الأفران الكهربائية

إن استخدام فرن القوس الكهربائية (EAF) له جاذبية خاصة فى صناعة الصلب لأنه يسمح بعمل الصلب كاملاً من الخردة، ومن ثم تنتفى  الحاجة إلى عمليتى فرن الكوك والفرن العالى لإنتاج الحديد الغُفل. وقد زادت سعات الأفران الكهربائية باستمرار من أفران صغيرة إلى أفران كبيرة جداً تسع مئات الأطنان من الصلب. وفى الأفران المستخدِمة للخبث القاعدى يُبنى قاع الفرن من طوب المغنسيا أو من مادة دَكّ حرارية (حراريات لاوصلية)، وتُبنى الحوائط الجانبية من طوب مغنسيا-كروم مُكلّس أو مترابط كيميائياً، مع حراريات مصهورة تُصب (قابلة للصب) فى المواضع مرتفعة البلى. ويستعمل لإنشاء السقف طوب به من 70 إلى 90% ألومينا. والاتجاه الحديث فى ألمانيا واليابان هو استخدام ألواح تُبَرد بالماء فى سقف الفرن الكهربائى وحوائطه الجانبية، وبذلك تُوَفِّر الكثير من الحراريات وفيما يلى نعرض بعض التفاصيل الخاصة بتأثير تصميم هذه الأفران على الحراريات المستخدمة فيها وآليات تآكل الحراريات وتهدمها.

  تصهر الشحنة فى الفرن الكهربائى باستخدام صهور للمحافظة على تكوين خبث قاعدى، وتصب عند حوالى 1625 ْم، ثم يشحن الفرن للدورة الحرارية التالية. وتصمم هذه الأفران بطرق مختلفة، يمكن حصرها فى ثلاث سمات رئيسية: تصميم عملية الصب، إما صب جانبى أو صب سفلى؛ ومصدر القدرة الكهربائية، إما تيار متردد أو تيار مستمر؛ واستخدام أكسجين إضافى لرفع معدلات الصهر أو عدمه.

  سمات التصميم. الأفران الكهربائية جانبية الصب لها مِيزَاب (بِزْبَاز أو مجرى يتدفق فيه الفلز المصهور عند خروجه من الفرن) يمتد من جدار الفرن الجانبى لنقل الصبة إلى المغرفة. وتوجد فتحة للصب تخترق جدران الفرن الجانبية فتصل داخل الفرن بميزاب الصب. تميل الأفران جانبية الصب حوالى 45 ْ أثناء تفريغ الشحنة، ولذلك تحتاج إلى بطانة حرارية أعلى على الجدران الجانبية ناحية فتحة الصب، حتى تحتوى الصلب المنصهر والخبث أثناء التفريغ (شكل 7). أما الأفران سفلية الصب فلها فتحة صب تمر خلال قطاع المجمرة السفلى من الفرن (شكل 8)، ويستلزم ذلك حراريات خاصة لفتحة الصب. ويُمَكِّن الصب السفلى من تقليل ارتفاع الحراريات على الجدران

 الجانبية بسبب نقص زاوية الإمالة عند الصب (15-20 ْ).

  يحتاج تشغيل الفرن بالتيار المتردد إلى ثلاثة أقطاب للأطوار الكهربائية الثلاثة. تؤدى هذه الأقطاب الثلاثة إلى احتداد واتساع القوس الكهربائى مما يسفر عن ارتطامه بالجدران الجانبية للفرن، فينتج عن ذلك تكون بقاع ساخنة فى مواضع معينة داخل الفرن دون غيرها، يجب أخذها فى الحسبان عند تصميم الحراريات. تحتاج أيضأ أفران التيار المتردد إلى ثلاث فتحات فى السقف الحرارى للفرن، والمنطقة الوسطى فى السقف الحرارى الواقعة بين الأقطاب الثلاثة تمثل منطقة ضعف، ودائماً ما تَحُدُّ من أداء الفرن. أما أفران التيار المستمر فتستعمل قطب واحد يمر من خلال سقف الفرن، ويمرر من خلاله التيار مباشرة إلى حوض الصلب، الذى يتصل بقطب الأنود السفلى (فى قاع الفرن)، لاكتمال الدائرة الكهربائية، والقوس الكهربائى لهذه الأفران أقل حِدَّة واندلاعاً تجاه حراريات الجدران الجانبية، ومن ثم لا تتكون بقاع ساخنة فى مواضع معينة من البطانة الحرارية. وكذلك تصميم السقف فهو أقل تعقيداً وظروف التشغيل أقل صعوبة. إلا أن قاع الفرن لابد وأن يشتمل على القطب السفلى مما يعقد من تصميم الحراريات هناك.  

