فرن القوس الكهربائي

فرن القوس الكهربائي ( EAF ) هو فرن يقوم بتسخين المواد عن طريق القوس الكهربائي .

تتفاوت أحجام أفران القوس الكهربائي الصناعية من وحدات صغيرة بسعة طن واحد تقريبًا (تُستخدم في مصانع الصب لإنتاج منتجات الحديد الزهر ) إلى وحدات بسعة 400 طن تقريبًا تُستخدم في صناعة الصلب الثانوية . أما أفران القوس الكهربائي المستخدمة في مختبرات الأبحاث وعيادات طب الأسنان ، فقد لا تتجاوز سعتها بضع عشرات من الغرامات. ويمكن أن تصل درجة حرارة أفران القوس الكهربائي الصناعية إلى 1800 درجة مئوية (3300 درجة فهرنهايت) ، بينما قد تتجاوز درجة حرارة الوحدات المختبرية 3000 درجة مئوية (5400 درجة فهرنهايت) .    

في أفران القوس الكهربائي، تتعرض المادة الموجودة داخل الفرن (والتي تُسمى الشحنة) مباشرةً لقوس كهربائي، ويمر التيار من أطراف الأقطاب الكهربائية عبر مادة الشحنة. وتختلف أفران القوس عن أفران الحث ، التي تستخدم التيارات الدوامية لتسخين الشحنة.

في القرن التاسع عشر، استخدم عدد من الأشخاص القوس الكهربائي لصهر الحديد . وقد أثبت فاسيلي فلاديميروفيتش بيتروف إمكانية استخدام القوس الكهربائي لصهر المعادن في عام 1803. وأجرى السير همفري ديفي تجربة عملية في عام 1810؛ وبحث ويليام هاسلدين بيبس في اللحام في عام 1815؛ وحاول بينشون ابتكار فرن كهروحراري في عام 1853؛ وفي عامي 1878-1879، حصل السير ويليام سيمنز على براءات اختراع لأفران كهربائية من نوع القوس.

اخترع جيمس بورغيس ريدمان أول فرن ناجح وقابل للتشغيل في إدنبرة ، اسكتلندا، عام 1888 وحصل على براءة اختراع عام 1889. وكان هذا الفرن مخصصًا تحديدًا لإنتاج الفوسفور . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

قام بول هيرولت ، من فرنسا ، بتطوير المزيد من أفران القوس الكهربائي، وأنشأ مصنعًا تجاريًا لها في الولايات المتحدة عام 1907. وأسس الأخوان ساندرسون شركة ساندرسون براذرز للصلب في سيراكيوز، نيويورك، وقاما بتركيب أول فرن قوس كهربائي في الولايات المتحدة. هذا الفرن معروض الآن في ستيشن سكوير، بيتسبرغ، بنسلفانيا. ^{[ 3 ]}

كان "الفولاذ الكهربائي" المُنتَج في البداية بواسطة فرن القوس الكهربائي منتجًا متخصصًا يُستخدم في تطبيقات مثل أدوات الآلات وفولاذ الزنبرك . كما استُخدمت أفران القوس الكهربائي لتحضير كربيد الكالسيوم لاستخدامه في مصابيح الكربيد . يُعد فرن ستاسانو الكهربائي فرنًا من نوع القوس الكهربائي ، وعادةً ما يدور لخلط المحلول. أما فرن جيرو، فهو مشابه لفرن هيرولت .

بينما استُخدمت أفران القوس الكهربائي على نطاق واسع خلال الحرب العالمية الثانية لإنتاج سبائك الصلب، لم يبدأ التوسع في صناعة الصلب الكهربائية إلا لاحقًا. وقد سمحت التكلفة الرأسمالية المنخفضة للمصانع الصغيرة - حوالي 140-200 دولار أمريكي للطن من الطاقة الإنتاجية السنوية المركبة، مقارنةً بـ 1000 دولار أمريكي للطن من الطاقة الإنتاجية السنوية المركبة لمصانع الصلب المتكاملة - بإنشاء المصانع بسرعة في أوروبا التي مزقتها الحرب، كما سمحت لها بالتنافس بنجاح مع شركات صناعة الصلب الأمريكية الكبرى ، مثل بيثليم ستيل ويو إس ستيل ، على منتجات الصلب الكربوني الطويلة منخفضة التكلفة ( الصلب الإنشائي ، والقضبان، والأسلاك ، والمثبتات ) في السوق الأمريكية.

اعتبارًا من يناير 2022، كانت شركة نوكور من أكبر منتجي الصلب في الولايات المتحدة. ^{[ 4 ]} دخلت الشركة سوق منتجات الصلب الطويلة عام 1969، مستخدمةً مصنعًا صغيرًا مزودًا بفرن القوس الكهربائي (EAF) لصناعة الصلب، وسرعان ما حذت شركات أخرى حذوها. وبينما توسعت نوكور بسرعة في شرق الولايات المتحدة، ركزت الشركات التي حذت حذوها في تشغيل المصانع الصغيرة على الأسواق المحلية للمنتجات الطويلة، حيث سمح فرن القوس الكهربائي للمصانع بتنويع الإنتاج وفقًا للطلب المحلي. وقد اتُبع هذا النمط عالميًا، حيث استُخدم إنتاج الصلب بواسطة فرن القوس الكهربائي بشكل أساسي للمنتجات الطويلة، بينما استحوذت المصانع المتكاملة، التي تستخدم أفران الصهر وأفران الأكسجين الأساسية ، على أسواق "المنتجات المسطحة" - صفائح الصلب وألواح الصلب الثقيلة.

