كيف يعمل الفرن العالي؟

مقدمة

تلعب الأفران العالية دورًا مهمًا في إنتاج الصلب، حيث تقوم بتحويل خام الحديد إلى حديد من خلال عملية صهر اختزالي بدرجة حرارة عالية. في هذه المقالة، سوف نلقي نظرة فاحصة على كيفية عمل الفرن العالي وأجزائه ووظائفه واستخدامه في مجالات أخرى.

ما هو الفرن العالي؟

والأفران العالية هي في الأساس عبارة عن أعمدة عمودية طويلة تستخدم الحرارة والتفاعلات الكيميائية لتحويل خام الحديد إلى حديد مصهور. وهي في الأساس عبارة عن صندوق فولاذي ضخم يعمل تحت ضغط وحرارة عاليين، ويحول خام الحديد إلى معدن هو المدخل الرئيسي في صناعة الصلب. وتشير كلمة "الانفجار" في الواقع إلى الهواء عالي الضغط الذي يتم دفعه إلى الفرن للحفاظ على العملية. يستخدم فرن الأكسجين الأساسي (BOF) بشكل أساسي في صناعة الحديد والصلب، وقد تطور استخدامه على مر القرون.

المكونات الرئيسية في الفرن العالي

ركاز الحديد

وخام الحديد هو لقيم الحديد الأساسي في الفرن العالي، والذي عادةً ما يكون أكاسيد مثل الهيماتيت (Fe2O3) أو المغنتيت (Fe3O4). وتحتوي هذه الخامات على نسبة عالية من الحديد، لكن المعدن يتحد كيميائياً مع الأكسجين وعناصر أخرى. يتم تحويل خام الحديد إلى حديد عن طريق التفاعلات الكيميائية.

كوكاكولا

فحم الكوك هو مادة كثيفة الكربون تنتج من خلال تسخين الفحم في غياب الأكسجين.

الحجر الجيري

للمساعدة على إزالة الشوائب الموجودة في خام الحديد مثل السيليكا في الفرن، يتم استخدام الحجر الجيري.

تعني التركيبات في الفرن العالي لإنتاج الحديد أن هذه المواد يتم شحنها في الفرن تحت ظروف محددة.

كيف يعمل الفرن العالي؟

يتم شحن فرن الصهر بخام الحديد وفحم الكوك والحجر الجيري ويذهب. يتم إدخال الشظايا والمواد الليفية في الجزء العلوي من الفرن بطريقة الطبقات بالتناوب. يعمل الفرن الآن على درجة حرارة عالية جدًا تبلغ حوالي 2000 درجة مئوية (3632 درجة فهرنهايت) يتم نفخ الهواء الساخن في الفرن من الأسفل، مما يؤدي إلى إشعال فحم الكوك وإحداث التفاعلات الكيميائية التي ستحلل الخام.

تمر المواد بعدة عمليات من أعلى الفرن إلى قاع الفرن، والتي ستنتج الحديد المسال في قاع الفرن. من المفيد النظر في كل مرحلة بالتفصيل: التسخين، والتفاعلات الكيميائية، وفصل الشوائب - يمكن للمرء أن يرى كيف يعمل الفرن العالي.

دور الهواء في الفرن

يقوم توير أو فوهة خاصة في الجزء السفلي من الفرن بحقن الهواء في الفرن. ويساهم الهواء المنفوخ في توفير إمدادات جديدة من الأكسجين للحفاظ على احتراق فحم الكوك، مع ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون كنواتج للتفاعل. ويعد أول أكسيد الكربون هذا أمرًا بالغ الأهمية، لأنه عامل اختزال يتفاعل مع خام الحديد للحصول على الحديد.

الهواء فائق الضغط العالي ضروري للحفاظ على درجة الحرارة المناسبة في الفرن العالي الذي يسهل التفاعل الكيميائي. فبدون هذا الانفجار من الهواء، لن تحدث التفاعلات الكيميائية بكفاءة، ولن يتمكن الفرن من إنتاج الحديد المنصهر.

تفاعلات الفرن العالي

اختزال خام الحديد

يولِّد فحم الكوك أول أكسيد الكربون (CO) ويتفاعل مع أكسيد الحديد (III) (Fe2O3) وفقًا لـ

Fe2O3+3CO → 2Fe+3CO2

ويؤدي هذا التفاعل إلى طرد الأكسجين من خام الحديد، مما ينتج الحديد النقي (Fe) الذي يتحول إلى حديد سائل يستقر في قاع الفرن.