 

 

 

شكل 7 فرن كهربائى جانبى الصب.

 

شكل 8 فرن كهربائى سفلى الصب.

 

  ويؤثر استخدام مواسير نفخ الأكسجين الإضافى أو المواقد الإضافية بغرض زيادة معدلات الصهر على تصميم البطانة الحرارية وأدائها. فالأكسجين المدفوع من المواسير أو المواقد يمكن أن يحيد على سطح الخردة أو الشحنة ويرتطم بالبطانة الحرارية، مسبباً فرط تسخين وبِلَى سريع للحراريات فى هذه المواضع. وقد يحدث كذلك تأكسد موضعى فيسبب تحات/نحر سريع للبطانة الحرارية.

  المجمرة. تحتوى مجمرة الفرن الكهربائى على الصلب المنصهر فى درجة حرارة عالية، ويجب عليها تحمل التصادم بالشحنة والخردة عند الشحن، ويجب أن تتحمل المجمرة التآكل الناجم عن الخبث عند تفريغ الفرن. وتتكون المجمرة من بطانة حرارية من جزأين: حوالى 225مم طوب حرارى يشكل مجمرة الأمان ناحية غلاف الصلب السفلى، وحوالى 300-600مم من حراريات مغنسيت لاوصلية تشكل البطانة العاملة. ويجب أن تُنشأ بطانة الأمان من طوب حرارى محتواه من MgO بين 90 و97%، مما يجعلها تتمتع بمقاومة ميكانيكية ومقاومة للخبث تُمَكِّنُها من احتواء الصلب المنصهر فى حالة اختراق الصلب أو الخبث للمجمرة العاملة. والطوب الحرارى فى مجمرة الأمان يمثل بطانة دائمة لا تستبدل إلى كل سنة أو سنتين. والمجمرة اللاوصلية أيضاً تحتوى على نسبة مغنسيا عالية (60-95% MgO)،

وهى مادة جافة حبيبية. وتنتقى أحجام حبيبات بطانة المجمرة اللاوصلية بحيث يسهل تدميجها باستخدام معدات هزازة عند الإنشاء. ومع

ارتفاع درجة الحرارة فى الصبة الأولى يحدث تلبد وترابط وتكثيف (زيادة الكثافة) وتقوية فى مادة المجمرة اللاوصلية، فتصبح قوية جداً ومقاومة للإختراق. وتصمم بطانة المجمرة بحيث يكون الثلث العلوى المواجه للشحنة مُلَبَّد تماماً، والثلث الأوسط ملبد جزئياً، والثلث السفلى غير ملبد. يساعد هذا الأسلوب على سهولة ترقيع البطانة عند حدوث تآكل أو اختراق للصلب أو الخبث خلالها. ويتم الترقيع كذلك بمادة حرارية لاوصلية بعد إزالة الجزء المخترق والمتلبد.

  وفى أفران التيار المستمر يجب أن يستوعب تصميم حراريات المجمرة القطب الكهربائى السفلى، حيث توجد ظروف تشغيل شديدة جداً: فارتفاع درجة الحرارة فى مواضع معينة والاضطراب الشديد ظروف عادية على سطح القطب السفلى للفرن الكهربائى. يمكن استخدام نفس حراريات المغنسيا الجافة  القابلة للهز) أو حراريات أكثر صموداً للحرارة ومحتوية على نسب أعلى من MgO لبناء

 القطب الكهربائى. ويمكن استخدام حراريات موصلة للكهرباء لاوصلية أو طوب، وهى تجميع للمغنسيت والكربون لتوصيل التيار الكهربائى من حوض الصلب المنصهر إلى التوصيلات النحاسية فى قاع الفرن. والحراريات الموصلة هى خلطة معقدة من مغنسيا عالية النقاوة وجرافيت وفلزات مسحوقة، تهدف إلى الوصول إلى مزيج من مقاومة درجة الحرارة العالية والموصلية الكهربائية الجيدة لاحتواء الصلب المنصهر والتيار الكهربائى معاً.

