فرن القوس الكهربائي: كل ما تحتاج إلى معرفته

أفران القوس الكهربائي مهمة جداً في صناعة الصلب الصناعي. يتم تصنيع أكثر من 951 تيرابايت 3 تيرابايت من الصلب الكهربائي بواسطة أفران القوس الكهربائي. لنبدأ في هذه المدونة، سوف تتعرف في هذه المدونة على كيفية عمل فرن القوس الكهربائي، ومكوناته وفوائده، والمواد المهمة المستخدمة في أفران القوس الكهربائي، بالإضافة إلى كيفية مقارنة أفران القوس الكهربائي بأنواع الأفران الأخرى.

ما هي هل فرن القوس الكهربائي (EAF)؟

فرن القوس الكهربائي (EAF) هو فرن يقوم بصهر المعادن في قوس كهربائي بدرجة حرارة عالية، خاصة لصهر الفولاذ. تعمل مجموعة أقطاب EAF Electrodes على توليد قوس كهربائي ينتج حرارة ويذيب معدن الشحنة. بالمقارنة مع أفران الصهر التي تعمل بالفحم، فإن أفران القوس الكهربائي على مدار العام أكثر مرونة ونظافة. يتسم إنتاج الصلب في أفران القوس الكهربائي بالكفاءة في استخدام الموارد؛ فهو يقلل من النفايات مقارنة بمصادر الصلب، واستخدام المواد المعاد تدويرها التغذية المرتدة الأولية.

تتم معالجة الصلب الخردة القابل لإعادة التدوير بواسطة أفران المرافئ الكهربائية في المصانع الصغيرة. وتضع هذه المرونة في المواد الخام المدخلة أفران القاذفات الكهربائية في مكانة مثالية لصناعة الصلب الصديق للبيئة والاقتصادي. يمكن أن يوفر الصب الشريطي مجموعة واسعة من التركيبات والفولاذ عالي الجودة، مما يجعله مناسبًا للفولاذ المتخصص والسبائك.

كيف يعمل فرن القوس الكهربائي؟

• الشحن

الجزء الأول من العملية في فرن القوس الكهربائي - هو الشحن، أو تغذية المواد الخام في الفرن. استخدم خردة الصلب والحديد الخام والحديد الخام وأحيانًا الحديد المختزل المباشر (DRI) كمواد خام رئيسية. يتم إدخال هذه المواد في الفرن عن طريق نظام الشحن. وتحقق التطورات الحديثة في أنظمة الشحن مستويات عالية من الأتمتة، مما يتيح إضافة المواد بتركيبة كيميائية دقيقة وفعالة في آن واحد. من الممكن إجراء الشحن على دفعات باستخدام حاويات كبيرة تسمى "السلال"، والتي يتم شحنها بالخردة ثم إدخالها في الفرن في وقت واحد - أو بشكل مستمر عبر الناقلات.

• الذوبان

بعد شحن الفرن، يكون الصهر هو الخطوة التالية. في هذه العملية، توضع الأقطاب الكهربائية (بدلاً من المواد القائمة على الجرافيت) في الفرن ويمر الجهد العالي من خلالها. وهذا يخلق قوسًا كهربائيًا يعمل على تسخين المعدن إلى درجة يذوب فيها. يمكن أن تصل درجة الحرارة داخل فرن القوس الكهربائي نفسه إلى 3,500 درجة مئوية - أكثر من كافية لصهر الخردة المعدنية وغيرها من المواد الأولية. يستخدم الفرن الكهربائي القوس الكهربائي والحرارة المتولدة بين الأقطاب الكهربائية والشحنات؛ نظام الخبث الذي يحمي التركيب الكيميائي للحمام المنصهر بمساعدة طبقة جيرية كغطاء يوفر أعلى إنتاجية للصهر.