في عام 1987، توسعت شركة نوكور لتشمل سوق المنتجات المسطحة، مع استمرارها في استخدام طريقة إنتاج فرن القوس الكهربائي. ^{[ 5 ]}

يتكون فرن القوس الكهربائي المستخدم في صناعة الصلب من وعاء مبطن بمادة حرارية ، وعادةً ما يكون مبردًا بالماء في الأحجام الكبيرة، ومغطى بسقف قابل للسحب، ويدخل من خلاله قطب كهربائي واحد أو أكثر من الجرافيت إلى الفرن. ^{[ 6 ]} وينقسم الفرن بشكل أساسي إلى ثلاثة أقسام:

• الغلاف ، الذي يتكون من الجدران الجانبية و"الوعاء" الفولاذي السفلي؛
• الموقد ، الذي يتكون من المادة المقاومة للحرارة التي تبطن الجزء السفلي من الوعاء؛
• السقف ، الذي قد يكون مبطناً بمادة حرارية أو مبرداً بالماء، ويمكن أن يكون على شكل جزء من كرة ، أو على شكل مخروط ناقص . كما يدعم السقف أيضاً المثلث الحراري في مركزه، والذي يدخل من خلاله قطب كهربائي واحد أو أكثر من الجرافيت .

قد يكون الموقد نصف كروي الشكل، أو في فرن ذي قاع غير مركزي (انظر أدناه)، يكون الموقد على شكل نصف بيضة. في مصانع الصهر الحديثة، غالبًا ما يُرفع الفرن عن الأرض، ليسهل تحريك المغارف وأواني الخبث أسفل طرفي الفرن. يوجد بشكل منفصل عن هيكل الفرن دعامة الأقطاب الكهربائية والنظام الكهربائي، والمنصة المائلة التي يستقر عليها الفرن. هناك تصميمان ممكنان: إما أن تكون دعامات الأقطاب الكهربائية وسقف المنصة المائلة متجاورين مع الفرن، أو مثبتة على المنصة المرتفعة.

يُغذّى فرن التيار المتردد النموذجي بمصدر كهربائي ثلاثي الأطوار ، ولذلك يحتوي على ثلاثة أقطاب كهربائية. ^{[ 7 ]} الأقطاب الكهربائية دائرية المقطع، وعادةً ما تكون على شكل أجزاء متصلة بوصلات ملولبة، بحيث يمكن إضافة أجزاء جديدة عند تآكل الأقطاب. يتشكل القوس الكهربائي بين المادة المشحونة والقطب الكهربائي؛ حيث تُسخّن الشحنة بفعل التيار المارّ فيها والطاقة الإشعاعية المنبعثة من القوس. تصل درجة حرارة القوس الكهربائي إلى حوالي 3000 درجة مئوية (5400 درجة فهرنهايت) ، مما يجعل الأجزاء السفلية من الأقطاب متوهجة أثناء التشغيل. ^{[ 8 ]} تُرفع الأقطاب وتُخفض تلقائيًا بواسطة نظام تحديد المواقع، والذي قد يستخدم رافعات كهربائية أو أسطوانات هيدروليكية . يحافظ نظام التنظيم على ثبات التيار والطاقة المدخلة تقريبًا أثناء صهر الشحنة، حتى وإن تحركت الخردة أسفل الأقطاب أثناء انصهارها. يمكن أن تحمل أذرع الصاري التي تحمل الأقطاب الكهربائية قضبان توصيل ثقيلة (قد تكون أنابيب نحاسية مجوفة مبردة بالماء تنقل التيار إلى مشابك الأقطاب الكهربائية) أو أن تكون "أذرعًا ساخنة"، حيث يحمل الذراع بأكمله التيار، مما يزيد من الكفاءة. يمكن صنع الأذرع الساخنة من الفولاذ المطلي بالنحاس أو الألومنيوم . تربط كابلات كبيرة مبردة بالماء أنابيب التوصيل أو الأذرع بالمحول الموجود بجوار الفرن. يُركّب المحول في قبو ويُبرّد بزيت محولات يُضخّ بواسطة مضخة، حيث يُبرّد الزيت بالماء عبر مبادلات حرارية. ^{[ 6 ]}  

