فرن تعدين

الفرن المعدني هو فرن صناعي يُستخدم لتسخين المعادن أو صهرها أو معالجتها بطرق أخرى . لطالما كانت الأفران عنصراً أساسياً في تاريخ علم المعادن ؛ حتى أن معالجة المعادن بالحرارة تُعتبر تخصصاً هندسياً قائماً بذاته يُعرف باسم علم المعادن الحراري .

يُعدّ الصهر أحد أهم تطبيقات الأفران، لا سيما في إنتاج الحديد والصلب ، حيث تُختزل خامات المعادن تحت درجات حرارة عالية لفصل المعدن عن الشوائب المعدنية. ويمكن توفير الطاقة الحرارية اللازمة لتشغيل الفرن مباشرةً عن طريق احتراق الوقود أو عن طريق الكهرباء. وقد أدت العمليات المختلفة والخصائص الفريدة للمعادن والخامات إلى ظهور أنواع عديدة من الأفران. ^{[ 1 ]}

تجمع العديد من تصاميم أفران الصهر بين الخام والوقود ومواد أخرى مثل الصهر في حجرة واحدة. ثم تقوم آليات، مثل المنافيخ أو المراوح الآلية، بدفع دفعات من الهواء المضغوط إلى داخل الحجرة. هذه الدفعات تزيد من حرارة احتراق الوقود وتحفز التفاعلات الكيميائية.

تشمل الأفران من هذا النوع ما يلي:

• الفرن العالي ، المستخدم لإنتاج الحديد الزهر من خام الحديد . ويمكن تقسيمه إلى:
  • أفران النفخ البارد
  • أفران النفخ الساخن
• الفرن الإسفنجي ، وهو مرحلة تمهيدية للفرن العالي الذي ينتج الحديد الإسفنجي من الخام.
• بيت النفخ ، وهو فرن تقليدي لصهر القصدير
• فرن الصهر ، وهو فرن تقليدي لصهر الرصاص

لا يزال الفرن العاكس يعرض حجرة التفاعل، حيث يُخلط المعدن أو الخام مع المواد الكيميائية، لتيار من غازات العادم. ومع ذلك، لا يُضاف أي وقود مباشرةً إلى الحجرة، ويحدث الاحتراق في حجرة منفصلة. ومن أنواع الأفران هذه:

• فرن الموقد المفتوح ، وهو أسلوب لصناعة الصلب يعود إلى القرنين التاسع عشر والعشرين لتكرير الحديد الزهر إلى فولاذ
• فرن التكرير ، وهو أسلوب من القرنين الثامن عشر والتاسع عشر لتكرير الحديد الزهر إلى حديد مطاوع

في علم المعادن، تُسمى الأفران المستخدمة لتكرير المعادن بشكل أكبر، وخاصة الحديد إلى فولاذ، غالبًا بالمحولات :

• محولات صناعة الصلب
  • فرن الأكسجين الأساسي
  • محول بسمر
• محول مانهيس -ديفيد لتكرير النحاس الخام إلى نحاس نقي "مُفتت".

كما هو الحال في الصناعات الأخرى التي اتجهت نحو الكهرباء ، أصبحت الأفران الكهربائية شائعة في صناعة المعادن. ومع ذلك، فبينما يمكن نظرياً لأي فرن استخدام عنصر تسخين كهربائي ، فإن تفاصيل العملية تحدّ في الغالب من هذا النهج ليقتصر على الأفران ذات متطلبات الطاقة المنخفضة.

بدلاً من ذلك، غالباً ما تُطبّق أفران التعدين الكهربائية تياراً كهربائياً مباشرةً على دفعات من المعدن. يُعدّ هذا مفيداً بشكل خاص لإعادة تدوير خردة المعادن (التي لا تزال نقية نسبياً) ، أو إعادة صهر السبائك لصبّها في المسابك . كما أن غياب أي وقود أو غازات عادم يجعل هذه التصاميم متعددة الاستخدامات لتسخين جميع أنواع المعادن. ^{[ أ ]} تشمل هذه التصاميم ما يلي :

• أفران القوس الكهربائي (EAFs)، التي تطبق التيار على المعدن عبر أقطاب كهربائية فوق قوس كهربائي
  • فرن فلودين هو فرن قوس كهربائي مبكر، مصمم خصيصًا لصهر الحديد من الخام من خلال الإضافة المباشرة للكربون
• تتطلب أفران الحث الكهربائي ، التي تسخن المعدن من خلال التيارات الدوامية ، معدنًا خاليًا في الغالب من الشوائب والتآكل.

تتميز أفران المعادن الأخرى بخصائص تصميمية أو استخدامات خاصة. إحدى وظائفها هي تسخين المواد دون صهرها، وذلك لإجراء المعالجة الحرارية أو التشكيل على الساخن . تشمل الأفران الأساسية المستخدمة بهذه الطريقة ما يلي:

• الفرن هو الموقد التقليدي لصانع المعادن لتسخين المعدن أثناء عملية التشكيل .
• أحواض التسخين عبارة عن غرف كبيرة مُسخّنة، عادةً ما تكون تحت الأرض، حيث يتم إعادة تسخين ألواح الصلب قبل دحرجتها

هناك فئة أخرى من الأفران تعزل المادة عن الغلاف الجوي المحيط والملوثات، مما يتيح إجراء معالجات حرارية متقدمة وتقنيات أخرى:

• تُغلّف أفران العزل الحراري المواد لمنع دخول الملوثات وتحويل أي عادم بعيدًا عن المنطقة.
• أجهزة التعقيم بالبخار مُدعّمة، ومحكمة الإغلاق، ويمكنها تعريض المواد للحرارة والضغط المرتفع.
• أفران التفريغ تشبه أجهزة التعقيم بالبخار، لكنها تعرض المادة للتفريغ بدلاً من ذلك.