• التكرير

الخطوة التالية هي تنقية المعدن بعد صهره. والتكرير هو عملية تنقية المعدن في شكل مصهور صبور. وأثناء عملية التكرير، عادةً ما يتم نفخ الأكسجين في الفرن من خلال رمح لأكسدة وإزالة الشوائب مثل الكربون أو الفسفور أو الكبريت. وتُصنع الشوائب الكثيفة مع مواد التدفق الأخرى مثل الجير والفلورسبار لتكوين خبث يحبس الشوائب المتجسدة من المعدن. وعادةً ما يتم التحكم فيها بواسطة العديد من أجهزة الاستشعار المتقدمة ونظام التحكم، وهذه الوظيفة ضرورية لتوليد فولاذ عالي الدقة بخصائص فريدة من نوعها.

• النقر

عملية التنصت هي الخطوة الأخيرة في عملية الفرن الكهربائي. خلال الخطوة الثالثة، يتم نقل الصلب المنصهر (الموجود في الفرن) إلى المغارف؛ وهي الأوعية المستخدمة لنقل الصلب السائل حول مصنع الصلب الخاص بك للمعالجة، مثل الصب والتشكيل إلى الأمام. كما أن عملية التنصت هي عملية دقيقة للغاية وتتطلب تحكمًا حيث نحتاج إلى التنصت على كمية محددة من الصلب المنصهر وتقليل احتباس الخبث. تتم مراقبة درجات حرارة التنقيب بإحكام باستخدام هذه الأزرار لضمان أن تكون درجة حرارة الفولاذ المنصهر في مستوى مناسب للمعالجة النهائية.

سعة أفران القوس الكهربائي وأنواعها

فرن القوس الكهربائي غير المباشر

يستخدم فرن القوس الكهربائي للتيار المتردد (AC EAF) التيار المتردد (AC) المتدفق من خلال أقطاب الجرافيت لإنتاج القوس الكهربائي المستخدم في الصهر. أفران القوس الكهربائي للتيار المتردد هي أكثر أنواع الأفران شيوعًا المستخدمة في صهر الصلب، وتوفر المرونة، ويمكنها أن تخدم تطبيقات متعددة. هذه الأفران هي تصميمات بسيطة إلى حد ما ويمكنها صهر أي نوع من الخردة المعدنية تقريبًا. أفران التيار المتردد هي نوع متعدد الاستخدامات للغاية من الأفران الكهربائية التي يمكن تشغيلها وإيقافها بسرعة، وهي مثالية لصناعة الصلب على نطاق صغير إلى متوسط.

فرن القوس الكهربائي المباشر (DC EAF)

يتم إنتاج القوس الكهربائي باستخدام التيار المباشر (DC) في فرن القوس الكهربائي للتيار المستمر (DC EAF). ويتطلب فرن القوس الكهربائي للتيار المستمر أقطاب كهربائية أقل من فرن القوس الكهربائي للتيار المتردد، مما يوفر التكاليف. وعادةً ما يكون هناك قطب كهربائي واحد فقط من الجرافيت في فرن التيار المستمر الذي يميل إلى البقاء في مكانه لفترة أطول ويوفر استقرار القوس الكهربائي. وبالإضافة إلى ذلك، تميل أفران التيار المستمر أيضًا إلى أن تكون أكثر هدوءًا ولديها القدرة على زيادة كفاءة الطاقة. ولكن في حين أنها أكثر تعقيدًا بشكل عام من الناحية الهيكلية، فإن التكلفة الأولية للتركيب قد تكون أكبر أيضًا.

فرن القوس الكهربائي المغمور

فرن القوس المغمور (SAF) هو نوع محدد من الأفران التي تستخدم في المقام الأول لإنتاج السبائك الحديدية أو المعادن الأخرى. يتم غمر الأقطاب الكهربائية جزئيًا في مواد الشحنة لخلق جو مختزل مناسب لبعض التفاعلات المعدنية في فرن القوس المغمور على سبيل المثال. لا تُستخدم القوس الكهربائي المغمور في صهر الفولاذ، كما هو الحال مع القوس الكهربائي القياسي، بل لمعالجة خامات مثل المنجنيز أو الكروم من أجل إنتاج مكونات السبائك. يمكن تصميم أفران القوس الكهربائي المغمورة المتخصصة للوصول إلى درجات حرارة انصهار عالية مما يسهل إيجاد التشكيلات المناسبة للسبائك ذات الخصائص المرغوبة.

