عملية صهر المعادن
تعرف عملية الصهر بأنها الإجراء الذي يتم من خلاله تحويل المواد الصلبة، مثل المعادن، إلى حالة سائلة. يتم ذلك باستخدام درجات حرارة تتجاوز درجات الانصهار الخاصة بهذه المواد. يهدف الصهر عادة إلى تنقية المعادن من الشوائب، أو لخلق خلائط معدنية تتمتع بخصائص جديدة ومختلفة عن المعادن الأصلية، أو قد يتم استخدامه لصب المعادن في قوالب مخصصة لتصنيع أدوات ومنتجات معدنية. وتستخدم في هذه العملية أفران مصممة خصيصًا لهذا الغرض، مصنوعة من مواد مقاومة للحرارة. في هذا المقال، سنستعرض بعض أنواع الأفران المستخدمة في صهر المعادن.
أنواع أفران الصهر بحسب مصدر الطاقة المستخدم
في البداية، استخدم الفحم الخشبي كمصدر للطاقة لتوليد الحرارة المطلوبة لعملية الصهر. بعد ذلك، بدأ استخدام الفحم الحجري وفحم الكوك تدريجيًا لهذا الغرض. حاليًا، تعتبر مشتقات النفط والطاقة الكهربائية الأكثر استخدامًا، مع استمرار استخدام كل هذه المصادر بمعدل مختلف بحسب حجم المصنع وكميات الإنتاج المطلوبة. تُصنف أفران الصهر وفقًا لمصدر الطاقة المستخدم على النحو التالي:
أفران الوقود الصلب:
- الفرن المقبّب: يُستخدم بشكل خاص في صهر الحديد، ويتكون من أسطوانة طويلة مصنوعة من الفولاذ، حيث تثبت نهايته السفلية على قواعد محاطة بالآجر الحراري. تتصل نهايته العلوية بالمدخنة وفتحة الإمداد التي تُستخدم لتزويد الفرن بالحديد وفحم الكوك ومساعدات الصهر، حيث ينصهر الحديد بفعل الحرارة الناتجة عن احتراق الفحم، ويتجمع المصهور في حوض الفرن في الجزء السفلي، ثم يُفرغ في أحواض الصب.
- الفرن العاكس للهب: يتكون هذا الفرن من حجرتين مجاورتين مصنوعة من الآجر الحراري، وتجمعهما سقف واحد. يساعد تصميمه في توجيه اللهب من الحجرة الأولى، المعروفة بالموقد، إلى الحجرة الثانية التي تُعرف بحوض الفرن. يُستخدم هذا النوع من الأفران في صهر المعادن المختلفة، رغم تراجع استخدامه في العصر الحديث.
أفران الوقود السائل والغازي:
- الفرن ذو اللهب: يتكون من حوض طويل من الآجر الحراري والتربة الحرارية، وتوجد في أحد نهاياته قناة تُعرف بقناة اللهب، حيث يتم خلط الغاز بالهواء لإشعاله قبل نقله إلى حوض الصهر، بينما تتواجد في النهاية الأخرى المدخنة التي تخرج منها الغازات.
- فرن البوتقة: يتكون من أسطوانة مجوفة من الفولاذ، تحتوي على فتحة في الجهة العلوية ترتبط بقناة اللهب. توضع المعادن المراد صهرها في بوتقة داخل الفرن، ويُسلط اللهب على البوتقة دون ملامسة المعادن عمومًا. يُستخدم هذا النوع في المصانع ذات الإنتاج المحدود.
الأفران الكهربائية:
تعتمد الأفران الكهربائية على الطاقة الكهربائية لتسخين المعادن وصهرها، ويتم ذلك بواسطة طرق التسخين التالية:
- التسخين بالمقاومة الكهربائية، حيث يمكن أن يكون التسخين مباشرًا أو غير مباشر. في حالة التسخين المباشر، يتكون الفرن من أسطوانة فارغة مثبتة بشكل أفقي على دحارج، وترتبط بمصدر التيار الكهربائي عبر عمود مصنوع من الغرافيت يمتد على طول المحور، مما يؤدي لارتفاع درجة حرارة المعادن وصهرها. أما في حالة التسخين غير المباشر، فتُستخدم بوتقة مشابهة للبوتقات المستخدمة في أفران الوقود السائل، إلا أنها مُحاطة بمقاومات كهربائية تمدها بالطاقة الحرارية اللازمة.
- أفران القوس الكهربائي: يتكون هذا النوع من الأفران من أسطوانة ذات قاعدة مقعرة وسقف محدب، حيث تُستخدم لإدخال المعادن من الأعلى. وتتدلى منها ثلاثة أقطاب مصنوعة من الغرافيت الصلب، تتحرك لأعلى ولأسفل، مُنتجةً الحرارة اللازمة لعملية صهر المعادن.