صلد وطيِّع في الوقت نفسه

به تُصدِر الپيانوات الموسيقى،‏ تُطلق الطائرات النفاثة دويّا عند خرق جدار الصوت،‏ تتكتك الساعات،‏ تئزّ المحرِّكات،‏ تبلغ ناطحات السحاب السماء،‏ وتبقى الجسور المعلَّقةُ معلَّقةً.‏ ما هو هذا الشيء؟‏

انه الفولاذ.‏ والفولاذ هو المقوِّم الرئيسي لإنشاءات ضخمة عديدة.‏ فالسفن الضخمة المصنوعة منه تجوب البحار السبعة.‏ وخطوط الانابيب المصنوعة منه تنقل النفط والغاز الطبيعي مئات الكيلومترات من آبار بعيدة.‏ لكنّ استخدام هذه المادة لا يقتصر على ذلك،‏ فاستعمالاتها كثيرة في حياتنا اليومية.‏ تأملوا مثلا في الأُطُر التي تحتوي على اسلاك فولاذية والتي تسيِّر الباصات التي تركبونها حين تذهبون الى العمل،‏ او الحبل الفولاذي الذي يرفع ويُنزِل المِصْعَد في بنايتكم.‏ وماذا عن المُفَصَّلات الفولاذية لنظّاراتكم والمِلْعَقة الفولاذية التي تحرِّكون بها الشاي في فنجانكم؟‏ توجد آلاف الاستعمالات لهذا المعدن المتين والطيِّع في الوقت نفسه.‏ فكيف يُصنع الفولاذ،‏ وماذا يجعله نافعا الى هذا الحد؟‏

الكربون والبلّور

الفولاذ أُشابة،‏ او خليط،‏ من شريكَين اتحادهما بعيد الاحتمال —‏ الحديد والكربون.‏ ان الحديد الصرف طيِّع بالمقارنة مع معظم المعادن،‏ ولذلك ليس ملائما في الاستخدامات التي تتطلب الصلابة.‏ اما الكربون فليس معدنا؛‏ والالماس وسُخام المداخن هما شكلان مختلفان من هذا العنصر المهم.‏ فإذا مُزجَت كمية صغيرة من الكربون بالحديد المصهور،‏ تنتج مادة مختلفة كثيرا عن الكربون وأقوى بكثير من الحديد.‏

ان مفتاح صنع الفولاذ هو شيء يُدعى بلّورًا.‏ فهل كنتم تعرفون ان الحديد مشكَّل من بلّورات؟‏ * في الحقيقة،‏ تتشكَّل كل المعادن الصلبة من بلّورات،‏ وبنيتها البلّورية هذه هي التي تجعلها مرِنة وتمنحها لمعانا وميزات اخرى.‏ لكنّ بلّورات الحديد لها ميزة اضافية.‏

تأثير بلّورات الحديد في الفولاذ

عندما يكون الفولاذ في مرحلة الصنع،‏ يُمزَج الحديد المصهور بعناصر اخرى.‏ وفيما يجمد الخليط يَحُلّ الحديد المواد الاخرى،‏ وفي الواقع يمتصها ويحتجزها داخل بُنى بلّوراته.‏ والمعادن الاخرى ايضا تفعل الامر نفسه.‏ فما هو المميّز جدا بشأن الحديد؟‏

ان الحديد فريد لأن بنية بلّوراته يمكن ان تتغيَّر مع تغيُّر الحرارة فيما لا يزال جامدا.‏ وهذه الخاصّيَّة تسمح لبلّورات الحديد بالتغيّر من شكل متراصّ نسبيا الى شكل مفتوح اكثر ثم تستعيد شكلها المتراص.‏ تخيَّلوا منزلا حسن البناء تتحرك فيه الجدران جانبيًّا والارض صعودا ونزولا فيما انتم جالسون في غرفة الجلوس.‏ يحدث شيء مماثل داخل بلّورات الحديد عندما يُسخَّن هذا المعدن الى درجة حرارة عالية دون درجة الصَّهر ثم يُعاد تبريده.‏