المكونات الرئيسية لفرن القوس الكهربائي

الصدفة والسقف

وعادة ما يكون غلاف الفرن ملحومًا من ألواح الصلب وله قوة وصلابة معينة. وعادةً ما يكون البناء من الفولاذ شديد التحمل لتحمل درجات الحرارة العالية التي تمر عبر الفرن. السقف قابل للإزالة ويستخدم لشحن المواد الخام في الفرن. بالإضافة إلى ذلك، توجد منافذ الأقطاب الكهربائية، التي تخترق من خلالها الأقطاب الكهربائية داخل الفرن في السقف.

تبطين الفرن

مادة حرارية تحتوي بطانة الفرن على مواد حرارية مقاومة للحرارة العالية. وهي تحمي غلاف الفرن وتمنع تسعره بالمعدن المنصهر. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد البطانة المقاومة للحرارة في عزل الفرن الناتج عن ذلك مما يحافظ على الحرارة ويزيد من كفاءة الطاقة. وفي نهاية المطاف سوف تحتاج البطانة إلى استبدالها لكي تعمل بأفضل أداء.

نظام الشحن

يغذي نظام الشحن المواد الخام مثل خردة الصلب مباشرة في الفرن. في هذا النظام، يتم استخدام الرافعات والدلاء التي تسمى "سلال الشحن" بشكل عام لتحميل الخردة في الفرن بسرعة وأمان. قد تكون أنظمة الشحن الأحدث عبارة عن سيور ناقلة، أو أي نظام آلي آخر يتيح الشحن المستمر، مما يعزز الإنتاجية والكفاءة.

محول فرن القوس الكهربائي

يقوم محول فرن القوس الكهربائي بتحويل ونقل الطاقة المطلوبة إلى الأقطاب الكهربائية. كما أنه يحول كهرباء الجهد العالي من شبكة الطاقة إلى جهد منخفض مناسب للقوس الكهربائي. إن تنظيم التيار الذي يوفره المحول مهم للسماح بظروف قوس كهربائي مستقرة والتحكم في الانصهار. يضمن المحول ذو التصميم الجيد الحفاظ على الطاقة المستخدمة وفي بيئة آمنة.

نظام التبريد

ونظرًا لأن درجات الحرارة الناتجة عن فرن القوس الكهربائي مرتفعة بشكل استثنائي، يلزم وجود نظام تبريد لمنع الانصهار. وبوجه عام، يتم التبريد من خلال ألواح مبردة بالماء. وهذه تمتص الحرارة الزائدة وتحافظ على درجات حرارة الفرن عند مستويات أكثر أمانًا. يطيل التبريد الفعال من عمر الجهاز ويمنع ارتفاع درجة حرارة الأقطاب الكهربائية والسقف والألواح الجانبية.

نظام غبار فرن القوس الكهربائي

أثناء التشغيل ينتج منتج جانبي من غبار فرن القوس الكهربائي. ويشمل هذا الغبار مواد ضارة مثل أكاسيد المعادن وغيرها من المواد. يتم التقاط بعض من هذا الغبار بواسطة نظام تجميع الغبار، حيث يتم فصل المكونات الضارة وتدميرها أو إعادة تدوير المعادن القيمة. وبالتالي فإن الإدارة الفعالة للغبار هي المفتاح في القدرة على الامتثال للتشريعات البيئية والحفاظ على بيئة عمل آمنة.

مزايا استخدام أفران القوس الكهربائي

كفاءة إعادة التدوير

وهذا يجعل أفران EAF الكهربائية مهمة للغاية في الاقتصاد الدائري، حيث يمكنها إعادة تدوير الخردة المعدنية بكفاءة. ومن خلال استخدام الخردة المعدنية، فإنها تقلل من الحاجة إلى تعدين وتكرير الخامات البكر، وبالتالي تحافظ على الموارد الطبيعية والطاقة على حد سواء.

