مقدمة في أفران التدفئة: المبدأ، الأنواع والتطبيقات

تُعد أفران التسخين ضرورية في مختلف الصناعات، بما في ذلك قطاعي التبلور والمعالجة، حيث يكون التحكم الدقيق في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. تقوم هذه الأفران بتحويل أشكال مختلفة من الطاقة إلى حرارة ونقلها إلى المواد باستخدام الإشعاع الحراري والحمل الحراري. ويؤثر التحكم في درجة الحرارة أثناء عمليات مثل نمو البلورات والترسيب السطحي تأثيرًا مباشرًا على جودة المنتج. تتحدث هذه المقالة عن المبادئ الأساسية لأفران التسخين وتستكشف الأنواع المختلفة من أفران التسخين، مع تسليط الضوء على خصائصها وتطبيقاتها الفريدة. سيساعد فهم هذه الأنواع في اختيار الفرن الأنسب للاحتياجات الصناعية المحددة.

المبدأ الأساسي لفرن التسخين

يشمل المبدأ الأساسي لفرن التسخين ما يلي: 1) تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية باستخدام التسخين بالمقاومة أو التسخين بالحث أو التسخين الإشعاعي، أو 2) تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية عن طريق عملية احتراق الوقود، والانتقال المنتظم للحرارة إلى المادة المراد تسخينها.

فرن التسخين مجهز بجهاز احتراق داخلي لاحتراق الوقود لإنتاج غاز مداخن عالي الحرارة. يتم تفريغ غازات المداخن من خلال مدخنة، في حين يمكن استخدام الحرارة المهدرة لغازات العادم في التسخين المسبق للهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق لتحسين الكفاءة الحرارية. ويمكن أيضًا أن يكون فرن التسخين مزودًا بنظام تحكم ومراقبة أوتوماتيكي للتحكم الدقيق في درجة الحرارة ووقت عملية التسخين. عادةً ما تستخدم أفران التسخين المستمر وقود الغاز أو الزيت الثقيل أو الفحم المسحوق، وبعضها يحرق الفحم المقطوع. من أجل الاستفادة الفعالة من حرارة غازات العادم، يتم تركيب مبادلات حرارية للتسخين المسبق للهواء والغاز في المداخن، أو يتم تركيب غلايات الحرارة المهدرة.

وفي إنتاج الحدادة والدرفلة، يتم تسخين القضبان بشكل عام في جو مؤكسد مع شعلة احتراق كامل. يمكن تحقيق استخدام الاحتراق غير الكامل للهب المختزل (أي "جو حماية ذاتية") لتسخين المعدن مباشرةً دون أكسدة أو أقل أكسدة. يُطلق على هذا النوع من التسخين اسم التسخين غير المؤكسد باللهب المكشوف أو التسخين غير المؤكسد باللهب المكشوف ويستخدم بنجاح في أفران القاع الدوارة وأفران الغرف.

هيكل فرن التسخين العام وفقًا لتوزيع درجة حرارة الفرن وطول الفرن على طول اتجاه قسم التسخين المسبق وقسم التسخين وقسم التسخين وقسم التسخين المتساوي. يكون قسم التسخين المسبق لدرجة حرارة الفرن أقل، ولكن أيضًا نهاية تغذية المواد الخام، ويتمثل دوره في استخدام حرارة غاز الفرن، لتحسين الكفاءة الحرارية للفرن. قسم التسخين هو قسم التسخين الرئيسي، ودرجة حرارة غاز الفرن أعلى، لتسهيل تحقيق التسخين السريع. يقع قسم التسخين المتساوي في نهاية التفريغ، والفرق في درجة الحرارة بين غاز الفرن ودرجة حرارة المواد المعدنية صغير جدًا، لضمان أن درجة حرارة القسم من البليت خارج الفرن موحدة.

الشكل 1 هيكل ومبدأ فرن التسخين بالفراغ

أنواع أفران التسخين وخصائصها

في الوقت الحاضر، يعتمد التصنيف الأكثر انتشارًا على شكل فرن التسخين واستخدامه في العملية، وينقسم إلى أفران تسخين مستمرة وأفران تسخين الغرفة. وتنقسم كل فئة كذلك إلى أنواع محددة.