يُبنى الفرن على منصة قابلة للإمالة، مما يسمح بسكب الفولاذ السائل في وعاء آخر لنقله. تُسمى عملية إمالة الفرن لسكب الفولاذ المنصهر "الصب". في الأصل، كانت جميع أفران صناعة الصلب مزودة بفتحة صب مغلقة بمادة حرارية تُغسل عند إمالة الفرن، ولكن غالبًا ما تحتوي الأفران الحديثة على فتحة صب سفلية لا مركزية (EBT) لتقليل دخول النيتروجين والخبث إلى الفولاذ السائل. تحتوي هذه الأفران على فتحة صب تمر عموديًا عبر الموقد والجدار، وتقع خارج المركز في "أنف" الموقد البيضاوي الشكل. تُملأ هذه الفتحة برمل حراري، مثل الأوليفين ، عند إغلاقها. قد تحتوي المصانع الحديثة على جدارين مزودين بمجموعة واحدة من الأقطاب الكهربائية التي يمكن نقلها بينهما؛ يُستخدم أحد الجدارين لتسخين الخردة مسبقًا، بينما يُستخدم الجدار الآخر للصهر. تتميز أفران أخرى تعمل بالتيار المستمر بترتيب مشابه، ولكنها تحتوي على أقطاب كهربائية لكل جدار ومجموعة واحدة من الإلكترونيات.

تُظهر أفران التيار المتردد عادةً نمطًا من البقع الساخنة والباردة حول محيط الموقد، حيث تقع البقع الباردة بين الأقطاب الكهربائية. تُركّب في الأفران الحديثة مواقد تعمل بالأكسجين والوقود في الجدار الجانبي، وتُستخدم لتوفير الطاقة الكيميائية للبقع الباردة، مما يجعل تسخين الفولاذ أكثر تجانسًا. تُوفّر طاقة كيميائية إضافية عن طريق حقن الأكسجين والكربون في الفرن؛ تاريخيًا، كان يتم ذلك من خلال أنابيب مجوفة من الفولاذ الطري ^{[ 9 ]} في باب الخبث، ولكن الآن يتم ذلك بشكل أساسي من خلال وحدات حقن مثبتة على الجدار تجمع بين مواقد الأكسجين والوقود وأنظمة حقن الأكسجين أو الكربون في وحدة واحدة.

يحتوي فرن حديث متوسط ​​الحجم لصناعة الصلب على محول كهربائي بقدرة 60 مليون فولت أمبير (60  ميجا فولت أمبير)، بجهد ثانوي يتراوح بين 400 و900 فولت وتيار ثانوي يزيد عن 44000 أمبير. في مصنع حديث، يُتوقع أن ينتج هذا الفرن 80 طنًا من الصلب السائل في غضون 50 دقيقة تقريبًا، بدءًا من تعبئته بالخردة الباردة وحتى فتح الفرن. في المقابل، يمكن أن تصل سعة أفران الأكسجين الأساسية إلى 150-300 طن لكل دفعة، أو "حرارة"، ويمكنها إنتاج الحرارة في غضون 30-40 دقيقة. توجد اختلافات كبيرة في تفاصيل تصميم الأفران وتشغيلها، اعتمادًا على المنتج النهائي والظروف المحلية، بالإضافة إلى الأبحاث المستمرة لتحسين كفاءة الفرن. أكبر فرن مخصص للخردة فقط (من حيث وزن الصب وتصنيف المحول) هو فرن تيار مستمر تشغله شركة طوكيو ستيل في اليابان، بوزن صب يبلغ 420 طنًا ويتم تغذيته بواسطة ثمانية  محولات 32 ميجا فولت أمبير للحصول على  طاقة إجمالية تبلغ 256 ميجا فولت أمبير.

يتطلب إنتاج طن واحد من الفولاذ في فرن القوس الكهربائي حوالي 400 كيلوواط ساعة (1.44 جيجا جول ) لكل طن قصير ، أو حوالي 440  كيلوواط ساعة (1.6  جيجا جول) لكل طن . الحد الأدنى النظري للطاقة اللازمة لصهر طن واحد من خردة الفولاذ هو 300  كيلوواط ساعة (1.09  جيجا جول) (نقطة الانصهار 1520 درجة مئوية (2768 درجة فهرنهايت) ). لذلك، سيحتاج فرن القوس الكهربائي الذي يزن 300 طن بقدرة 300 ميجا فولت أمبير إلى حوالي 132 ميجاواط ساعة من الطاقة لصهر الفولاذ، ومدة تشغيل (مدة صهر الفولاذ بالقوس) تبلغ حوالي 37 دقيقة. ^{[ 10 ]}    

لا يُعدّ إنتاج الصلب بالقوس الكهربائي اقتصاديًا إلا في المناطق التي تتوفر فيها الكهرباء بوفرة وموثوقية، مع وجود شبكة كهربائية متطورة. في العديد من المواقع، تعمل المصانع خلال ساعات انخفاض الطلب على الكهرباء، عندما يكون لدى شركات الكهرباء فائض في قدرة توليد الطاقة ويكون سعر الكهرباء أقل. وهذا يُعدّ مُجديًا للغاية مقارنةً باستهلاك الطاقة لإنتاج الصلب العالمي بجميع الطرق، والذي يُقدّر بنحو 5555 كيلوواط ساعة (20 جيجا جول) للطن الواحد ^{[ 10 ]} (الجيجا جول الواحد يُعادل تقريبًا 278  كيلوواط ساعة).

