صهر المعادن
يتم تعريف عملية الصهر على أنها الخطوة التي يتم من خلالها تحويل المواد الصلبة، مثل المعادن، إلى شكل سائل. ويتم تحقيق ذلك عن طريق تسخين هذه المواد إلى درجات حرارة تتجاوز نقطة انصهارها. تتم عملية الصهر عادةً لتنقية المعادن من الشوائب، أو لتكوين سبائك معدنية لها خصائص مختلفة عن خصائص المعادن الأصلية. يمكن أيضًا استخدام المعادن المنصهرة لصبها في قوالب خاصة، مما يسهل تصنيعها في المنتجات والآلات المعدنية. وتستخدم في عملية الصهر أفران مصممة خصيصاً لهذا الغرض، مصنوعة من مواد مقاومة للحرارة. وفي هذا المقال سنستعرض بعض أنواع الأفران الشائعة المستخدمة في صهر المعادن.
تصنيف أفران الصهر على أساس مصدر الطاقة
في السابق، كانت عملية صهر المعادن تعتمد على الفحم الخشبي كمصدر للطاقة الحرارية. وفي وقت لاحق، تم استخدام الفحم وفحم الكوك تدريجيا كبدائل. وفي العصر الحديث أصبحت المشتقات النفطية والطاقة الكهربائية من أكثر المصادر شيوعاً، على الرغم من استمرار استخدام جميع هذه المصادر بنسب متفاوتة، حسب حجم المصنع واحتياجات الإنتاج. يمكن تصنيف أفران الصهر حسب مصدر الطاقة المستخدم كما يلي:
أفران الوقود الصلب:
- فرن القبة: يستخدم بشكل أساسي لصهر الحديد، ويتكون من أسطوانة طويلة مصنوعة من الفولاذ. يتم تركيب الجزء السفلي على قواعد مطلية بالطوب الحراري، بينما يتصل الجزء العلوي بالمدخنة. يتم توفير الحديد وفحم الكوك والمواد المساعدة الأخرى إلى الفرن من خلال فتحة المدخل. تؤدي الحرارة الناتجة عن احتراق الفحم إلى ذوبان الحديد الذي يتجمع في حوض الفرن الموجود أسفل الأسطوانة قبل تصريفه في أحواض الصب.
- الفرن العاكس: يتكون هذا النوع من الأفران من حجرتين متجاورتين مصنوعتين من الطوب الحراري، متصلين بسقف واحد. ويساعد تصميمه على توجيه اللهب إلى الغرفة الثانية، المعروفة بحوض الفرن، حيث يستخدم في صهر أنواع مختلفة من المعادن، على الرغم من تراجع استخدامه في الآونة الأخيرة.
أفران الوقود السائل والغازي:
- فرن اللهب: يتكون من حوض طويل مصنوع من الطوب الحراري، يوجد في أحد طرفيه قناة مخصصة لخلط الغاز مع الهواء لإشعاله، ومن ثم نقله إلى حوض الصهر. ويتصل الطرف الآخر بالمدخنة التي تعمل على طرد الغازات الناتجة عن العملية.
- فرن البوتقة: عبارة عن أسطوانة فولاذية مجوفة، بها فتحة في الجزء العلوي متصلة بقناة اللهب. توضع المعادن المراد صهرها داخل بوتقة داخل الفرن، حيث يتم توجيه اللهب نحو البوتقة دون الاتصال المباشر بالمعادن. ويستخدم هذا النوع بشكل أساسي في المصانع التي تركز على إنتاج كميات محدودة.
الأفران الكهربائية:
تعتمد هذه الأفران على الطاقة الكهربائية لتسخين وصهر المعادن، ويتم ذلك من خلال إحدى الطرق التالية:
- التسخين بالمقاومة الكهربائية: يمكن أن يكون التسخين مباشرًا أو غير مباشر. وفي حالة التسخين المباشر، يتكون الفرن من أسطوانة مفرغة من الهواء مثبتة أفقيًا، ومتصلة كهربائيًا عبر عمود من الجرافيت يمتد على طوله. هذا يتسبب في تسخين المعدن وذوبانه. أما التسخين غير المباشر فيتم من خلال استخدام بوتقة مماثلة، إلا أنها محاطة بمقاومات كهربائية تمدها بالطاقة الحرارية اللازمة.
- أفران القوس الكهربائي: تتكون هذه الأفران من أسطوانة ذات قاعدة مقعرة وسقف محدب، تنفصل منها ثلاثة أقطاب كهربائية مصنوعة من الجرافيت الصلب، والتي تتراوح لأعلى ولأسفل، وتنتج حرارة كافية لصهر المعادن.