هواء ساخن

اخترع جيمس بومونت نيلسون ، الذي كان يشغل سابقًا منصب رئيس عمال في مصنع غاز غلاسكو، نظام التسخين المسبق للهواء الساخن في الفرن. ووجد أنه برفع درجة حرارة الهواء الداخل إلى 149 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) ، يُمكنه خفض استهلاك الوقود من 8.06 طن طويل (8.19 طن متري) من الفحم إلى 5.16 طن طويل (5.24 طن متري) من الفحم لكل طن من الحديد المُنتَج، مع إمكانية تحقيق المزيد من التخفيضات عند درجات حرارة أعلى. ^{[ 4 ]} وقد حصل، مع شركاء من بينهم تشارلز ماكنتوش ، على براءة اختراع لهذا النظام عام 1828. ^{[ 5 ]} في البداية، كان وعاء التسخين مصنوعًا من صفائح الحديد المطاوع ، لكنها تأكسدت، فاستبدلها بوعاء من الحديد الزهر . ^{[ 4 ]}    

استنادًا إلى براءة اختراع صدرت في يناير 1828، يُعتبر توماس بوتفيلد مخترع طريقة النفخ الساخن. ويُنسب الفضل في اختراع هذه الطريقة إلى نيلسون، نظرًا لفوزه في دعوى قضائية تتعلق ببراءة الاختراع. ^{[ 1 ]} وقد خاض نيلسون وشركاؤه دعاوى قضائية مطولة لإنفاذ براءة الاختراع ضد المخالفين. ^{[ 5 ]} كان انتشار هذه التقنية في بريطانيا بطيئًا نسبيًا. فبحلول عام 1840، حصل 58 من أصحاب مصانع الحديد على تراخيص، محققين دخلًا من حقوق الملكية الفكرية قدره 30,000 جنيه إسترليني سنويًا. وبحلول وقت انتهاء صلاحية براءة الاختراع، بلغ عدد التراخيص 80 ترخيصًا. وفي عام 1843، بعد انتهاء صلاحيتها مباشرة، كان 42 من أصل 80 فرنًا في جنوب ستافوردشاير يستخدم النفخ الساخن، وكان انتشاره في جنوب ويلز أبطأ. ^{[ 6 ]}

من مزايا النفخ الساخن الأخرى إمكانية استخدام الفحم الخام بدلاً من فحم الكوك . في اسكتلندا، أمكن صهر خام الحديد "الأسود" ذي الجودة المنخفضة نسبيًا بشكل مربح. ^{[ 5 ]} كما زاد ذلك من الإنتاج اليومي للأفران. ففي حالة مصانع كالدير للحديد، ارتفع الإنتاج من 5.6 طن طويل (5.7 طن متري) يوميًا عام 1828 إلى 8.2 طن طويل (8.3 طن متري) عام 1833، مما جعل اسكتلندا المنطقة الأقل تكلفة في إنتاج الصلب في بريطانيا خلال ثلاثينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 7 ]}  

كانت أفران النفخ الساخن المبكرة تُسبب مشاكل، إذ كان التمدد والانكماش الحراريان يُمكن أن يُؤديا إلى كسر الأنابيب. وقد تمّ التخفيف من هذه المشكلة جزئيًا عن طريق تثبيت الأنابيب على بكرات. كما كان من الضروري ابتكار طرق جديدة لتوصيل أنابيب النفخ بفوهات النفخ ، نظرًا لعدم إمكانية استخدام الجلد بعد الآن. ^{[ 8 ]}

وفي نهاية المطاف، تم تطبيق هذا المبدأ بشكل أكثر كفاءة في المبادلات الحرارية التجديدية ، مثل موقد كوبر (الذي يقوم بتسخين هواء النفخ الداخل مسبقًا باستخدام الحرارة المهدرة من غازات المداخن؛ وتستخدم هذه في أفران الصهر الحديثة)، وفي فرن الموقد المفتوح (لصنع الصلب) من خلال عملية سيمنز-مارتن. ^{[ 9 ]}

بشكل مستقل، توصل جورج كرين وديفيد توماس ، من مصانع ينيسكيدوين في ويلز ، إلى الفكرة نفسها، وقدم كرين طلبًا للحصول على براءة اختراع بريطانية عام 1836. وبدأوا إنتاج الحديد بهذه العملية الجديدة في 5 فبراير 1837. اشترى كرين لاحقًا براءة اختراع جيسنهاينر، وحصل على براءات اختراع لإضافات عليها، ما مكّنه من السيطرة على استخدام هذه العملية في كل من بريطانيا والولايات المتحدة. وبينما بقي كرين في ويلز، انتقل توماس إلى الولايات المتحدة نيابةً عن شركة ليهاي للفحم والملاحة، وأسس شركة ليهاي كرين للحديد للاستفادة من هذه العملية. ^{[ 10 ]}

سمح النفخ الساخن باستخدام الأنثراسيت في صهر الحديد. كما سمح باستخدام فحم ذي جودة أقل لأن كمية أقل من الوقود تعني نسبة أقل من الكبريت والرماد. ^{[ 11 ]}

عند اختراع هذه العملية، لم يكن فحم الكوك الجيد متوفرًا بكميات كافية إلا في بريطانيا العظمى وغرب ألمانيا، ^{[ 12 ]} لذا كانت أفران الحديد في الولايات المتحدة تستخدم الفحم النباتي . هذا يعني أن أي فرن حديد كان يتطلب مساحات شاسعة من الأراضي الحرجية لإنتاج الفحم النباتي، وكان يتوقف عن العمل عادةً عند قطع الأشجار في الغابات المجاورة. باءت محاولات استخدام الأنثراسيت كوقود بالفشل، لأن الفحم كان يقاوم الاشتعال في ظروف الهواء البارد. في عام 1831، تقدم الدكتور فريدريك دبليو جيسنهاينر بطلب للحصول على براءة اختراع أمريكية لاستخدام الهواء الساخن والأنثراسيت في صهر الحديد. أنتج كمية صغيرة من حديد الأنثراسيت بهذه الطريقة في مصنع فالي فورنيس بالقرب من بوتسفيل، بنسلفانيا عام 1836، ولكن بسبب الأعطال ومرضه ووفاته عام 1838، لم يتمكن من تطوير العملية إلى إنتاج واسع النطاق. ^{[ 10 ]}

استُبدل الفحم الحجري (الأنثراسيت) بفحم الكوك في الولايات المتحدة بعد الحرب الأهلية. كان فحم الكوك أكثر مسامية وقادرًا على تحمل الأحمال الأثقل في الأفران الأكبر حجمًا بكثير في أواخر القرن التاسع عشر. ^{[ 2 ] : 90 [ 13 ] : 139}