تُنقل الخردة المعدنية إلى منطقة تجميعها، المجاورة لمحطة الصهر. وتأتي الخردة عادةً في نوعين رئيسيين: خردة مُقطّعة ( أجهزة منزلية ، سيارات، وغيرها من الأشياء المصنوعة من فولاذ خفيف مماثل) وخردة ثقيلة (ألواح وعوارض كبيرة)، بالإضافة إلى بعض الحديد المختزل المباشر أو الحديد الزهر لتحقيق التوازن الكيميائي. وتُصهر بعض الأفران ما يقارب 100% من الحديد المختزل المباشر.

تُحمّل الخردة في دلاء كبيرة تُسمى سلالًا، ذات قاعدة تُفتح على شكل صدفة. يُراعى ترتيب الخردة في السلة على شكل طبقات لضمان كفاءة عمل الفرن؛ حيث تُوضع طبقة سميكة من المعدن المنصهر فوق طبقة رقيقة من الخردة الواقية، ثم تُوضع فوقها طبقة أخرى من الخردة. يجب أن تبقى هذه الطبقات موجودة في الفرن بعد التحميل. بعد التحميل، قد تُنقل السلة إلى مُسخّن الخردة المُسبق، الذي يستخدم غازات العادم الساخنة من الفرن لتسخين الخردة واستعادة الطاقة، مما يزيد من كفاءة المصنع.

تُنقل سلة الخردة بعد ذلك إلى ورشة الصهر، ويُزال سقف الفرن، ثم يُملأ الفرن بالخردة من السلة. تُعدّ عملية التعبئة من أخطر العمليات بالنسبة لمشغلي أفران القوس الكهربائي. إذ تُطلق كميات هائلة من الطاقة الكامنة نتيجة سقوط أطنان من المعدن؛ وغالبًا ما يُزاح المعدن السائل الموجود في الفرن إلى الأعلى والخارج بفعل الخردة الصلبة، كما أن الشحوم والغبار المتراكم على الخردة يشتعل إذا كان الفرن ساخنًا، مما يؤدي إلى انفجار كرة نارية.

في بعض الأفران ذات الغلاف المزدوج، تُشحن الخردة إلى الغلاف الثاني أثناء صهر الأول، ويتم تسخينها مسبقًا باستخدام الغازات المنبعثة من الغلاف النشط. وتشمل العمليات الأخرى الشحن المستمر - تسخين الخردة مسبقًا على سير ناقل، والذي بدوره يُفرغها في الفرن نفسه، أو شحن الخردة من عمود مثبت فوق الفرن، مع توجيه الغازات المنبعثة عبر هذا العمود. ويمكن شحن أفران أخرى بمعدن ساخن (منصهر) من عمليات أخرى.

بعد الشحن، يُعاد غطاء الفرن ليغطيه، وتبدأ عملية الصهر. تُخفض الأقطاب الكهربائية على الخردة، ويُشعل قوس كهربائي، ثم تُضبط الأقطاب لاختراق طبقة الخردة في أعلى الفرن. تُختار فولتيات منخفضة لهذه المرحلة الأولى من العملية لحماية السقف والجدران من الحرارة الزائدة والتلف الناتج عن الأقواس الكهربائية. بمجرد وصول الأقطاب إلى المعدن المنصهر الكثيف في قاعدة الفرن، وحجب الخردة للأقواس الكهربائية، يمكن زيادة الفولتية ورفع الأقطاب قليلاً، مما يُطيل الأقواس ويزيد الطاقة المُوَجَّهة إلى المعدن المنصهر. هذا يُتيح تكوّن بركة منصهرة بسرعة أكبر، مما يُقلل من زمن الصهر. يُضخ الأكسجين في الخردة، فيحترق أو يقطع الفولاذ، وتُوفَّر حرارة كيميائية إضافية بواسطة مواقد وقود الأكسجين المثبتة على الجدران. تُسرِّع هاتان العمليتان عملية صهر الخردة. تُتيح الفوهات فوق الصوتية لنفثات الأكسجين اختراق الخبث الرغوي والوصول إلى حوض المعدن المنصهر.

يُعدّ تكوين الخبث جزءًا أساسيًا من صناعة الصلب ، حيث يطفو على سطح الصلب المنصهر. يتكون الخبث عادةً من أكاسيد المعادن ، ويعمل كموقع للشوائب المؤكسدة، وكغطاء حراري (يمنع فقدان الحرارة الزائد)، ويساعد في الحد من تآكل البطانة الحرارية . بالنسبة للأفران ذات المواد الحرارية القاعدية ، والتي تشمل معظم أفران إنتاج الصلب الكربوني ، فإنّ مُكوِّنات الخبث الشائعة هي أكسيد الكالسيوم (CaO، على شكل جير محروق ) وأكسيد المغنيسيوم (MgO، على شكل دولوميت ومغنيسيت ).