اذا كان الكربون موجودا عندما تحدث هذه التغييرات،‏ يمكن ان تصير الأُشابة الصلدة طيِّعة او الطيِّعة صلدة.‏ ويستفيد منتجو الفولاذ من هذه الميزة ويعدِّلون صلادة منتَجهم بالمعالجات الحرارية كالتسقية،‏ التطبيع،‏ والتلدين.‏ * ولكن هنالك المزيد بعد.‏

فعندما تُمزَج عناصر اخرى —‏ كالمنڠنيز،‏ المُوليبدَن،‏ النيكل،‏ الڤناديوم،‏ السِّليكون،‏ الرصاص،‏ الكروم،‏ البورون،‏ التَّنْڠستَن،‏ او الكبريت —‏ لا يصير الفولاذ صلبا  او طيِّعا فحسب بل ايضا قوِّيا،‏ متينا جدا،‏ قابلا للطرق والسحب،‏ مقاوما للتآكل،‏ قابلا للتشغيل بالمكنات،‏ قابلا للانثناء،‏ مغنطيسيا،‏ لا مغنطيسيا،‏ والقائمة لا تنتهي.‏ وهكذا كما ان الخبَّاز يغيِّر المكوِّنات التي يستخدمها ودرجات حرارة فرنه ليصنع انواعا مختلفة من الخبز،‏ فإن منتجي المعادن يصنعون تغييرا في الأُشابات والمعالجات الحرارية لينتجوا آلاف الانواع المختلفة من الفولاذ التي لا نظير لها لتعدُّد استعمالاتها.‏ فهنالك السكك الفولاذية التي تحمل بأمان قطارات شحن وزنها ٠٠٠‏,١٢ طن،‏ وكذلك المحامل الفولاذية التي بحجم رأس الدبوس والتي تدعم عجلة الموازنة في ساعة اليد.‏

صنع الفولاذ —‏ الطريقة القديمة والحديثة

قبل قرون كان مصنِّعو المعادن يصنعون من الحديد اواني وأسلحة.‏ فاكتشفوا ان الحديد المصهور كيميائيا (‏الحديد الذي يُفصَل عن الصخور الحاملة للمعادن التي تُدعى خاما)‏ فيه شوائب تجعله متينا وصلدا.‏ وعرفوا ايضا ان تسقية اداة حديدية بالماء يجعلها اكثر صلادة.‏ واليوم حلَّت افران الصهر الضخمة محل موقد الحدَّاد،‏ ومكنات تصفيح المعادن العملاقة محل مطرقته وسَندانه.‏ لكنّ المصنِّعين العصريين يتبعون الخطوات الاساسية نفسها التي اتَّبعها قديما الحدَّادون الاقوياء البنية.‏ فهم (‏١)‏ يصهرون الحديد،‏ (‏٢)‏ يضيفون مواد تأشيب،‏ (‏٣)‏ يتركون الفولاذ ليبرد،‏ و (‏٤)‏ يعطونه شكلا ويعالجونه بالحرارة.‏

لاحظوا المقادير في الاطار المرافق.‏ فمع انها كبيرة جدا،‏ يمكن ان يعالجها كلها مصنع الفولاذ في يوم واحد.‏ ويغطي مصنع الفولاذ مساحة شاسعة،‏ حيث توجد كميات كبيرة من المعادن اللازمة لصنع الفولاذ.‏

