فرن المجمرة المكشوفة
فرن المجمرة المكشوفة إنگليزية: Open hearth furnaces هو أحد أنواع الأفران التي يتم فيها حرق الكربون الزائد والشوائب الأخرى من الحديد الغفل لإنتاج الصلب. لصعوبة إنتاج الصلب، نظراً لارتفاع درجة انصهاره، فكان الوقود والأفران العادية غير كافية لتوليد الحرارة اللازمة لصهر الصلب. لذا تم اختراع فرن المجمرة المكشوفة للتغلب على هذه الصعوبة. أغلق معظم أفران المجمرة المكشوفة قبل تسعينات القرن العشرين بسبب عدم كفاءة الوقود، واستعيض عنها بأفران الأكسجين القاعدي أو أفران القوس الكهربي.
تقنياً، كان أول فرن مجمرة مكشوفة بدائي "الكير الكاتالاني"، الذي اخترع في إسبانيا في القرن الثامن، ولكن من المعتاد أن يقتصر استخدام وصف فرن المجمرة المكشوفة على تلك الأفران التي أخترعت في القرن التاسع عشر.
اكتسبت هذه الطريقة اسم المجمرة المكشوفة لأن مجمرة هذا الفرن مفتوحة ومُعرَّضة مباشرة للّهب الذي يصهر الشحنة. ويُبطن الفرن بالطوب الحراري وتغطى المجمرة بسقف منخفض في صورة قبو. ويبلغ طول فرن المجمرة المكشوفة حوالي 27م بينما يبلغ عرضه تسعة أمتار. وتوجد في مصانع الفولاذ التي تستخدم أفران المجمرة المكشوفة عادة، عدة أفران متلاصقة معًا حيث تلاصق نهاية الفرن الأول بداية الفرن التالي في مبنى واحد. ويشحن العمال أفران المجمرة المكشوفة من أبواب موجودة على أحد الجوانب، بينما يصب الفولاذ من الجهة المقابلة عند الطابق الأسفل.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
فرن سيمنز التدويري
إخترع كارل ڤيلهلم سيمنز، فرن سيمنز في منتصف القرن التاسع عشر، وأعلن في عام 1857 أنه يمكنه إعادة استخدام الحرارة الناتجة من الفرن لتوفير 70-80% من الوقود. هذا الفرن يعمل في درجات حرارة عالية عن طريق التسخين المُسبق للوقود والهواء اللازمان لعملية الاحتراق. يتم التسخين المُسبق، عن طريق إدخال الغازات الناتجة عن الفرن، وضخها في غرفة تحتوي على الطوب، حيث يتم نقل الحرارة من الغازات إلى الطوب. ثم يتم عكس اتجاه سير الغازات في الفرن بحيث يمر الوقود والهواء عبر الغرفة ويكتسبا حرارة الطوب. ويمكن من خلال هذا الأسلوب، تصبح درجات الحرارة مرتفعة بما يكفي في فرن المجمرة المكشوفة لإذابة الصلب، وإن كان سيمنز لم يكن ينوي استخدامه لهذا السبب في باديء الأمر.
استخدامه في صناعة الصلب
في عام 1865، حصل المهندس الفرنسي پيير-إميل مارتان على ترخيص من سيمنز، واستخدم الفرن لصناعة الصلب. عرفت تلك العملية باسم عملية سيمنز - مارتن ، وعرف الفرن باسم فرن المجمرة المكشوفة . تعد أهم مميزات فرن سيمنز هي قدرته على الإنتاج السريع لكميات كبيرة من الصلب القاعدي، المستخدم في بناء ناطحات السحاب. تبلغ سعة الفرن من 50 إلى 100 طن، ولكن في بعض الأحيان تصل إلى 250 أو حتى 500 طن. عملية سيمنز-مارتان تتمم طريقة بسمر ولا تستعيض عنها. وهي بطيئة مما يجعل من السهل السيطرة عليها. كما يمكن استخدامها لصهر كميات كبيرة من الخردة، مما يخفض من تكاليف إنتاج الصلب، يعيد تدوير الخردة التي يصعب التخلص منها.