  

خط الحبث

خط خبث فرن القوس الكهربائية هو المنطقة الانتقالية بين المجمرة والجدران الجانبية العلوية. وهذه المنطقة عرضة لدرجات الحرارة العالية، بسبب التعرض للقوس الكهربائية والأكسدة وارتطام اللهب الناجم عن حقن الأكسجين الإضافى، والأهم هو مهاجمة الخبث المرتفع درجة الحرارة والمحتوى على FeO وSiO₂ وMnO. وتصميم خط الخبث فى الفرن الكهربائى يعتمد على دمج للطوب والحراريات اللاوصلية. والأكثر شيوعاً هو خط خبث ثخانته من 300 إلى 450مم، مصنوع من طوب مغنسيا-كربون به 10-20% كربون. والطور الكربونى فى الطوبة يتكون من جرافيت ورابط من راتينج كربونى. وهذه المواد الكربونية لديها مقاومة ممتازة لمهاجمة خبث صناعة الصلب، ومقاومة ميكانيكية ممتازة فى درجة الحرارة العالية. وبسبب قابلية الكربون للتأكسد تضاف مساحيق فلزية من ألومنيوم أو سليكون أو مغنسيوم إلى طوب المغنسيا-كربون المستخدم عند خط الخبث لحمايته من التأكسد. فتتحد هذه الفلزات مع الكربون مكونة كربيدات، أشد مقاومة للتأكسد وتقوى الطوبة الحرارية أيضاً (ترفع مقاومتها). والمقاومة هامة جداً للتصدى للتحات الناشئ عن اندفاع أمواج الخبث والصلب ضد منطقة خط الخبث فى الفرن. وبالإضافة إلى ذلك يُوقَى طوب المغنسيا-كربون فى منطقة خط الخبث بحراريات لاوصلية. وإنشاء المجمرة اللاوصلية غالباً ما يغطى كل أو جزء من طوب خط الخبث، إلا أن مادة المجمرة تتآكل أو تتحات بسرعة عنده بسبب ظروف التشغيل القاسية فى هذا المواضع. ولذلك تُعمل حماية إضافية بحقن خليط قذف من المغنسيت داخل الفرن، لتكوين طبقة واقية على خط الخبث. وهذه الطبقة لا تبقى لفترة طويلة ولكن تستبدل فى فترات منتظمة حسب شدة ظروف العمل.

الجدار الجانبى العلوى

تبطن هذه المنطقة بطوب مغنسيا-جرافيت بنفس جودة الطوب المستخدم فى خط الخبث. يتعرض الجدار الجانبى العلوى لاندلاع واتساع القوس الكهربائية (درجة حرارة عالية جداً) وارتطام الخردة الثقيلة أثناء الشحن. وأثناء تفريغ الصبة، عند إمالة الفرن، يلامس الصلب والخبث المنصهران الجدار الجانبى العلوى فى ناحية الصب من الفرن. وأخيراً يجب أن يتحمل طوب الجدار الجانبى العلوى التآكل الناتج عن الخبث، وارتطام اللهب الصادر من مواسير الأكسجين أو مواقد الأكسجين والوقود. يوفر طوب المغنسيا-كربون، المحتوى على 5-20% كربون، خدمة بتكلفة مناسبة فى بطانات الجدار الجانبى العلوى. وتستخدم فيه مغنسيت وجرافيت وفلزات مسحوقة بجودات ونقاوات متنوعة. وفى أفران التيار المتردد حيث تَنشأ بقاع ساخنة على الجدار الجانبى العلوى، يستخدم طوب أعلى جودة فى هذه المواضع. تحتوى هذه المنتجات الأعلى جودة على حبيبات مغنسيا مصهورة، مقارنة بحبيبات المغنسيت الملبدة الموجودة فى منتجات الطوب عادية الجودة. يمتاز طوب المغنسيا المصهورة بمقاومة مُحَسَّنَة فى درجة الحرارة العالية ولكنه أغلى بكثير.

