مدفأة الحديد هي أحد الأجهزة المبنية من مادة تتكون من الحديد الممزوج بالكربون، حيث يتم حرق وقود صلب مثل الخشب أو الفحم لإنتاج الحرارة للدفء أو الطهي، تتكون المدفأة عادة من شبكة تحوي الوقود وداخل أجوف يحترق فيه الوقود ومداخن يتدفق من خلالها الهواء الساخن وحواجز لإبطاء تدفق الهواء الساخن، مما يسمح للمدفأة بإنتاج المزيد من الحرارة.
تاريخ صناعة المدافئ:
يحرق البشر أنواع الوقود الطبيعي لتوفير الدفء وطهي الطعام منذ عصور ما قبل التاريخ، في البداية تمّ استخدام النيران المكشوفة، وكان العيب الرئيسي في هذه الطريقة هو أن الكثير من حرارة النار قد ضاعت؛ لأنها هربت في شكل هواء ساخن، سرعان ما تعلم الناس في عصور ما قبل التاريخ بناء النار على صخرة مسطحة واقفة بطريقة تعكس الحرارة الخلفية، للطبخ يمكن استخدام النار لتسخين حفرة في الأرض أو مدفأة مصنوعة من الصخور الرقيقة.
طور الرومان القدماء نظام تدفئة يُعرف باسم (hypocaust) ويتألف من سلسلة من المداخن المصنوعة من القرميد، يمكن أيضاً استخدام النفاثة لتسخين مرجل من الماء للطهي أو الاستحمام، لا تزال تستخدم أنظمة التدفئة في الصين وكوريا، على الرغم من التطور المبكر لهذا الجهاز المتطور حتى العصور الوسطى، اعتمد معظم الأوروبيين على النيران المكشوفة على موقد مركزي تحت ثقب في السقف لإخراج الدخان.
بدأت المدافئ ذات المداخن بالظهور في القلاع في شمال أوروبا حوالي 1000 بعد الميلاد ولمئات السنين اقتصرت على المنازل الكبيرة التي يملكها الأثرياء، في إنجلترا حتى أواخر عام 1600 بعد الميلاد كانت المدافئ لا تزال غير شائعة إلى حد ما، كان لدى أغنى أصحاب المنازل مدافئ بها مداخن مصنوعة من الحجر أو الطوب، بينما كان لدى الأقل ازدهار مدافئ مصنوعة من الطين.
تعتبر مادة الحشائش، وهي مادة تتكون من قضبان خشبية عمودية أو أعمدة متشابكة مع عصي أو قصب أفقية خطيرة؛ لأنها قابلة للاشتعال، لم تكن المدافئ أكثر كفاءة من الحرائق المكشوفة؛ لأن الكثير من الحرارة يخرج منها مع الدخان الساخن المتصاعد، كانت المدافئ الصغيرة ذات النيران المشتعلة بلطف أكثر كفاءة من أماكن الحرائق الكبيرة ذات الحرائق السريعة الاشتعال.
يمكن استخدام جهاز يُعرف باسم حظر التجول ويتألف من لوح من النحاس الأصفر أو القصدير للحد من تدفق الهواء الساخن، مما يؤدي إلى نشوب حريق مستمر وببطء، تم استخدام حظر التجول لإشعال النار طوال الليل دون رعاية، تم بناء أول مدفأة واضحة في السجلات التاريخية من الطوب والبلاط في عام 1490 في الألزاس وهي تعتبر جزء من أوروبا على الحدود بين فرنسا وألمانيا.
مواد أولية لصناعة المدافئ:
الحديد الزهر هو مادة تتكون من الحديد وتتراوح بين 2-4٪ كربون، توجد كذلك كميات قليلة مختلفة من السيليكون وكذلك المنغنيز ولا ننسى الكبريت ومعه الفوسفور، للتطبيقات الخاصة يمكن تضمين كميات مختلفة من النيكل والكروم والموليبدينوم لإنتاج الحديد المقاوم للحرارة والتآكل، قد تحتوي المدفأة الحديثة على أقل من ثلث الحديد الزهر، تتكون باقي المدفأة في الغالب من الفولاذ.
الصلب مادة تتكون من الحديد وفي معظم الحالات تتراوح نسبتها بين 0.01-1.2٪ كربون، قد تحتوي بعض الأشكال الخاصة من الفولاذ على أقل من 0.003٪ كربون أو بقدر 2٪ كربون، قد يحتوي الفولاذ كذلك على كميات مختلفة من الفاناديوم والتنغستن والتيتانيوم والزركونيوم والنيتروجين والكبريت والبورون والرصاص والتيلوريوم والسيلينيوم.