حلّ فرن الأكسجين القاعدي محل فرن المجمرة المكشوفة. ففي الولايات المتحدة، توقف إنتاج الصلب باستخدام أفران المجمرة المكشوفة بحلول عام 1992. أما أكثر الدول استخداماً لأفران المجمرة المكشوفة الآن هي أوكرانيا حيث لا يزال (50 %) من إنتاجها ينتج من أفران المجمرة المكشوفة[1].
ويوجد في كل طرف من أطراف فرن المجمرة المكشوفة حارق للوقود وغرفة يطلق عليها غرفة المضلعات. وتحتوي هذه الحجرات على رصّات من الطوب الحراري منسقة في نمط مضلع. ووجود هذه التضليعات هو الذي يمد الفرن بالعديد من المسارات التي يمكن للهواء والغازات الفاقدة أن تنساب خلالها. وبينما يحترق الموقد عند أحد الأطراف فإن غازات العادم تسحب خلال غرفة المضلعات في الطرف الآخر. وهكذا فإن غازات العادم الساخنة ترفع درجة حرارة غرفة المضلعات أثناء مرورها في الفرن. وينطفئ الموقد في الفرن بصفة أتوماتيكية كل خمس عشرة دقيقة، ومع انطفائه ينعكس اتجاه سريان الغازات في الفرن. ولهذا يسخن الهواء في طريقه إلى المجمرة أثناء مروره بحجرة المضلعات الساخنة. وتحتوي معظم أفران المجمرة المكشوفة أيضًا على رمح للأكسجين في سقف الفرن، حيث يضغط الأكسجين النقي المطلوب للفرن خلال هذا الرمح، ويساعد ذلك على رفع درجة حرارة الشحنة والإسراع في عملية الصهر.
ويمكن لأفران المجمرة المكشوفة صهر حديد التمساح والخردة بنسب مختلفة، لكن معظم مصانع الفولاذ تستخدم نسبًا متساويةً من كل من حديد التمساح والخردة. وفي البداية تقوم آلة شحن بتعبئة الحجر الجيري وخردة الفولاذ في الفرن، وبعد انصهارهما يصب الحديد التمساح المنصهر في الفرن. وباستمرار عملية التسخين يتفاعل معظم الكربون في الحديد مع الأكسجين. مكونًا غاز أول أكسيد الكربون، كما تتأكسد أيضًا الشوائب الأخرى في الشحنة مكونة الخبث. وتؤخذ عينات من الفولاذ المنصهر في فترات مختلفة من مرحلة التصنيع لتحليلها والتعرف على تركيب الفولاذ في المراحل المختلفة. كما يساعد التحليل في تقرير مدى الحاجة لإضافة مواد أخرى للحصول على فولاذ ذي تركيب معين.
ولصب الفولاذ يقوم العمال بتحطيم محبس السدادة مستخدمين في ذلك كمية صغيرة من المتفجرات، حيث ينساب عندئذ الفولاذ إلى مغرفة صب كبيرة. ويمكن في هذه اللحظات إضافة العناصر السبائكية أو عناصر إزالة الأكسجين من الفولاذ. وعند ظهور الخبث فإنه يفيض من جوانب مغرفة الصب إلى وعاء أصغر يطلق عليه كشتبان الخبث.
وتستخدم طريقة فرن المجمرة المكشوفة وقودًا زيتيًا مكلفًا، كما أن معدل إنتاج الفولاذ فيها أقل بكثير من معدل الإنتاج في الطرق الأخرى، بالإضافة إلى أن هذه الطريقة تولد أحجامًا ضخمة من المخلفات الغازية التي يجب تنظيفها قبل انطلاقها إلى الأجواء المحيطة، للتحكم في تلوث الهواء. ولهذه الأسباب مجتمعة فقد تدنى استخدام طريقة المجمرة المكشوفة في إنتاج الفولاذ، منذ منتصف القرن العشرين الميلادي، بينما كانت في فترة من الفترات هي الطريقة الأساسية لإنتاج الفولاذ.
الهامش
للاستزادة
- K. Barraclough, Steelmaking 1850–1900 (Institute of Metals, London 1990), 137–203.
- W. K. V. Gale, Iron and Steel (Longmans, London 1969), 74–77.
وصلات خارجية
- Precursors to the Blast Furnace
- "Administering Doses of Liquid Iron to Steel Furnaces", Popular Science, February 1919, page 64, scanned by Google Books.