فرن ذو موقد مفتوح

الموسوعة الحرة
عمال أفران الموقد المفتوح في مصنع زابوريزهستال للصلب في أوكرانيا يأخذون عينة من الصلب، حوالي عام 2012
فرن ذو موقد مفتوح، شركة VEB Rohrkombinat Riesa، ألمانيا الشرقية، 1982

الفرن ذو الموقد المفتوح هو أحد أنواع الأفران الصناعية التي تُستخدم لحرق الكربون الزائد والشوائب الأخرى من الحديد الزهر لإنتاج الفولاذ . [ 1 ] ونظرًا لصعوبة تصنيع الفولاذ بسبب ارتفاع درجة انصهاره ، لم تكن أنواع الوقود والأفران التقليدية كافية للإنتاج الضخم للفولاذ، وكان الفرن ذو الموقد المفتوح أحد التقنيات العديدة التي طُوّرت في القرن التاسع عشر للتغلب على هذه الصعوبة. وبالمقارنة مع عملية بسمر ، التي حلّت محلها، تمثلت مزاياه الرئيسية في أنه لا يُسبب هشاشة الفولاذ نتيجة التعرض المفرط للنيتروجين ، كما أنه أسهل في التحكم، ويسمح بصهر وتكرير كميات كبيرة من خردة الحديد والفولاذ . [ 2 ]

طُوِّر فرن الموقد المفتوح لأول مرة على يد المهندس الألماني/البريطاني كارل فيلهلم سيمنز . وفي عام 1865، حصل المهندس الفرنسي بيير إميل مارتن على ترخيص من سيمنز، وطبّق فرنه التجديدي لأول مرة في صناعة الصلب . عُرفت عمليتهم باسم عملية سيمنز-مارتن أو عملية مارتن-سيمنز ، وسُمّي الفرن بفرن "الموقد المفتوح". أُغلقت معظم أفران الموقد المفتوح بحلول أوائل التسعينيات، لأسباب من بينها بطء تشغيلها، واستُبدلت بفرن الأكسجين الأساسي أو فرن القوس الكهربائي . [ 2 ]

في حين أن أقدم مثال على صناعة الصلب في الفرن المفتوح موجود منذ حوالي 2000 عام في ثقافة شعب هايا ، في تنزانيا الحالية ، [ 3 ] وفي أوروبا في فرن كاتالان ، الذي تم اختراعه في إسبانيا في القرن الثامن، فمن المعتاد حصر المصطلح في عمليات صناعة الصلب في القرن التاسع عشر وما بعده، وبالتالي استبعاد مصانع الصهر (بما في ذلك فرن كاتالان)، وأفران الصقل ، وأفران التكرير من تطبيقه.

عملية الفرن المفتوح

تُعدّ عملية الفرن المفتوح عملية دفعية ، وتُسمى كل دفعة "دفعة". يُفحص الفرن أولاً للتأكد من خلوه من أي تلف. وبمجرد جاهزيته أو إصلاحه، يُملأ بخردة خفيفة، مثل الصفائح المعدنية أو قطع السيارات أو نفايات المعادن. يُسخّن الفرن باستخدام الغاز المحترق. بعد انصهار الشحنة، تُضاف خردة ثقيلة، مثل خردة البناء أو الإنشاء أو مصانع الصلب، بالإضافة إلى الحديد الزهر من أفران الصهر . بعد انصهار كل الصلب، تُضاف عوامل تكوين الخبث، مثل الحجر الجيري. يُؤكسد الأكسجين الجوي، عند ملامسته للحديد الزهر المنصهر، الكربون الزائد فيه مباشرةً مُكوّنًا أول أكسيد الكربون (CO). بالإضافة إلى ذلك، يُساهم الحديد الثنائي (Fe(II)) الموجود في أكسيد الحديد الثنائي (FeO) والشوائب الأخرى في إزالة الكربون من الحديد الزهر عن طريق أكسدة الكربون إلى CO واختزال Fe(II) في الوقت نفسه إلى حديد فلزي. يُطرد أول أكسيد الكربون (CO) المُتكوّن مع الأبخرة، بينما يتشكّل الصلب. لزيادة قوة الأكسدة الناتجة عن "الحرارة"، يمكن إضافة المزيد من خام أكسيد الحديد. [ 4 ]