تُضاف هذه الخبثات إما مع الخردة أو تُضخ إلى الفرن أثناء عملية الصهر. ومن المكونات الرئيسية الأخرى لخبث فرن القوس الكهربائي أكسيد الحديد الناتج عن احتراق الفولاذ مع الأكسجين المُضاف. وفي مراحل لاحقة من التسخين، يُضاف الكربون (على شكل فحم الكوك أو الفحم الحجري ) إلى طبقة الخبث هذه، حيث يتفاعل مع أكسيد الحديد لتكوين الحديد المعدني وغاز أول أكسيد الكربون ، مما يؤدي إلى تكوّن رغوة في الخبث ، وبالتالي زيادة الكفاءة الحرارية ، وتحسين استقرار القوس الكهربائي وكفاءته الكهربائية . كما تُغطي طبقة الخبث الأقواس الكهربائية، مانعةً بذلك تلف سقف الفرن وجدرانه الجانبية بفعل الحرارة الإشعاعية.

بعد صهر الشحنة الأولية من الخردة، يمكن إضافة كمية أخرى منها إلى الفرن، مع العلم أن تطوير أفران القوس الكهربائي يتجه نحو تصميمات الشحنة الواحدة. يمكن تكرار عملية إضافة الخردة وصهرها حسب الحاجة للوصول إلى الوزن الحراري المطلوب، ويعتمد عدد الشحنات على كثافة الخردة؛ فكلما انخفضت الكثافة، زاد عدد الشحنات. بعد صهر جميع شحنات الخردة بالكامل، تُجرى عمليات تكرير لفحص التركيب الكيميائي للصلب وتصحيحه، ولتسخين المصهور فوق درجة تجمده استعدادًا لعملية الصب.

تُضاف المزيد من المواد المُكوِّنة للخبث، ويُضخ المزيد من الأكسجين في الحوض، مما يؤدي إلى حرق الشوائب مثل السيليكون والكبريت والفوسفور والألومنيوم والمنغنيز والكالسيوم ، وإزالة أكاسيدها إلى الخبث . تتم إزالة الكربون بعد احتراق هذه العناصر أولاً، نظراً لشدة انجذابه للأكسجين. أما المعادن التي يقل انجذابها للأكسجين عن الحديد، مثل النيكل والنحاس ، فلا يمكن إزالتها بالأكسدة ، ويجب التحكم بها من خلال معالجة الخردة الكيميائية فقط، كإضافة الحديد المختزل المباشر والحديد الزهر المذكورين سابقاً.

تُحافظ عملية الصهر على وجود خبث رغوي طوال الوقت، وغالبًا ما يفيض من الفرن ليصب من باب الخبث في حفرة الخبث. ويتم أخذ عينات درجة الحرارة والتركيب الكيميائي باستخدام أنابيب آلية. ويمكن قياس الأكسجين والكربون تلقائيًا باستخدام مجسات خاصة تغمر في الفولاذ، أما بالنسبة لجميع العناصر الأخرى، فيتم تحليل عينة "مبردة" - وهي عينة صغيرة متصلبة من الفولاذ - باستخدام مطياف انبعاث القوس الكهربائي .

بمجرد ضبط درجة الحرارة والتركيب الكيميائي، يُسحب الفولاذ إلى مغرفة مُسخّنة مسبقًا عن طريق إمالة الفرن. في أفران الفولاذ الكربوني العادي، بمجرد اكتشاف الخبث أثناء السحب، يُمال الفرن بسرعة نحو جانب إزالة الخبث، مما يقلل من انتقال الخبث إلى المغرفة. بالنسبة لبعض أنواع الفولاذ الخاصة، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ، يُصب الخبث في المغرفة أيضًا، ليتم معالجته في فرن المغرفة لاستخلاص عناصر السبائك القيّمة. أثناء السحب، تُضاف بعض إضافات السبائك إلى تيار المعدن، وتُضاف مواد صهر إضافية مثل الجير فوق المغرفة لبدء تكوين طبقة جديدة من الخبث.

في كثير من الأحيان، تُترك بضعة أطنان من الفولاذ السائل والخبث في الفرن لتكوين "كتلة ساخنة"، مما يساعد على تسخين الشحنة التالية من الخردة وتسريع انصهارها. أثناء عملية الصب وبعدها، يُعاد تشغيل الفرن: حيث تُنظف فتحة الخبث من الخبث المتصلب، وتُفحص المواد الحرارية الظاهرة، وتُفحص المكونات المبردة بالماء للتأكد من عدم وجود تسريبات، وتُفحص الأقطاب الكهربائية للتأكد من عدم وجود تلف أو تُطال بإضافة أجزاء جديدة. تُملأ فتحة الصب بالرمل عند اكتمال عملية الصب. بالنسبة لفرن متوسط ​​الطاقة بسعة 90 طنًا، تستغرق العملية بأكملها عادةً حوالي 60-70 دقيقة من صب دفعة إلى صب الدفعة التالية (زمن الصب).

يُفرغ الفرن تمامًا من الفولاذ والخبث بشكل دوري لإجراء فحص للمواد الحرارية وإجراء الإصلاحات اللازمة. ولأن هذه المواد تُصنع غالبًا من الكربونات المكلسة ، فهي شديدة الحساسية للترطيب بالماء، لذا يُعامل أي تسرب مشتبه به من المكونات المبردة بالماء بجدية بالغة، تتجاوز مجرد القلق المباشر من احتمالية حدوث انفجارات بخارية . وقد يؤدي التآكل المفرط للمواد الحرارية إلى حدوث تشققات، حيث يخترق المعدن السائل والخبث المادة الحرارية وغلاف الفرن ويتسربان إلى المناطق المحيطة.

