أفران القوس الكهربائي لإنتاج الحديد والفولاذ:
يعتبر الحديد مادة أساسية في صناعات الآلات والتجهيزات وبناء المنشآت بمختلف أنواعها، لذلك يواجه إنتاجه اهتماماً كبيراً في الدول الصناعية والنامية على حد سواء، وتبعاً لهذه الأهمية تعددت الدراسات حول طرق إنتاج الحديد ومعالجته وتصنيعه، ونظراً للتوجه العالمي لإعادة تدوير المواد المستهلكة فقد تم التوجه نحوإعادة تدوير وإنتاج الحديد عن طريق استعمال الحديد الخردة الناتج عن مخلفات الصناعة والتجهيزات المعدنية غير الصالحة للاستخدام كمادة أولية للإنتاج، وتعتبر عملية التدوير هذه هامة وأساسية خاصة للبلدان غير القادرة على إنتاج الحديد من الفلزات والبلدان التي لا تملك أفران عالية لاستخلاص الحديد.
تستخدم الأفران القوسية في صناعة الحديد والفولاذ بشكل واسع، وتبدأ استطاعة هذه الأفران من عدة أطنان إلى أن تصل إلى مئات الأطنان (400tons) للفرن الواحد، وفي معامل صهر الحديد والفولاذ يمكن أن نجد فرناً واحداً أو عدة أفران، وبشكل أساسي تصهر هذه الأفران المعادن بتمرير تيار كهربائي من خلال أقطاب فحمية و أقطاب من الغرافيت.
1- آلية عمل أفران القوس الكهربائي:إن مرور التيار الكهربائي عند التسخين والصهر بواسطة القوس الكهربائي وتحول الطاقة الكهربائية إلى غازات أو أبخرة يحدد مقدار الطاقة الناتجة بواسطة القوس حسب قوانين انفراغ الغازات وإنتاج الالكترونات والأيونات.
وهناك أشكال مختلفة للتسخين بواسطة القوس؛ لكن ما يميّزها عن بعضها بشكل أساسي هو:
1- مميزة التيار- التوتر (مثل قوس تيار منخفض بميزة هابطة، وقوس تيار مرتفع بميزة صاعدة).
2- نوع التيار متناوب أو مستمر.
3- نوع مادة القطب.
4- طريقة الاستقرار (مثل قوس مستقر بواسطة القطب، وقوس مستقر بواسطة الجدار، وقوس مستقر بواسطة القطب والجدران معاً).
وتتميز أفران القوس مقارنة مع غيرها من طرق التسخين الكهربائي بما يلي:
1- إمكانية التسخين إلى درجة حرارة عالية قد تصل إلى 10,0000
2- كثافة طاقة عالية بطرق تحكم ليست معقدة.
3- تخفيض زمن الانصهار ورفع الإنتاجية من خلال أتمتة الإنتاج.
2- مكونات دارة فرن القوس الكهربائي:
إن أغلب الأفران الحالية ذات غطاء قابل للحركة بالإضافة إلى إمكانية الفتح، وبالتالي هناك إمكانية لإملائه كاملاً.
أما حوض الفرن فيصنع من الصفائح المستخدمة لصناعة المراجل ويتضمن فتحات، ويتم تغليف الحوض بمواد خاصة كالسيليكا.
ومن الأجزاء الهامة في الفرن مجموعة رفع الأقطاب، التي يتم رفعها وإنزالها كهربائياً أو هيدروليكياً، ويتبع لهذه المجموعة نظام تبريد وعزل الأقطاب أيضاً.
يحدد قياس الأقطاب ونوع مادتها وحالة الطبقة الخارجية لها مقدار الضياعات الكهربائية فيها، ويستخدم لوصل كوابل التغذية مع الأقطاب الفولاذ أو النحاس أو الحديد المصبوب ذو اللون الأحمر، وتقتصر الأفران الكبيرة على استخدام النحاس من أجل مثل هذه التوصيلات.
1-2 محولة الفرن:تعتبر محولة الفرن العنصر الأهم في الشبكة وهي التي تحدد مقدار كلفته، وتستخدم لهذه الغاية المحولات ثلاثية الطور ذات قابلية زيادة التحميل العالية والقابلة للعمل تحت عملية الصهر لزمن يصل إلى 1:30h، وتكون المحولات المستخدمة ذات نواة مصنوعة من الصفائح، بحيث يكون عدد اللفات فيالطرف الثانوي ثابتاً ولملائمة هذه المحولات مع ظروف العمل يجب الانتباه إلى أن التوتر على الطرف الثانوي يتأرجح بشكل عام بين (900 / 70 v) وفي قفزات متتالية تتراوح ما بين ( min 25 – 15) باستطاعات (MVA 160 + 0.4).
ويكون الطرف الابتدائي قابل لتغيير التوصيلة المثلثية إلى توصيلة نجمية، وتبقى توصيلة الثانوي ثابتة، وقد يصل تيار الثانوي إلى KA 100، أما نواقل التيار في هذه الحالة فتكون نحاسية على شكل صفائح قابلة للتبريد بواسطة الماء.
وهناك طرق عدة لتغيير عدد اللفات في الطرف الابتدائي، حيث تستخدم المبدلات الدوارة في الأفران الصغيرة وقواطع الاستطاعة للأفران الكبيرة.
2-2- الأقطاب:تستخدم الأقطاب الفحمية للأفران الصغيرة، والأقطاب الغرافيتية للأفران عالية الاستطاعة، وتقوم الأقطاب بإيصال التيار إلى داخل حوض الصهر ويحدث القوس الكهربائي بينهما، ولتصرفها الكهربائي والحراري دور كبير في تحديد عملية الصهر.ويصل معدل الاستهلاك من الأقطاب إلى 16Kg / MWh للفحم، و 7Kg / MWh للغرافيت، ويتعلق قطر القطب بقياس الفرن واستطاعته ويخضع اختيارها لمواصفات قياسية عالمية أي نسبة قطر دائرة الأقطاب إلى قطر دائرة القطب الواحد يساوي من (3 – 3.5).
أ- الأقطاب الفحمية: وهي تصنع من مزيج من الانترازيت (Anthrazit) والفحم التبردي والقطران ومنتجات أخرى، حيث تشكل في قوالب وتضغط ثم تعرّض لحرارةحوالي °1400C.وتبلغ المقاومة النوعية لها 30 – 80 Ω⋅mm² / cm.والوزن النوعي g/cm³ 1.6 + 1.5والناقلية الحرارية عند الدرجة °1000K حوالي °58W/m.K
ب- أقطاب الغرافيت: يتم تصنيع أقطاب الغرافيت من الفحم بتعريضه لدرجة حرارة تزيد عن C° 2500 في أفران التقسية ذات المقاومات، ويصل معدل استهلاك الطاقةأثناء هذا التصنيع حوالي 7000kWh/t.
وتبلغ المقاومة النوعية لأقطاب الغرافيت من 7 – 12 Ω⋅mm² / cm.والوزن النوعي 1٫55 – 1٫70g/cm³ويتم تحسين خواص الأقطاب بواسطة إكساء السطح الخارجي بطبقة خاصة.
المصدر: كتاب استثمار الطاقة الكهربائية – منشورات جامعة حلبد.عبد الرحمن الحسن / أستاذ مساعد في قسم هندسة نظم القدرة
إعداد:خالد المصري
حول الكاتب