حراريات فتحة الصب

هناك حاجة إلى حراريات لفتحة الصب فى الأفران الكهربائية جانبية وسفلية الصب. فظروف التشغيل فى كلا الفرنين متشابهة: حيث يسرى الصلب المنصهر الساخن، والخبث بدرجة أقل، بسرعة عالية خلال فتحة قطرها 125-200مم، مما يسبب تحات للحراريات الموجودة فيها. ويوجد العديد من التصميمات البديلة لحراريات فتحة الصب فى الأفران جانبية الصب. التصميم الأول والأبسط هو ترك فتحة فى بناء الجدار الجانبى أثناء إنشاء البطانة الحرارية.وعند اكتمال إنشاء الطوب، توضع ماسورة (كُمّ) حرارية[1] أو ماسورة صُلب فى تجويف فتحة الصب، ويستخدم بعد ذلك خليط قذف أساسه (قاعدته) MgO لملئ الفجوة بين الماسورة وبناء الطوب المتاخم. والبديل الثانى هو استخدام مجموعة فتحة صب ضخمة بها فتحة صب مجهزة سابقاً. توضع هذه المجموعة فى مكانها بالفرن قبل العمل فى بناء طوب الجدار الجانبى. وعند وضعها فى مكانها المناسب يُستكمل بناء الطوب المتاخم لها. وعادة ما تكون المنتجات الحرارية المستخدمة فى فتحة الصب ذات جودة عالية. وإذا أنشئت فتحة الصب برش خليط قذف حول ماسورة صلب، يستخدم خليط قذف مغنسيا بأعلى جودة. ويتمتع هذا المنتج بأقصى مقاومة ميكانيكية ومقاومة للتحات، لتقليل التحات الناشئ عن الصلب المنصهر.وإذا استخدمت مجموعة فتحة صب جاهزة أو كُمّ حرارى، فتصنع هذه المنتجات من طوب مغنسيا عالى الجودة مع كربون وفلزات. تعمل الإضافات الفلزية إلى طوب المغنسيا-كربون المخصص لفتحة الصب على رفع المقاومة ومقاومة التأكسد فى هذه التطبيق الحرج. ويوجد للفرن الجانبى الصب ميزاب (بِزبَاز) يمتد من فتحة الصب ليسمح بسريان الصُلب المنصهر إلى داخل المغرفة. والميزاب هو مجرى سابق الصب من حراريات لاوصلية، يوضوع فى غلاف من الصلب أثناء عملية التبطين. والمجرى سابق الصب هو شكل مصنوع من حراريات تُصب، أساسها المغنسيا. وإذا كانت طريقة العمل تشمل دخول الخبث فى فتحة الصب ومجرى الفرن، فمقاومة MgO للخبث ستكون مطلوبة للتخفيف من مهاجمة الخبث للحراريات. أما إذا كانت طريقة العمل فى الفرن تَحُدُّ من دخول الخبث إلى فتحة الصب ومجرى الفرن، ففى هذه الحالة تستخدم حراريات تُصب عالية الألومينا، عالية المقاومة، لعمل المجرى الحرارى سابق الصب. وعادة ما تُعَمِّر المجارى عالية الألومينا لفترات أطول، بسبب مقاومتها المُحَسَّنَة للصدمات الحرارية ومقاومتها الأعلى مقارنة بمجارى المغنسيا سابقة الصب.

