

• الارتفاع: 80-120 سم، وهو حجم شائع للأفران التجريبية الصغيرة (المدخنة الأطول تمنح الغاز وقتًا أطول لاختزال الخام)
• القطر الداخلي: 25-35 سم
• سُمك الجدار: 10-15 سم (خليط طين ورمل، كما في الفرن)
• أنبوب النفخ (tuyère): أنبوب طيني قطر فتحته بضعة سنتيمترات، يدخل من الجدار قرب القاع، فوق حوض الفرن، ومائل إلى الأسفل نحو المركز. يختلف الارتفاع والزاوية بين تصاميم الأفران المجرَّبة، فخذهما من تصميم موثَّق واحد بدل أن تخلط الأرقام
• قوس الاستخراج (اختياري): فتحة عند القاعدة لإخراج الكتلة، تُسدّ بالطين أثناء الصهر

البناء

1. ابنِ قاعدة طينية دائرية فيها تجويف ضحل على شكل وعاء (حوض الفرن). هنا تتكوّن الكتلة.
2. استخدم تقنية اللفائف الطينية من المخطط 02، بارتفاع أكبر.
3. ركّب أنبوب النفخ (أنبوب طيني) عبر الجدار على الارتفاع الذي يحدده التصميم الذي اخترته، فوق حوض الفرن.
4. اتركه يجف من عدة أيام إلى أسبوع أو أكثر بحسب الطقس. فرن الاختزال المباشر أسمك من الفرن العادي ويحتاج وقت تجفيف أطول.
5. قسِّه بنيران تزداد حرارتها تدريجيًا (البروتوكول نفسه في المخطط 02).

تحضير الخام

1. حمِّص الخام في نار مكشوفة بضع ساعات. يطرد ذلك الرطوبة وجزءًا من الشوائب، ويحوّل الأكاسيد المائية، ويجعل الخامات الصخرية أسهل تكسيرًا.
2. كسِّر الخام المحمَّص إلى حجم حبة البندق (1-2 سم). لا تجعله ناعمًا جدًا — فالهواء يجب أن ينفذ.
3. اغسل الخام المكسَّر لإزالة الطين والشوائب الخفيفة.

الصهر (6-10 ساعات)

1. التسخين المسبق: املأ الفرن بالفحم النباتي وأشعله. دعه يحترق مع المنافيخ نحو ساعة، مع إضافة الفحم، حتى يسخن العمود كله.
2. الشحنة الأولى: أضف شحنة موزونة من الفحم، ثم شحنة موزونة من الخام فوقها. زِن الشحنات بدل الحكم بسُمك الطبقات: على مدى الصهرة كلها يُستعمل الفحم والخام بأوزان متقاربة تقريبًا، والفحم يُبقي الجو مُختزِلًا.
3. مواصلة التلقيم: كلما هبط العمود بمقدار شحنة، أضف من الأعلى شحنة أخرى من الفحم ثم الخام.
4. المنافيخ — بلا توقف: شخصان يتناوبان، أو منفاخ مزدوج الفعل. يجب ألا ينقطع الهواء: فبلا هواء مدفوع يبرد الفرن بسرعة.
5. تصريف الخَبَث: يتجمع الخبث المنصهر (زجاج سائل عند ~1200 °م) فوق الكتلة. إن كان للفرن ثقب تصريف فافتحه دوريًا لتصريف الخبث. وإن لم يكن له ثقب يبقى الخبث في الحوض، لذا يجب أن يكون الحوض عميقًا بما يكفي كي لا يرتفع الخبث إلى أنبوب النفخ فيسدّ الهواء.
6. المدة: 6-10 ساعات من التشغيل المتواصل. ينتهي الصهر حين تكون قد عالجت كل الخام.

ما يحدث في الداخل

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂    (عند ~800-1200 °م)

يختزل أول أكسيد الكربون (الناتج من الفحم) أكسيدَ الحديد إلى حديد فلزي. لكن الحديد، بخلاف النحاس، لا ينصهر أبدًا — بل يتكوّن جسيماتٍ صلبة تلتحم معًا في كتلة إسفنجية (الكتلة) تستقر في حوض من الخبث السائل.

إخراج الكتلة

1. أخرج الكتلة عند نهاية الصهر وهي ما زالت في حرارة اللحام؛ تكثيفها فورًا هو الأسهل، ويمكن إعادة تسخينها لاحقًا.
2. إن كان لديك قوس استخراج: اكسر سدّة الطين واسحب الكتلة بالملقط.
3. إن لم يكن هناك قوس: اكسر الجزء السفلي من الفرن لإخراج الكتلة. (الفرن قابل للتضحية — كثير من أفران الاختزال التاريخية كانت تُستعمل مرة واحدة.)

ما ينبغي أن تراه

كتلة خشنة مسامية — من صهرة صغيرة كثيرًا ما تكون بحجم ثمرة جريب فروت كبيرة — من البني المحمر إلى الرمادي الداكن، إسفنجية، يحتبس فيها خبث زجاجي في كل مكان. هذه هي كتلتك.

التكثيف (خطوة حاسمة)

الكتلة الخام مليئة بالخبث وفتات الفحم والفراغات. يجب طرقها وهي ساخنة لعصر الشوائب ولحام جسيمات الحديد ببعضها:

1. اعمل على الكتلة في حرارة اللحام — من الأصفر الساطع إلى الأبيض المصفر — وأعد تسخينها في كور الحداد كلما بردت.
2. ضعها على السندان وابدأ بضربات خفيفة: الكتلة الطازجة هشّة وقد تتفتت. اضرب أقوى كلما تماسكت — يتطاير الخبث شررًا وقطرات. إنه مشهد مذهل وخطر؛ ارتدِ واقيًا للعينين وأبعِد المتفرجين.
3. بعد أن تتماسك، اقطعها واثنِها والحمها من جديد لتنقيتها أكثر. توقّع تسخينات كثيرة.
4. كل لحام يغلق مزيدًا من الفراغات ويطرد مزيدًا من الخبث.
5. بعد التكثيف يصبح لديك قضيب خشن من الحديد المطاوع.

اكتملت سلسلة الابتكار

لقد تتبعت الآن الطريق من الخشب → الفحم النباتي → الفرن → النحاس → البرونز → الحديد. كل خطوة بُنيت على سابقتها. وكل واحدة تطلبت معرفة متراكمة. هكذا يعمل الابتكار — لا كاختراعات منعزلة، بل كسلسلة مترابطة تُمكِّن فيها كل قدرةٍ القدرةَ التالية.

ما الذي يأتي بعد ذلك

حديد الكتلة لديك صالح للاستعمال لكنه لين. الابتكارات التالية في السلسلة:

• الكربنة: غلِّف الحديد بالفحم وسخّنه ساعات → ينتشر الكربون إلى داخله → فولاذ (أصلد)
• الإخماد (السقاية): سخّن الفولاذ حتى الاحمرار واغمسه في الماء → يتكوّن المارتنسيت → صلد جدًا لكنه هشّ
• المراجعة (tempering): أعد تسخين الفولاذ المُخمَد إلى درجة حرارة محددة (لون المراجعة الأزرق يقابل نحو 300 °م) → يتنازل عن قليل من الصلادة مقابل متانة أكبر بكثير
• اللحام النقشي (pattern welding): اثنِ فولاذات مختلفة المحتوى الكربوني والحمها معًا → فولاذ ملحوم نقشيًا (يُسمّى أحيانًا تجوّزًا «الفولاذ الدمشقي»)

كل واحد من هذه سيكون مخططًا قادمًا في درب الابتكار.