يُتيح استخدام أفران القوس الكهربائي إنتاج الفولاذ من خردة المعادن بنسبة 100%. وهذا يُقلل بشكل كبير من الطاقة اللازمة لإنتاج الفولاذ مقارنةً بصناعة الفولاذ الأولية من الخامات.

ومن الفوائد الأخرى المرونة: فبينما لا تستطيع أفران الصهر تغيير إنتاجها بشكل كبير ويمكن أن تظل قيد التشغيل لسنوات في كل مرة، يمكن تشغيل وإيقاف أفران القوس الكهربائي بسرعة، مما يسمح لمصنع الصلب بتغيير الإنتاج وفقًا للطلب.

على الرغم من أن أفران القوس الكهربائي لصناعة الصلب تستخدم بشكل عام خردة الصلب كمادة خام أساسية، إلا أنه إذا كان المعدن الساخن من فرن الصهر أو الحديد المختزل مباشرة متاحًا اقتصاديًا، فيمكن أيضًا استخدام هذه المواد كمادة خام للفرن.

نظراً لأن أفران القوس الكهربائي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، فإن العديد من الشركات تجدول عملياتها للاستفادة من أسعار الكهرباء خارج أوقات الذروة .

يُعد فرن القوس الكهربائي النموذجي لصناعة الصلب مصدرًا للصلب لمصنع صغير، والذي قد ينتج قضبانًا أو شرائح. ويمكن إنشاء هذه المصانع الصغيرة بالقرب من أسواق منتجات الصلب، مما يقلل من متطلبات النقل مقارنةً بالمصانع المتكاملة، التي عادةً ما تُقام بالقرب من الموانئ لتسهيل عمليات الشحن.

اعتمادًا على نسب خردة الصلب والحديد المختزل المباشر والحديد الزهر المستخدمة، يمكن أن ينتج عن صناعة الصلب في فرن القوس الكهربائي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون منخفضة تصل إلى 0.6 طن من ثاني أكسيد الكربون _لكل طن من الصلب المنتج، ^{[ 11 ]} وهو أقل بكثير من طريقة الإنتاج التقليدية عبر أفران الصهر وفرن الأكسجين الأساسي، والتي تنتج 2.9 طن من ثاني أكسيد الكربون _لكل طن من الصلب المنتج. ^{[ 12 ]}

على الرغم من أن فرن القوس الكهربائي الحديث يُعدّ وسيلة فعّالة للغاية لإعادة تدوير خردة الصلب ، إلا أن تشغيل ورشة فرن القوس الكهربائي قد يُخلّف آثارًا بيئية سلبية. وسيُخصّص جزء كبير من التكلفة الرأسمالية للمنشأة الجديدة لأنظمة تهدف إلى الحدّ من هذه الآثار، والتي تشمل ما يلي:

• حاويات لتقليل مستويات الصوت العالية
• مجمع غبار لغازات العادم من الفرن
• إنتاج الخبث
• الطلب على مياه التبريد
• حركة الشاحنات الثقيلة لنقل الخردة والمواد والمنتجات
• الآثار البيئية لتوليد الكهرباء

بما أن صناعة الصلب في أفران القوس الكهربائي تعتمد بشكل أساسي على مواد معاد تدويرها مثل خردة الحديد والصلب، فإن خبث وغبار أفران القوس الكهربائي الناتجين عنها قد يكونان سامين نظرًا لاختلاف تركيبهما. يُجمع غبار أفران القوس الكهربائي بواسطة معدات مكافحة تلوث الهواء، ويُسمى بالغبار المجمع، ويحتوي عادةً على معادن ثقيلة مثل الزنك والرصاص والديوكسينات، وغيرها. يُصنف هذا الغبار ضمن النفايات الصناعية الخطرة، ويخضع التخلص منه لأنظمة محددة. ^{[ 13 ]}

بسبب الطبيعة الديناميكية للغاية لحمل فرن القوس الكهربائي، قد تتطلب أنظمة الطاقة تدابير فنية للحفاظ على جودة الطاقة للعملاء الآخرين؛ يعد الوميض والتشوه التوافقي من الآثار الجانبية الشائعة لتشغيل فرن القوس الكهربائي في أنظمة الطاقة.

في صناعة الصلب، تُستخدم أفران القوس الكهربائي ذات التيار المستمر ، حيث يوجد قطب كهربائي واحد في السقف، ويعود التيار عبر بطانة سفلية موصلة أو دبابيس موصلة في القاعدة. تتمثل ميزة التيار المستمر في انخفاض استهلاك الأقطاب الكهربائية لكل طن من الصلب المُنتَج، نظرًا لاستخدام قطب كهربائي واحد فقط، بالإضافة إلى تقليل التوافقيات الكهربائية والمشاكل المشابهة. يُحدَّد حجم أفران القوس الكهربائي ذات التيار المستمر بقدرة الأقطاب الكهربائية المتاحة على حمل التيار، والحد الأقصى المسموح به للجهد. وتُعدّ صيانة موقد الفرن الموصل عائقًا رئيسيًا أمام التشغيل المطوّل لفرن القوس الكهربائي ذي التيار المستمر.