أفران التسخين المستمر

تُستخدم معظم أفران التسخين المستمر لتسخين القضبان المعدنية قبل الدرفلة، ويستخدم عدد قليل منها للتشكيل والمعالجة الحرارية. السمة الرئيسية هي البليت في الفرن وفقًا لإيقاع حركة الدرفلة المستمرة، كما أن غاز الفرن في الفرن له تدفق مستمر. بشكل عام، في حجم المقطع من الشحنة والأنواع والعائد دون تغيير، لا تتغير درجة حرارة جميع أجزاء الفرن ودرجة حرارة المادة المعدنية في الفرن بمرور الوقت، وتتغير فقط على طول الفرن.

الشكل 2 فرن التسخين المستمر للصاج المكدس

تشتمل أفران التسخين المستمر على أفران من نوع الدفع، والأفران المتدرجة، والأفران الدوارة، وأفران الغرف. من بين هذه الأفران، غالبًا ما يتم ذكر الأفران من نوع الدفع على وجه التحديد عند مناقشة أفران التسخين المستمر.

1. فرن التسخين المستمر من نوع الدفع

يعمل فرن التسخين المستمر من النوع الدافع عن طريق دفع آلة الصلب لإكمال مهمة نقل المواد في الفرن لتسخين الفرن بشكل مستمر. تنزلق القضبان على الجزء السفلي من الفرن أو تنزلق مدعومة بأنابيب مبردة بالماء؛ وفي الحالة الأخيرة، يمكن تسخين القضبان على كلا الجانبين. عادةً ما تكون أنابيب المياه في قاع الفرن مغطاة بمادة عازلة لتقليل فقدان الحرارة. ولتقليل الانزلاق المبرد بالماء الناجم عن "العلامات السوداء" للجزء السفلي من القضبان المدعوم بجدار البناء الحراري، يسمى هذا الفرن "فرن مبرد بالماء".

2. فرن التسخين المستمر المتدرج

يقوم فرن التسخين المستمر المتدرج بتحريك قضبان المواد إلى الأمام بطريقة متدرجة، معتمدًا على الجزء السفلي من الفرن أو العوارض المعدنية المبردة بالماء. وتتضمن هذه الحركة خطوات للأمام وللأسفل وللخلف لتقدم القضبان عبر الفرن. هناك نوعان رئيسيان من هذا الفرن:

• فرن القاع المتدرج: يتميز بقاع ثابت وقاع متدرج.
• فرن الشعاع المتدرج: يتميز بعارضة ثابتة وعارضة متدرجة.

بالمقارنة مع الفرن من نوع الدفع، فإنه يتميز بالمزايا التالية: 1) النقل المرن للمواد، إذا لزم الأمر، يمكن تفريغ جميع مواد الفرن من الفرن؛ 2) يمكن تسخين القضبان في قاع الفرن أو الحزم على فترات زمنية متباعدة بشكل أسرع وموحد؛ 3) التخلص من عيوب تقوس الفرن من نوع الدفع والالتصاق، وبالتالي لا يخضع طول الفرن لقيود هذه العوامل.

3. فرن التسخين الدوراني القاع

يتميز فرن التسخين ذو القاع الدوار بهيكل فرن ثابت مع قاع دوار. تتحرك قضبان المواد الموضوعة على القاع الدوار من المدخل إلى المخرج أثناء دوران القاع. واعتمادًا على شكل القاع، يمكن تصنيف هذه الأفران إلى:

• الفرن الدائري: شائع الاستخدام في المصانع المعدنية.
• فرن على شكل قرص

تبلغ الطاقة الإنتاجية للفرن الدائري ذو القاع الدوار حوالي 75 طن في الساعة. هذا النوع من الأفران مناسب لتسخين المواد التي لا يمكن نقلها باستخدام طرق الدفع أو الطرق المتدرجة، مثل القضبان المستديرة، وقضبان العجلات والحواف، وقضبان التشكيل بالقالب قبل التشكيل، وأنواع وأطوال مختلفة أخرى من القضبان.