تشكيل الخبث

يتم إدخال الحجر الجيري (CaCO3) ليتحد مع الشوائب الموجودة في خام الحديد، مثل السيليكا (SiO2)، مكونًا الخبث:

CaCO3 CaCO3 → CaO+3CO2

ثم يتحد أكسيد الكالسيوم (CaO) مع الشوائب لتكوين سيليكات الكالسيوم (الخبث)، الذي يرتفع إلى أعلى الحديد المنصهر.

هذه التفاعلات هي حجر الزاوية في تفاعلات الفرن العالي التي تحول المواد الخام إلى حديد مصهور قابل للاستخدام.

الحديد المنصهر والخبث

وبمجرد انتهاء التفاعل، يغرق الحديد المنصهر في قاع الفرن ويطفو الخبث إلى الأعلى. ويسقط أكسيد الحديد، كما هو معروف، إلى قاع الفرن، حيث يذوب، ويتم سحب الحديد المنصهر من خلال صمام خاص. ويتم إخراج المادة غير النقية المعروفة باسم "الخبث" من الفرن بشكل منفصل.

النقر على الحديد المنصهر

وبمجرد أن يتشكل ما يكفي من الحديد المنصهر في قاع الفرن، يتم "إخراجه" من خلال صنبور إلى قالب أو حاوية. هذا الحديد، الذي يسمى الحديد الخام، هو المادة الخام لإنتاج المزيد من الصلب. وفي هذا الفرن لصناعة الصلب، حيث يتم اختزاله في الكربون واستخدامه في صناعة الصلب. يلعب الحديد المنتج في الأفران العالية دورًا رئيسيًا.

ماذا يحدث للخبث؟

لا يتم إهدار نفايات الفرن العالي. فكثيرًا ما يعاد تدويرها في أعمال البناء، أو تظهر في الرصف، أو تتم معالجتها بشكل أكبر لإنتاج الأسمنت. كما يمكن في بعض الحالات معالجة الخبث، في بعض الحالات، بحيث يمكن استرداد محتوى الحديد، وبالتالي فهو منتج ثانوي ذو قيمة.

درجة الحرارة والتحكم

يتطلب تحسين تشغيل الفرن العالي التحكم الدقيق في درجة الحرارة. فإذا كانت باردة جدًا، لن تكون التفاعلات فعالة. وإذا كانت مرتفعة للغاية، فقد يتلف الفرن. التحكم في درجة الحرارة تعديل كمية فحم الكوك أو كمية تدفق الهواء. وقد تم تضمين هذه العوامل لاحقًا في أنظمة التحكم في الفرن العالي المتقدمة لضبطها وفقًا لذلك والتحكم في التشغيل السلس للفرن العالي.

دور الفرن العالي في إنتاج الفولاذ

الفرن العالي هو فرن صهر كبير يعد جزءًا رئيسيًا من عملية إنتاج الصلب. وتتمثل وظيفته الرئيسية في تحويل خام الحديد إلى معدن ساخن من أجل صناعة الصلب.
وتتم العملية بتلقيم خام الحديد وفحم الكوك من أعلى الفرن العالي، وتتحرك الغازات المختزلة في الأسفل إلى أعلى. وأخيرًا، يتم تحويل أكسيد الحديد إلى معدن ساخن.
لذا، ينتج الفرن العالي الحديد الخام، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى صلب في الخطوة الثانية.

التحسينات الحديثة

وقد تطورت التقنيات الحديثة لجعل أفران الصهر أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وسليمة بيئيًا. وتحتوي الأفران الأحدث على آليات تحكم متطورة لتحسين درجة الحرارة وتدفق الهواء ومدخلات المواد. ولا يقتصر الأمر على إمكانية تشغيل الأفران العالية على مواد بديلة - على سبيل المثال، الكتلة الحيوية - لخفض انبعاثات الكربون. ولكن يتم تصميمها أيضًا بشكل متزايد لتشغيلها على الأقل على مواد بديلة للحد من الكربون الانبعاثات كما يفعلون. لذا فإن مساعدة الصناعة على الانتقال إلى ممارسات مستدامة.

الخاتمة

يعد الفرن العالي مكونًا أساسيًا في صناعة الصلب والصناعات الأخرى. ولهذا السبب فإن فهم عملية الفرن العالي، وما يحدث فيه، يمكّنك من فهم عملية الفرن العالي، وما يحدث فيه، من تقدير مدى تعقيد التصنيع الصناعي. لقد قادت مبادئ تشغيل الفرن العالي الصناعات لعدة قرون ولا تزال تلعب دورًا حيويًا في التصنيع في العصر الحديث.