تحتاج أفران القوس الكهربائية سفلية الصب إلى أكمام خاصة التصميم لفتحة الصب وقالب طرفى لاحتواء تصميم فتحة الصب. تستقر أكمام فتحة الصب داخل المجمرة فى مجموعة ارتكاز فتحة الصب. يمكن إنشاء هذه المجموعة من أشكال من الطوب أو أشكال سابقة الصب، وينتج عنها فتحة قطرها نحو 450مم، تمتد خلال حراريات مجمرة الفرن. تُوَسَّط (تُجعل فى الوسط) أكمام فتحة الصب داخل مجموعة الارتكاز، وتُحشَى حراريات قاعدية أو خليط دك قاعدى فى الفتحة الحَلَقِيَّة بين الأكمام وكتل الارتكاز. وأكمام فتحة الصب هى أشكال من مغنسيا-كربون، مصنوعة من مغنسيا عالية النقاوة أوحبيبات مغنسيا مصهورة مع نحو 10-15% كربون. تستخدم فلزات مسحوقة كعوامل مقوية  لتعظيم مقاومة التحات والتأكسد. يمتد قاع فتحة الصب إلى ما بعد غلاف الفرن باستخدام شكل حرارى يسمى القالب الطرفى. وهذا القالب الطرفى هو أيضاً طوب مغنسيا-كربون، يُمسك فى مكانه بمسبوكة مربوطة فى الفرن، تسمى مسبوكة القالب الطرفى. يتعرض القالب الطرفى إلى الجو خارج الفرن، ومن ثم لابد أن تكون له مقاومة تأكسد ممتازة، بالإضافة إلى مقاومة تحات قصوى، حتى يتحمل فعل التحات الناتج عن تيار الصلب المنصهر فى فتحة الصب. والقالب الطرفى هو غالبا العامل المحدد فى أداء فتحة الصب. وعند حدوث تحات يبدأ تيار الصب فى الاتساع والتباعد فيتزايد معدل إعادة أكسدة الصلب. من الضرورى عندئذٍ عمل إصلاح على الساخن لاستبدال القالب الطرفى وأكمام فتحة الصب. العمر المعتاد لفتحة الصب فى الأفران سفلية الصب نحو 5-10 أيام تشغيل.

السقف

الحراريات المستخدمة لسقوف الأفران الكهربائية ذات التيار المتردد أو المستمر هى عامة أشكال سابقة الصب من حراريات عالية المقاومة، عالية الألومينا (70-90% Al₂O₃). ولأن السقف يرتفع ويترجَّح (يتمايل) بعيداً عن جسم الفرن أثناء عملية الشحن، تتعرض حراريات السقف إلى صدمات حرارية مفرطة. فالتمدد الحرارى المنخفض للحراريات العالية الألومينا التى تُصب مقارنة بالحراريات القاعدية التى تُصب يمثل ميزة فى مقاومة الصدمات الحرارية. وبالإضافة إلى ذلك فإن الحراريات عالية الألومينا التى تصب (قابلة للصب) أقوى بكثير من الحراريات القاعدية المماثلة، ومن ثم فالسقوف عالية الألومينا أكثر قدرة على مقاومة الإجهادات الناشئة عن رفع السقف وتحريكه أثناء التشغيل. وتُعَمِّر حراريات سقف الفرن الكهربائى عامة لفترة أقل من أسبوع إلى ما يصل إلى عشرة أسابيع فى بعض عمليات صناعة الصلب.

آليات بلى الحراريات فى الأفران الكهربائية

التآكل

تتعرض حراريات الفرن الكهربائى لآليات بلى متنوعة، يجب فهمها جيداً من أجل التصميم والإدارة المناسبة لهذه الأفران. وأهم آليات البلى هو التآكل. وهو تفاعل كيميائى لأكاسيد الفلزات الموجودة فى الخبث، أو أكسيد الحديد (FeO) أو السليكا (SiO₂) أو أكسيد المنجنيز (MnO) مع العديد من المنتجات الحرارية. فالمغنسيا الموجودة فى البطانة الحرارية تذوب فى خبث صناعة الصلب، مع مستويات تشبع تتراوح بين 6 و14%، تبعاً لدرجة الحرارة ومحتوى FeO. وتؤدى تفاعلات التآكل الكيميائية تلك إلى بلى بطانة الفرن الحرارية؛ وتصبح نواتج التفاعل جزءاً من الخبث. ويمكن تقليل تفاعلات التآكل بمعادلة FeO باستخدام صهورات مناسبة، وبالتحكم فى محتوى الخبث من الأكسجين. وللسيطرة على التآكل بطريقة أخرى يستخدم طوب حرارى محتوى على كربون، فيختزِل الكربون الخبث الأكال الملامس لسطح البطانة، فيقلل ذلك من تآكلها.