ومع ذلك، فإن أحد العيوب هو انخفاض معدل استخدام المساحة في الجزء السفلي من الفرن، حيث يتراوح إنتاج وحدة المساحة عادةً بين 350 إلى 400 كجم/م² في الساعة.

4. فرن التسخين السريع من نوع الغرفة

يتكون فرن التسخين السريع من نوع الغرفة من غرف تسخين متعددة مرتبة في خط. يتم فصل كل غرفة عن طريق غرف نقل مجهزة ببكرات البليت. وتمر القضبان، سواء كانت مفردة أو مزدوجة، من خلال غرف وغرف التسخين هذه، وتتلقى الحرارة طوال العملية. وتشكل كل غرفة تسخين والغرفة المجاورة لها معًا "قسم الفرن"، ومن ثم يشار إليه أيضًا باسم فرن القسم.

يمكن تسخين هذا النوع من الأفران بسرعة، مع القليل من الأكسدة وإزالة الكربنة، وهو مناسب لتسخين القضبان المستديرة وأنابيب الصلب. يمكن استخدام المطابقة مع مطحنة الكواكب، لتسخين لوح الصب المستمر؛ ويمكن أيضًا التسخين الموضعي لبعض الفولاذ.

العيب هو القدرة الإنتاجية المنخفضة لطول فرن الوحدة، والكفاءة الحرارية للفرن منخفضة.

أفران تسخين الغرفة

تستخدم أفران تسخين الغرفة لتسخين القضبان المعدنية أو السبائك قبل التشكيل. تسخين المواد لا يتحرك؛ الفرن غير مجزأ، ومتطلبات درجة الحرارة الموحدة في كل مكان، لتسخين السبائك الكبيرة باستخدام نظام درجة الحرارة الدورية (أي أن درجة حرارة الفرن مقسمة إلى فترة التسخين المسبق حسب الوقت، وفترة التسخين، وفترة التسخين المتساوي، وما إلى ذلك).

الشكل 3 نوع من أفران تسخين الغرفة الكبيرة

هناك نوعان من أفران التدفئة من نوع الغرفة: أفران من نوع الغرفة ذات القاع الثابت وأفران من نوع قاع السيارة.

1. فرن غرفة الغرفة الثابتة القاع

تبلغ مساحة قاع الفرن عمومًا 1 ~ 10 م 2. الشحن أكثر باليد أو الآلات البسيطة ؛ تسخين فرن غرفة الشغل الأكبر حجمًا، هناك أيضًا مجهزة خصيصًا بآلة شحن. وقود الفحم أو الزيت الثقيل أو الغاز. بعض الأفران في جدار الفرن تفتح فجوة، وتسمى القضبان من الفجوة في تسخين الفرن "أفران التماس"، وغالبًا ما تستخدم في قطع صغيرة من التسخين أو القضبان الطويلة في النهاية أو التسخين المحلي. هذا النوع من إنتاج وحدة المساحة السفلية للفرن عادة ما يكون إنتاج وحدة المساحة السفلية للفرن من 300 إلى 400 كجم / (م 2 - ساعة)، ويبلغ استهلاك وحدة الحرارة لكل طن من الفولاذ حوالي (1.0 ~ 1.5) × 106 كيلو كالوري.

2. فرن من نوع قاع السيارة

يتم استخدامه لوزن أكثر من عشرة أطنان إلى عدة مئات من الأطنان من السبائك الكبيرة في التشكيل قبل التسخين، ونوع الفرن للغرفة، أو نوع النفق. أجسام التسخين الموضوعة على العربة، التحميل والتفريغ خارج الفرن، بواسطة رافعة الورشة أو أجهزة الجر الأخرى لسحب العربة إلى الفرن أو سحبها خارج الفرن، متطلبات تسخين السبائك الكبيرة لتوزيع درجة حرارة الفرن موحدة، لذلك غالبًا ما يستخدم فرن السيارة من النوع السفلي للتسخين اللامركزي وعادم الدخان اللامركزي (الموقد ومخرج غاز المداخن تخطيط مشتت في الجدران الجانبية للفرن).