المرونة

من السهل تشغيل أفران القوس الكهربائي أو إيقافها وهو ما يعد مطابقة مثالية لإنتاج الصلب على دفعات صغيرة. وهذه ميزة حقيقية مقارنة بأفران الصهر التي يجب أن تعمل باستمرار.

انخفاض انبعاثات الكربون

في الواقع، أفران القوس الكهربائي أقل كربونًا بكثير مقارنة بأفران الصهر. فهي تساعد على خفض انبعاثات غازات الدفيئة، خاصةً عندما يتم تزويدها بالطاقة المتجددة، لأنها تعتمد على الكهرباء بدلاً من فحم الكوك.

المواد الرئيسية المستخدمة في القوات المسلحة المصرية

خردة الصلب

أفران القوس الكهربائي هي نوع من أفران صناعة الصلب التي تستخدم خردة الصلب كمادة خام رئيسية. ويأتي من خليط من الأماكن، بما في ذلك السيارات الخردة والمنازل المهدمة وخردة المصانع. وتُعد إعادة تدوير خردة الصلب طريقة أكثر مراعاة للبيئة لاستخدام الموارد الطبيعية للأرض وتساعد على تقليل النفايات.

أقطاب فرن القوس الكهربائي

يتم إنشاء القوس الكهربائي الذي يصهر خردة الصلب عن طريق تمرير الكهرباء عبر هذه أقطاب الجرافيت. وعلى الرغم من ذلك، وبسبب عملية الصهر، يجب أن تتحمل هذه الأقطاب الكهربائية درجات حرارة عالية داخل فرن القوس الكهربائي وتحترق تدريجيًا. يجب استبدال الأقطاب الكهربائية على أساس منتظم، مما يضيف عنصر تكلفة آخر للاستخدام المستمر لفرن القوس الكهربائي.

خبث فرن القوس الكهربائي

الخبث هو نتيجة الشوائب من المواد الخام وهو عبارة عن بقايا تتراكم فوق المعدن المنصهر ويتم إزالتها أثناء عملية التكرير. وقد رأينا أيضًا أن الخبث يستخدم في مجالات أخرى مثل البناء إلى جانب الأسمنت ومواد بناء الطرق.

رافع الكربون

رافع الكربون يُضاف لرفع محتوى الكربون في الفولاذ السائل إلى المستوى المطلوب نظرًا لأن كمية الكربون في الفولاذ تتراوح من 0 - 2.1 %، فمن الضروري أن تتم هذه الخطوة بعناية حيث ينتج عنها درجات مختلفة من الفولاذ الذي يتميز بصلابة وقوة نهائية مختلفة.

بطانة حرارية

البطانة الحرارية هي المادة الرئيسية المستخدمة لحماية الفرن والتأكد من أن الفرن يجب أن يحتفظ بالحرارة. للحفاظ على الفرن كاملاً، يجب أن تتحمل البطانة درجات الحرارة المرتفعة والتفاعل الكيميائي والتآكل الميكانيكي.

التطبيقات الشائعة لفرن القوس الكهربائي

صناعة الصلب

يُستخدَم مرفق EAF بشكل أساسي في صناعة الصلب. يتمتع الفرن بقدرة واسعة من الكربون إلى سبائك الصلب المتخصصة. وهذا التحكم الدقيق في التركيب هو السبب في قدرة أفران القوس الكهربائي على إنتاج كل من الصلب السائب ومنتجات الصلب المتخصصة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لأفران القوس الكهربائي صهر خام الحديد، ويتم صهر خام الحديد تدريجيًا في الفرن، ثم يتم فصل المعدن.

إنتاج السبائك

تعمل أفران القوس الكهربائي أيضًا على إنتاج السبائك من خلال معادن مختلفة ممزوجة معًا. يمكن استخدام أفران القوس الكهربائي لإنتاج سبائك مثل الفولاذ المقاوم للصدأ (الكروم والنيكل). ولهذا السبب يمكن بسهولة تصنيع مواد لصناعات مختلفة مثل البناء والسيارات والفضاء الجوي.