المواد الأخرى التي يمكن استخدامها في مدافئ الحديد الزهر تشمل السيراميك ومواد مختلفة مصنوعة من مواد غير معدنية معرضة لدرجات حرارة عالية وطوب النار، تتكون المدافئ من خلال عملية تسمى صب الرمل وبمجرد أن يتم تجميد الرمل في قالب على شكل مدفأة، يُسكب الحديد الزهر المصهور في التجويف ويترك ليبرد.
كيفية تصنيع المدافئ:
صنع الحديد الزهر:
خام الحديد يُستخرج من الأرض في مناجم سطحية ويتم الحصول على الخام في كتل يتراوح قطرها من أكثر من 40 بوصة في القطر إلى أقل من 0.04 بوصة في القطر، لإنتاج الحديد الزهر أو الصلب يجب أن يكون قطر الكتل 0.3-1 بوصة، يتم تكسير كتل الخام التي تكون كبيرة جداً وتمريرها من خلال المناخل، والتي تفصل المادة الناتجة حسب الحجم، الكتل الصغيرة جداً والمعروفة باسم الحبيبات تذوب معاً في كتل أكبر، وهي عملية تعرف باسم التلبيد.
يتم خلط كتل خام الحديد مع فحم الكوك، وهي مادة غنية بالكربون تنتج عن طريق تسخين الفحم إلى درجة حرارة عالية في غياب الهواء، يقوم حزام النقل بنقل الخليط المعروف باسم الشحنة إلى قمة فرن الصهر، الفرن العالي عبارة عن عمود فولاذي طويل وعمودي مبطن بالطوب النارية والجرافيت، يتم تسخين الهواء إلى درجة حرارة 1،650-2،460 درجة فهرنهايت ويتم نفخه في فرن الانفجار.
مع نزول الشحنة يحترق الكوك في الهواء الساخن لينتج أول أكسيد الكربون والحرارة، يتفاعل أول أكسيد الكربون مع أكاسيد الحديد في خام الحديد لإنتاج الحديد وثاني أكسيد الكربون، النتيجة النهائية لهذه العملية منصهرة، حيث ستكون موقد حديد الزهر ويتكون من 90٪ على الأقل من الحديد و3-5٪ كربون وشوائب مختلفة، يُسكب الحديد الزهر المنصهر في قوالب كبيرة ويُترك ليبرد ويتحول إلى مادة صلبة.
ثم يتم خلطها مع الخردة المعدنية، والتي تم اختيارها لإعطاء الخليط التركيبة المرغوبة من المواد الخام، يتم نقل هذا الخليط بواسطة حزام ناقل إلى أعلى قبة تشبه فرن صهر صغير، تسقط الحديد الزهر والخردة المعدنية على طبقة من فحم الكوك الساخن يتم من خلالها نفخ الهواء الساخن، تزيل هذه العملية الشوائب وكمية صغيرة من الكربون، مما يؤدي إلى مصهور الحديد الزهر.
تشكيل الحديد الزهر:
عادة ما يتم تشكيل الحديد الزهر كما يوحي اسمه عن طريق صب المعدن المنصهر في قالب، وهي عملية تعرف باسم الصب، تُعرف الطريقة الأكثر شيوعاً باسم صب الرمل، ويتم تشكيل نمط على شكل المنتج النهائي المطلوب من الخشب أو المعدن أو البلاستيك، ثم يتم تعبئتها بإحكام في الرمل مع مواد مختلفة تعرف باسم عوامل الترابط.
يصلب الرمل بالحرارة أو بالارتباط الكيميائي بمواد مختلفة تعرف باسم عوامل الترابط، يتم تقوية الرمل بالحرارة أو عن طريق الترابط الكيميائي الناتج عن تضمين سيليكات الصوديوم في خليط الرمل الأصلي، بعد التصلب تتم إزالة النمط تارك تجويف في الرمال، يُسكب الحديد المصهور في التجويف ويُترك ليبرد.
تجميع المدفأة:
يتم شحن مكونات الحديد الزهر والمكونات الفولاذية من شركة الحديد والصلب إلى الشركة المصنعة للمدفأة ويتم فحصها، قبل التجميع يجب صقل مكونات الحديد الزهر، تُستخدم المطحنة السطحية لإزالة ما يقرب من ستة عشر بوصة من الحديد الزهر مما ينتج عنه سطح لامع شديد النعومة، المطحنة السطحية النموذجية عبارة عن صفيحة بعرض 14 بوصة تتكون من مادة صلبة كاشطة تُعرف باسم صخر الطحن.