عوامل التصنيف الأخرى

يمكن أيضًا تصنيف أفران التدفئة بناءً على عوامل مختلفة تتجاوز الأنواع الأساسية المستمرة والحجرة. وتشمل هذه التصنيفات ما يلي:

1. هيكل الفرن: استنادًا إلى الشكل الخارجي للفرن، بما في ذلك الأفران الصندوقية، والأفران العلوية المائلة، والأفران الأسطوانية، والأفران الرأسية.

2. استخدام العملية: استنادًا إلى تطبيقات صناعية محددة، بما في ذلك الأفران الجوية، وأفران إزالة الضغط، والأفران الحفازة، وأفران التكويك، وأفران الهيدروجين، وأفران الأسفلت.

3. طريقة نقل الحرارة: استنادًا إلى كيفية نقل الحرارة، بما في ذلك أفران الإشعاع النقي وأفران الحمل الحراري النقي وأفران الحمل الحراري والإشعاع.

4. طرق التسخين: بناءً على طريقة التسخين المستخدمة، بما في ذلك الأفران الإشعاعية أحادية الجانب والأفران الإشعاعية ثنائية الجانب.

5. شكل الاحتراق وإمدادات الهواء: استنادًا إلى طرق الاحتراق وإمداد الهواء، بما في ذلك الأفران التي تعمل بالإشعاع السفلي والأفران التي تعمل بالهواء الجانبي والأفران التي تعمل بالهواء القسري وأفران إمداد الهواء الطبيعي.

6. الوقود المستخدم: بناءً على نوع الوقود المستخدم، بما في ذلك مواقد الزيت، ومواقد الغاز، ومواقد الوقود المزدوج.

7: الأنواع الخاصة: استنادًا إلى الأغراض الخاصة أو بيئات العمل، بما في ذلك أفران تسخين الرفع، وأفران المعالجة الحرارية، وأفران التفريغ ، وأفران الغلاف الجوي.

الخلاصة

لا يمكن الاستغناء عن أفران التسخين في الصناعات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة، مثل التبلور والصناعات التحويلية المختلفة. يمكن أن يساعد فهم المبادئ الأساسية لأفران التسخين وأنواعها وخصائصها في اختيار المعدات المناسبة لتطبيقات محددة. وسواءً باستخدام أفران التسخين المستمر أو أفران تسخين الغرف، فإن اختيار الفرن يؤثر على كفاءة وجودة عملية التسخين. للحصول على إرشادات وخبرة مفصلة، يمكن للمتخصصين الاستشاريين مثل أولئك الموجودين في Stanford Advanced Materials (SAM) تقديم مساعدة قيمة في اتخاذ قرارات مستنيرة.

المراجع:

[1] R. R. Gilman, Czochralski and Floating Zone Crystal Growth of Modern Materials, Springer, 2012.

[2] ج. مولر، "دليل نمو البلورات: نمو البلورات السائبة"، إلسيفيير، 2014.

[3] قوه تشين-مين، تشين تشي-هوي. تطوير وتطبيق تكنولوجيا ترسيب البخار في التصنيع الذري. Acta Phys. Sin., 2021, 70(2): 028101. doi: 10.7498/aps.70.70.20201436

[4] R. F. C. Farrow, "Molecular Beam Epitaxy: تطبيقات على المواد الرئيسية"، منشورات نويس، 1995.

[5] L. L. Chang و K. Ploog، "الحزمة الجزيئية الاستشعاعية الجزيئية والبنى المتغايرة"، سبرينجر، 2013.

[6] ليخ بافلوفسكي، "علم وهندسة الطلاء بالرش الحراري"، جون وايلي وأولاده، 2008.

[7] روبرت سي تاكر جونيور، "تكنولوجيا الرش الحراري"، كتيب ASM، المجلد 5A، ASM International، 2013.

[8] غيرد دبليو بيكر، "الأفران الصناعية: معدات المعالجة الحرارية"، Wiley-VCH، 2014.