معدن مدهش يتَّخذ اشكالا كثيرة

تَظهر بوضوح فائدة الفولاذ في اماكن كثيرة غير مألوفة.‏ فتجدون البعض منه تحت غطاء پيانو ضخم.‏ ويُصدر سلك الپيانو هذا،‏ وهو احد اقوى الاسلاك الفولاذية المصنوعة،‏ اجمل الانغام الموسيقية.‏ ويُستعمل فولاذ هادفيلد المنڠنيزي في صنع الكسّارات الضخمة للصخور،‏ وكلما صَعُب تكسير الجلاميد صار هذا الفولاذ اصلب.‏ ويُصنَع من الفولاذ الذي لا يصدأ مباضع الجرّاحين،‏ خوابي النبيذ،‏ ومكنات صنع الآيس كريم.‏ فتماما كما يستحيل تعداد شعور رؤوسكم هكذا يستحيل تعداد استعمالات الفولاذ كلها.‏

يُنتَج كل سنة نحو ٠٠٠‏,٠٠٠‏,٨٠٠ طن من الفولاذ حول العالم.‏ ولا يمكن ان يوجد غرام منه بدون حديد،‏ وهو احد العناصر الاكثر وفرة في الارض.‏ وبما ان الفحم وحجر الكلس وافران ايضا،‏ يَظهر ان الفولاذ سيبقى متوفرا الى حد كبير في المستقبل.‏

في المرة المقبلة عندما تخيطون بإبرة معدنية،‏ تصطادون السمك بصنارة ذات بكرة،‏ تستعملون مفتاح رَبط انضباطي،‏ تفتحون بوابة سياج مصنوع من حلقات مترابطة،‏ تركبون سيارة،‏ او تحرثون الارض،‏ فكِّروا في الخليط الرائع للحديد والكربون الذي يجعل كل ذلك ممكنا.‏

‏[الحاشيتان]‏

‏[الاطار في الصفحة ٢٣]‏

المواد اللازمة لصنع ٠٠٠‏,١٠ طن من الفولاذ

٥٠٠‏,٦ طن من الفحم

٠٠٠‏,١٣ طن من الخام

٠٠٠‏,٢ طن من حجر الكلس

٥٠٠‏,٢ طن من خُردة الفولاذ

٥‏,١ بليون لتر من الماء

٠٠٠‏,٨٠ طن من الهواء

 ‏[الاطار/‏الصور في الصفحتين ٢٤ و ٢٥]‏

طريقة صنع الفولاذ

حُذفت بعض التفاصيل من اجل تبسيط الرؤية

تلزم الحرارة لصنع الفولاذ.‏ وإذ يكون ميزان الحرارة دليلنا،‏ دعونا نتبع الخطوات التي تؤدي الى انتاج الفولاذ.‏

◼ ١٤٠٠° م.‏ افران ضخمة تشوي الفحم الحجري في حُجَر سَدُودة للهواء،‏ فتتبخَّر المادة غير المرغوب فيها دون ان تُستهلَك قطع الفحم.‏ تُدعى القطع السُّخامية الناتجة فحم الكوك،‏ وهي تزوِّد الحرارة والكربون اللازمَين لاحقا في عملية تصنيع الفولاذ.‏

◼ ١٦٥٠° م.‏ فحم الكوك،‏ خام الحديد،‏ وحجر الكلس تتساقط في فرن عالٍ وتلتقي جدارا من اللهب والهواء المفرِط التسخين.‏ فيحترق فحم الكوك،‏ وعلى الحرارة العالية جدا تتّحد المادة غير المرغوب فيها التي في الخام بحجر الكلس مشكِّلة ناتجا جانبيا يُدعى خَبَثا.‏ تميع المواد وتترسب في قعر الفرن.‏ اما الخَبَث،‏ الذي يطفو فوق الحديد،‏ فيحوَّل الى وعاء لعزله عن باقي المواد.‏ ثم يجري الحديد المائع الى عربات في شكل براميل تنقل حمولتها التي تغلي الى المحطة التالية.‏