التأكسد

الآلية الحرجة الثانية لبلى بطانات فرن القوس الكهريائية هى التأكسد. وفى هذه العملية، يتأكسد الكربون الموجود فى البطانة الحرارية بالتفاعل مع الأكسجين أو FeO الموجود فى الخبث. وبتفاعل الكربون الموجود فى البطانة الحرارية، يفقد الطوب مقاومته، فينجرف بعيداً عن مكانه. ويحدث أيضاً تأكسد للكربون على السطح البارد (الخارجى) للحراريات إن كانت هناك فجوات/فتحات فى غلاف الصُلب الخارجى. إذ يتفاعل الأكسجين من الهواء مع كربون الطوب، فيتحول الجزء الخلفى من البطانة إلى مسحوق.

التحات

التحات آلية أخرى للبلى متفشية فى بطانات الأفران الكهربائية. وهو برى أو بلى فيزيائى للحراريات بسبب تحرك الصلب المنصهر والخبث على سطح البطانة الحرارية، مما يؤدى إلى حَكَّهَا وحَتَّهَا. والتحات شائع جداً فى فتحات صب الفرن الكهربائى وخطوط الخبث وفتحات الإلكترودات فى السقف وفى أنابيب تصريف (مَسَارِب) الغازات.

الانصهار

الانصهار أيضاً من آليات البلى المعتادة فى فرن القوس الكهربائية. تولد القوس الكهربائية غير المُحَجَّبَة درجات حرارة أعلى بكثير من نقطة انصهار الحراريات التجارية كافة. والانصهار هو التحول الطورى البسيط للحراريات من الحالة الجامدة إلى الحالة السائلة، فينجرف الطور السائل بعيداً بيسر. وهو مشكل بالغ فى بطانات فرن القوس الكهربائية إذا لم يكتشف ويعالج فى الحال.

التَمَيُّه

نظراً لانتشار استخدام التبريد بالماء فى أفران القوس الكهربائية الحديثة، فقد تحدث أحياناً تسربات للمياه. تتضرر الحراريات بسهولة بالماء أو البخار، بسبب تَمَيُّه أطوار المغنسيا أو الجير الموجودة فى البطانة الحرارية. يسبب التميه تمدد الحبيبات المفردة المكونة للبطانة، فتنمو هذه الحبيبات وتتفزر (تنفجر)، فتتبعثر البطانة وتتلف.

التصدع

هناك آلية أخرى للبلى ألطف (أخف تأثيراً) من الآليات السابقة، تسمى التصدع. وفى هذا النوع من البِلَى يسبب التسخين السريع أو التبريد إجهادات فى البطانة الحرارية. تتجاوز هذه الإجهادات غالباً المقاومة المتأصلة للمادة الحرارية، فتسبب تشققاً. وعندما تتلاقى هذه الشقوق، تسقط كتل من الحراريات بعيداً عن البطانة، فتتصدع. 

---

[1] وهى طوبة حرارية أنبوبية.

المصادر الرئيسية

(1) E. Ruh, "Refractories for the Iron and Steel Industries" (الحراريات المستخدمة فى صناعات الحديد والصلب), Encyclopedia of Materails Sceince and Engineering, Pergamon Press, 1986, pp. 4140-45.

(2) D. H. Hubble, R. O. Russell, H. L. Vernon and R. J. Marr, "Chapter 4: Steelmaking Refractories" (حراريات صناعة الصلب), in "Steel Making and Refining Volume: in Making, Shaping & Treating Of Steel",Richard J. Fruehan, editor, AISE Steel Foundation, Pittsburgh, PA, USA, 1998,  pp. 227-90.

(3) معجم الحراريات والأفران الصناعية، حمدى يس دسوقى، أمين أحمد قاسم، أنور محمود عبد الواحد، المؤسسة الشعبية للتأليف فى لايبزغ ومؤسسة الأهرام، 1981.

قائمة المصطلحات