أسعار أفران القوس الكهربائي

يختلف سعر فرن القوس الكهربائي وفقًا للسعة والميزات القابلة للاستخدام والتكنولوجيا. وعادةً ما تستخدم المطاحن الصغيرة عادةً أفران القوس الكهربائي الأصغر حجمًا، ويتراوح سعرها من بضعة ملايين إلى عشرات الملايين من الدولارات، بينما يمكن أن تكلف الأنظمة الأكبر المؤتمتة بالكامل أكثر من $100 مليون دولار. وتؤخذ في الاعتبار النفقات الأخرى مثل استهلاك الأقطاب الكهربائية والكهرباء وتكاليف الصيانة واستخدام المواد الخام.

مقارنة بين فرن القوس الكهربائي والأفران الكهربائية الأخرى

فرن القوس الكهربائي مقابل الفرن العالي

مصدر الطاقة

وبالمقارنة مع أفران التكسير الهيدروليكي، تعمل أفران الصهر الكهربائي بمرونة أكبر باستخدام الكهرباء كمصدر رئيسي للطاقة مما يجعل من الممكن أيضًا إدراج ER. ومن ناحية أخرى، تستخدم الأفران العالية فحم الكوك، وهو نوع من الفحم الذي يتميز بكثافة الكربون بشكل أكبر، وعند درجات الحرارة المرتفعة يتفاعل الكربون مع الأكسجين الموجود في خام الحديد لإنتاج الحديد.

اللقيم

وعلى عكس أفران الصهر، التي تستخدم خام الحديد وفحم الكوك كمادة وسيطة، فإن المدخلات الرئيسية لإنتاج الصلب في أفران الصهر هي الخردة. ويؤدي جانب إعادة التدوير إلى تقليل الأثر البيئي لأفران الصلب الكهربائية.

فرن الحث الحثي مقابل فرن القوس الكهربائي

يعمل فرن الحث على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، ويستخدم فرن القوس الكهربائي القوس الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية. يُستخدم الفرن الحثي للكميات الأصغر من المعدن ويمكنه الوصول إلى درجة حرارة دقيقة بينما يُستخدم فرن القوس الكهربائي لصناعة الصلب على نطاق واسع.

صيانة أفران القوس الكهربائي

يحتاج فرن القوس الكهربائي إلى صيانة دورية ليعمل بأمان وكفاءة. الفرن البطانات يجب فحصها بشكل منتظم، لأنها بمرور الوقت تتآكل ببطء بسبب تعرضها المتكرر للمعدن المنصهر. يجب فحص الأقطاب الكهربائية أيضًا، لأنها تتحلل بمرور الوقت أثناء التشغيل. يمكن أن تتسبب السخونة الزائدة في حدوث تلف أو عطل، لذا يجب مراقبة نظام التبريد لمنع حدوث ذلك. على الرغم من أن نظام الصيانة هذا يوفر لك عمرًا إضافيًا للإصلاحات ويمنع الأعطال المفاجئة، إلا أن الخطط الفعلية والتنفيذ يجب أن تكون دائمًا غير مؤكدة.

الاتجاهات الحديثة في تكنولوجيا قوات الصلب الكهربائية

تصميم فرن القوس الكهربائي

وقد ركزت التصميمات الحديثة لفرن القوس الكهربائي على طول العمر الافتراضي وزيادة الإنتاجية وانخفاض كثافة الطاقة. المواد المتقدمة، التي يتم استخدامها لإطالة عمر البطانة الحرارية وزيادة الكفاءة.

كفاءة فرن القوس الكهربائي

تعد الكفاءة عاملاً حاسمًا في تكنولوجيا رافعة الصلب الكهربائية الحديثة. ويشمل ذلك المزيد من التحكم في الأقطاب الكهربائية، وتعزيز استقرار القوس الكهربائي وأنظمة المراقبة المتطورة لتوفير تحليل لوقت التشغيل لتحسين استهلاك الطاقة والفاقد.