في مصانع الصلب، يُستخدم فرن المغرفة للحفاظ على درجة حرارة الصلب السائل أثناء المعالجة بعد سحبه من فرن القوس الكهربائي، أو لتغيير تركيبة السبيكة. يُستخدم المغرفة للغرض الأول عند حدوث تأخير لاحق في عملية صناعة الصلب. يتكون فرن المغرفة من سقف حراري، ونظام تسخين، وعند الاقتضاء، آلية لحقن غاز الأرجون في قاع المصهور للتحريك. على عكس فرن صهر الخردة، لا يحتوي فرن المغرفة على آلية إمالة أو آلية لتعبئة الخردة.

تُستخدم أفران القوس الكهربائي أيضًا في إنتاج كربيد الكالسيوم ، والسبائك الحديدية ، وغيرها من السبائك غير الحديدية ، وفي إنتاج الفوسفور . وتختلف الأفران المستخدمة في هذه التطبيقات من الناحية الفيزيائية عن أفران صناعة الصلب، وقد تعمل بشكل مستمر بدلًا من التشغيل على دفعات. كما قد تستخدم أفران التشغيل المستمر أقطابًا كهربائية من نوع سودربيرغ المعجونية لتجنب انقطاعات التشغيل الناتجة عن تغيير الأقطاب. ^{[ 14 ]}

يُعرف هذا النوع من الأفران باسم فرن القوس المغمور ، لأن أطراف الأقطاب الكهربائية مغمورة في الخبث/الشحنة، ويحدث القوس الكهربائي عبر الخبث، بين المعدن والقطب . تعمل غلاف القطب الكهربائي وزعانفه على صهر معجون القطب الكهربائي من خلال التيار الكهربائي المار عبر غلاف القطب والحرارة المنبعثة من الفرن. ^{[ 14 ]} في المقابل، يحدث القوس الكهربائي في فرن القوس المستخدم في صناعة الصلب في الهواء الطلق. يكمن العامل الأساسي في المقاومة الكهربائية ، وهي التي تولد الحرارة المطلوبة: في فرن صناعة الصلب، تمثل المقاومة الغلاف الجوي، بينما في فرن القوس المغمور، يوفر الخبث (أو الشحنة) المقاومة. المعدن السائل المتكون في كلا الفرنين موصل جيد للحرارة لدرجة لا تسمح بتكوين مقاومة فعالة لتوليد الحرارة.

يمكن تبريد أفران القوس الكهربائي الصغيرة بشكل كافٍ عن طريق تدوير الهواء فوق العناصر الهيكلية للغلاف والسقف، بينما تتطلب المنشآت الأكبر تبريدًا قسريًا مكثفًا للحفاظ على الهيكل ضمن حدود التشغيل الآمنة. يمكن تبريد غلاف الفرن وسقفه إما عن طريق تدوير الماء عبر أنابيب تشكل لوحة، أو عن طريق رش الماء على عناصر اللوحة. يمكن استبدال الألواح الأنبوبية عند تشققها أو عند بلوغها نهاية عمرها الافتراضي من حيث الإجهاد الحراري.

يُعدّ التبريد بالرش الطريقة الأكثر اقتصادية والأعلى كفاءة. ويمكن إعادة تبطين معدات التبريد بالرش مرات عديدة، حيث يصل عمرها الافتراضي إلى 20 عامًا. في حين يُكتشف تسرب الأنابيب فورًا في الفرن أثناء التشغيل بفضل أجهزة إنذار فقدان الضغط على اللوحات، إلا أنه لا توجد حاليًا طريقة فورية للكشف عن تسربات التبريد بالرش الصغيرة جدًا. عادةً ما تختبئ هذه التسربات خلف طبقة الخبث، وقد تُؤدي إلى ترطيب المواد الحرارية في الموقد، مما قد يتسبب في انفجار المعدن المنصهر أو، في أسوأ الأحوال، انفجار بخاري. ^{[ 15 ]}

يستخدم فرن القوس البلازمي (PAF) مشاعل البلازما بدلاً من أقطاب الجرافيت. تحتوي كل مشعلة على غلاف مزود بفوهة وأنبوب محوري لتغذية غاز مُكوِّن للبلازما (إما النيتروجين أو الأرجون) وقطب جرافيت أسطواني قابل للاحتراق داخل الأنبوب. تُسمى هذه الأفران بأفران صهر القوس البلازمي (PAM)؛ وتُستخدم على نطاق واسع في صناعة صهر التيتانيوم والصناعات المعدنية المتخصصة المماثلة. ^{[ 16 ]}

إعادة الصهر بالقوس الكهربائي في الفراغ (VAR) هي عملية إعادة صهر ثانوية لتكرير وتصنيع السبائك في الفراغ مع تحسين التجانس الكيميائي والميكانيكي. ^{[ 17 ]}

في التطبيقات العسكرية والتجارية الحساسة في مجال الطيران، يُوصي مهندسو المواد عادةً باستخدام فولاذ VIM-VAR. يشير VIM إلى الصهر بالحث الفراغي، بينما يشير VAR إلى إعادة الصهر بالقوس الفراغي. يُستخدم فولاذ VIM-VAR في صناعة محامل محركات الطائرات النفاثة، وأعمدة دوارات المروحيات العسكرية، ومحركات رفرف الطائرات المقاتلة، وتروس ناقلات الحركة في الطائرات النفاثة أو المروحيات، وقواعد تثبيت محركات الطائرات النفاثة، وخطافات ذيل الطائرات النفاثة، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب دقة عالية.