◼ ١٦٥٠° م.‏ يُلقى تسعون طنا من قُراضَة معدن مفروزة بدقة في وعاء إجاصي الشكل يبلغ طوله ٩ امتار يُعرف بفرن الاكسجين القاعدي.‏ وتصبّ مِغرفة ضخمة الحديدَ المائع الشديد السخونة على قُراضَة  المعدن،‏ محدِثةً انفجار شرارات فيما يُنزَل في الوعاء انبوب يُبرَّد بالماء يُدعى ماسورة قذف الغاز.‏ من هذه الماسورة تنبثق مدوِّيةً دُفعة فوق صوتية من الاكسجين الخالص الذي يجعل المعدن يغلي في الحال كغليان الحساء الموضوع على موقد حام.‏ فتحدث تفاعلات كيميائية.‏ وفي اقل من ساعة ينجز الفرن عمله،‏ وتنصبّ الكمية المعدَّة البالغة ٣٠٠ طن من الفولاذ المائع،‏ التي تُدعى الشحنة المصهورة،‏ في مغارف النقل.‏ تُضاف الأُشابات.‏ ثم يندفع الفولاذ المائع المتقد الى مكنات الصبّ.‏ فيبدأ باتِّخاذ شكل معيَّن.‏

◼ ١٢٠٠° م.‏ يُزاد الضغط على الفولاذ المتوهِّج بالحرارة الذي يمرّ بين البكرات حتى تُبلَغ السماكة المرغوبة.‏ وهذا الاجراء القاسي يجعل المعدن صلبا جدا بحيث لا يمكن إعطاؤه شكلا آخر بسهولة.‏

◼ درجة حرارة الغرفة.‏ يُصَبّ الفولاذ،‏ يُقطَّع،‏ يُصفَّح وهو ساخن،‏ يُصفَّح وهو بارد،‏ ويُنظَّف ايضا بتغطيسه في محلول حمضي.‏ ويُعاد تسخينه تكرارا.‏ وأخيرا،‏ لا تعود درجة حرارة الميزان ترتفع.‏ فيصير الفولاذ المائع،‏ او الشحنة المصهورة،‏ كوما من الالواح الفولاذية.‏ وبعد ذلك تتخذ هذه الالواح شكل انابيب في احد مصانع المعادن لتُستعمل في مجمَّع للمكاتب.‏

بما ان الاجزاء الرئيسية لمصنع الفولاذ مصنوعة من هذا المعدن نفسه،‏ فلِمَ لا تنصهر وهي تقوم بعملها؟‏ ان السطوح الداخلية للافران،‏ العربات التي في شكل براميل،‏ والمغارف مبطَّنة بآجرّ مصنوع من مادة مقاومة للحرارة.‏ فتحمي هذه البطانة التي هي بسماكة متر فرنَ الاكسجين القاعدي.‏ لكنّ هذا الآجرّ يتضرَّر ايضا بسبب الحرارة الشديدة ويلزم ان يُستبدل بانتظام.‏

‏[الرسم]‏

‏(‏اطلب النص في شكله المنسَّق في المطبوعة)‏

١-‏ صنع الحديد

١٤٠٠° م الفحم ← افران فحم الكوك

↓

١٦٥٠° م حجر الكلس

خام الحديد ← الفرن العالي

↓

الحديد المصهور

٢-‏ صنع الفولاذ ↓

١٦٥٠° م القُراضة

الكلس والمادة المساعدة على الصهر

الاكسجين

↓

فرن الاكسجين القاعدي

٣-‏ التبريد ↓

صَبّ مستمر

نَوْرة

قُضبَة

صُفاحة

٤-‏ الانهاء ↓

١٢٠٠° م تصفيح الفولاذ (‏قضبان او عوارض)‏

الطِّلاء بالزنك

تصفيح الفولاذ وهو بارد

تصفيح الفولاذ وهو حار

درجة حرارة الغرفة

‏[الصورة]‏

لاحظوا حجم الناس

‏[مصدر الصورة في الصفحة ٢٣]‏

All photos on pages 23-5 except watch: Courtesy of Bethlehem Steel