استهلاك الطاقة الكهربائية

يعد خفض استهلاك الطاقة الكهربائية خطوة مهمة لجعل المرافئ الكهربائية أكثر اقتصادًا. وتشتمل المُرَفِّعات الكهربائية الحديثة على محولات وأنظمة تحكم في الطاقة للحصول على عمليات أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، وبالتالي تقليل التكاليف الإجمالية.

استهلاك الطاقة

في هذه الأيام، يتم استخدام طرق مختلفة أحدث مثل استخراج الحرارة من الخردة الساخنة قبل دخول الفرن لتوفير استخدام الطاقة. كما يوفر التسخين المسبق أيضًا الوقت والطاقة، وبالتالي إنشاء عملية إنتاج أكثر استدامة من خلال تحقيق ذوبان أسرع في وقت أقل.

السلامة والأداء المقاوم للانفجار

هناك أيضًا ميزات أمان محسّنة تمت إضافتها إلى مصانع الصلب الكهربائية الحديثة مثل أنظمة مراقبة الغاز والتصميمات المقاومة للانفجار. ومع إعطاء الأولوية القصوى للسلامة، يتم أيضًا تطبيق معايير جديدة لتقليل مخاطر الحوادث أثناء التشغيل.

فرن القوس الكهربائي المتقدم للصواريخ الكهربائية

يجري حالياً دراسة استخدام فرن القوس الكهربائي للصواريخ المتقدمة، باستخدام أدوات من تقنيات القوس الكهربائي في الفضاء. على سبيل المثال، استخدام الأقواس الكهربائية للدفع أو معالجة المواد، وكذلك عمليات التصنيع الأخرى في ظروف انعدام الجاذبية.

الأسئلة الشائعة:

ما مقدار الكهرباء التي يستخدمها فرن القوس الكهربائي؟

تستهلك أفران القوس الكهربائي الكثير من الكهرباء، وعادةً ما تستهلك حوالي 500 كيلوواط/ساعة من الكهرباء لصهر طن واحد من الصلب. ومع ذلك، يختلف هذا الاستهلاك حسب المعدن المشحون وسعة الفرن وتكنولوجيا الإنتاج.

هل غبار فرن القوس الكهربائي نفايات خطرة؟

نعم، يحتوي غبار مصانع الصلب الكهربائية على أكاسيد المعادن الثقيلة مثل الرصاص والزنك والصوديوم، والتي يمكن أن تكون ملوثة. ومع ذلك، للحد من التلوث، تستخدم مصانع الصلب تكنولوجيا لإعادة تدوير الغبار لإعادة استخدامه.

الخاتمة

واليوم، يعد فرن القوس الكهربائي فرن القوس الكهربائي العمود الفقري لصناعة الصلب الحديثة. تخلق هذه الطريقة قوسًا كهربائيًا يعمل على صهر وتكرير خردة الصلب بكفاءة مما يجعله مثاليًا لإعادة التدوير وطرق إنتاج الصلب المستدامة. يمكن أن يكون هذا نوعًا مختلفًا من فرن القوس الكهربائي، وفرن القوس الكهربائي المتردد، وفرن التيار المستمر، وفرن القوس الكهربائي المغمور وما إلى ذلك وفقًا للتطبيق المناسب. لتحسين الاستخدام، مكونات تصميم الفرن مثل غلاف الفرن والبطانة الحرارية ونظام الشحن ونظام التبريد. إن البصمة الكربونية منخفضة، وتمكننا من إعادة تدوير العديد من المواد بكفاءة ومرونة، وهذه ليست سوى عدد قليل من المزايا العديدة التي تقدمها أفران القوس الكهربائي الكهربائية. مع تطور التقنيات والابتكارات الحديثة، تستمر أفران EAFs في التطور من حيث الكفاءة والسلامة والاستدامة - مما يجعلها جزءًا لا يتجزأ من صناعة الصلب في جميع أنحاء العالم.