تُصهر معظم أنواع الفولاذ مرة واحدة ثم تُصب أو تُصهر في شكل صلب قبل تشكيلها أو دحرجتها على نطاق واسع للحصول على شكل معدني سليم. في المقابل، يخضع فولاذ VIM-VAR لعمليتي صهر إضافيتين عاليتي التنقية تحت الفراغ. بعد الصهر في فرن القوس الكهربائي والخلط في وعاء إزالة الكربون بالأرجون والأكسجين، يُصب الفولاذ المُعدّ لإعادة الصهر تحت الفراغ في قوالب سبائك. ثم تُنقل السبائك المتصلبة إلى فرن صهر بالحث الفراغي. تُزيل عملية إعادة الصهر هذه الشوائب والغازات غير المرغوب فيها من الفولاذ مع تحسين تركيبه الكيميائي.

تُعيد عملية VIM هذه السبائك الصلبة إلى حالتها المنصهرة في بيئة خالية من الشوائب تحت الفراغ. غالبًا ما تستغرق هذه العملية، التي تخضع لرقابة دقيقة، ما يصل إلى 24 ساعة. يتدفق المعدن الساخن، وهو لا يزال محاطًا بالفراغ، من بوتقة فرن VIM إلى قوالب أقطاب كهربائية عملاقة. يبلغ ارتفاع القطب الكهربائي النموذجي حوالي 5 أمتار (15 قدمًا) ويتوفر بأقطار مختلفة. تتصلب الأقطاب الكهربائية تحت الفراغ.

بالنسبة لصلب VIM-VAR، يجب صقل سطح الأقطاب الكهربائية المبردة لإزالة أي شوائب أو عيوب سطحية قبل إعادة صهرها في الفراغ. ثم يوضع القطب المصقول في فرن VAR. في هذا الفرن، ينصهر الصلب تدريجيًا قطرة قطرة في حجرة محكمة الإغلاق بالتفريغ. تعمل إعادة الصهر بالقوس الكهربائي في الفراغ على إزالة الشوائب المتبقية، مما يوفر نقاءً فائقًا للصلب ويزيل غازات مثل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين. يضمن التحكم في معدل تشكل هذه القطرات وتصلبها تجانس التركيب الكيميائي والبنية المجهرية في جميع أنحاء سبيكة VIM-VAR، مما يجعل الصلب أكثر مقاومة للكسر أو الإجهاد. تُعد عملية التكرير هذه ضرورية لتلبية خصائص الأداء لأجزاء مثل عمود دوار المروحية، أو مشغل رفرف الطائرة النفاثة العسكرية، أو محمل محرك الطائرة النفاثة.

في بعض التطبيقات التجارية أو العسكرية، قد تخضع سبائك الصلب لعملية إعادة صهر واحدة فقط في الفراغ، وهي عملية إعادة الصهر الفراغي (VAR). على سبيل المثال، عادةً ما تتطلب سبائك الصلب المستخدمة في صناعة أغلفة الصواريخ الصلبة، أو معدات الهبوط، أو قضبان الالتواء للمركبات القتالية، عملية إعادة صهر واحدة في الفراغ.

كما تستخدم عملية إعادة الصهر بالقوس الكهربائي الفراغي في إنتاج التيتانيوم والمعادن الأخرى التي تتفاعل أو التي تتطلب درجة عالية من النقاء.

• عملية فلودين
• إعادة صهر القوس الكهربائي الفراغي
• الفولاذ الكهربائي

• جيه إيه تي جونز، بي. بومان، بي إيه ليفرانك، "صناعة الصلب في الأفران الكهربائية"، في كتاب "صناعة وتشكيل ومعالجة الصلب " ، تحرير آر جيه فروهان. 1998، مؤسسة AISE للصلب: بيتسبرغ. ص  525-660.
• توماس كومرفورد مارتن وستيفن ليدي كولز، قصة الكهرباء ، نيويورك 1919، بدون رقم ISBN، الفصل 13 "الفرن الكهربائي"، متاح على أرشيف الإنترنت

• الاعتراف بأول مصنع للمسابك كموقع تاريخي
• فرن قوس كهربائي منزلي الصنع صغير الحجم باستخدام آلة لحام (توخ الحذر عند إجراء التجارب!)
• وحدة فرن القوس الكهربائي على موقع steeluniversity.org ، بما في ذلك محاكاة تفاعلية بالكامل
• توضح نماذج العمليات تشغيل وتحكم فرن القوس الكهربائي (MPC).
• فيديو على يوتيوب لفرن كهربائي صغير في نيوزيلندا