تُعدّ هذه العملية أبطأ بكثير من عملية تحويل بسمر ، وبالتالي يسهل التحكم بها وأخذ عينات منها لتقييم الجودة. يستغرق تحضير دفعة التسخين عادةً من ثماني إلى ثماني ساعات ونصف، ويستغرق إتمام عملية التحويل إلى فولاذ وقتًا أطول. ولأن العملية بطيئة، فليس من الضروري حرق كل الكربون كما في عملية بسمر، ولكن يمكن إيقاف العملية في أي وقت عند الوصول إلى نسبة الكربون المطلوبة. [ 4 ]

يُفتح الفرن بنفس طريقة فتح فرن الصهر ؛ حيث يُحفر ثقب في جانب الموقد ويتدفق الفولاذ الخام للخارج. بعد فتح الفرن بالكامل، تُزال الخبث. يمكن صب الفولاذ الخام في سبائك، وهي عملية تُسمى الصب المستمر ، أو يمكن استخدامه في الصب المستمر في مصنع الدرفلة. [ 4 ]

تُعدّ أجهزة التجديد السمة المميزة للفرن، وهي عبارة عن قنوات من الطوب الحراري مملوءة بطوب موضوع على حافته ومرتب بطريقة تُشكّل عددًا كبيرًا من الممرات الصغيرة بينها. [ 4 ] يمتص الطوب معظم الحرارة من غازات العادم الخارجة، ثم يعيدها لاحقًا إلى الغازات الباردة الداخلة للاحتراق.

تاريخ

عملية تفريغ فرن الموقد المفتوح، مصنع فاجرستا للصلب، السويد، 1967.

طوّر كارل فيلهلم سيمنز فرن سيمنز التجديدي في خمسينيات القرن التاسع عشر، وادّعى عام ١٨٥٧ أنه يستعيد حرارة كافية لتوفير ما بين ٧٠ و٨٠٪ من الوقود. يعمل هذا الفرن عند درجة حرارة عالية باستخدام التسخين التجديدي المسبق للوقود والهواء للاحتراق . في التسخين التجديدي المسبق، تُضخ غازات العادم من الفرن إلى حجرة تحتوي على طوب، حيث تنتقل الحرارة من الغازات إلى الطوب. ثم يُعكس تدفق الفرن بحيث يمر الوقود والهواء عبر الحجرة ويُسخّنان بواسطة الطوب. بهذه الطريقة، يمكن لفرن الموقد المفتوح أن يصل إلى درجات حرارة عالية كافية لصهر الفولاذ، لكن سيمنز لم يستخدمه في البداية لهذا الغرض. [ ٥ ]

في عام 1865، حصل المهندس الفرنسي بيير إميل مارتن على ترخيص من شركة سيمنز، وطبّق فرنه التجديدي لأول مرة في صناعة الصلب. وتتمثل أبرز ميزة لفرن سيمنز التجديدي في إنتاج كميات كبيرة من الصلب الخام بسرعة، والذي يُستخدم، على سبيل المثال، في بناء ناطحات السحاب. [ 5 ] يتراوح حجم الأفران عادةً بين 50 و100 طن، ولكن في بعض العمليات الخاصة، قد تصل سعتها إلى 250 أو حتى 500 طن.

أكملت عملية سيمنز-مارتن عملية بسمر بدلاً من أن تحل محلها . فهي أبطأ، وبالتالي أسهل في التحكم، مما يسمح بإنتاج منتج أفضل. كما أنها تتيح صهر وتكرير كميات كبيرة من خردة الصلب، مما يقلل تكاليف إنتاج الصلب ويعيد تدوير مادة نفايات كانت تُسبب مشاكل. من عيوبها المهمة أن صهر وتكرير الشحنة يستغرق عدة ساعات. كان هذا ميزة في أوائل القرن العشرين، حيث أتاح لكيميائيي المصانع الوقت الكافي لتحليل الصلب وتحديد المدة اللازمة لتكريره. ولكن بحلول عام 1975 تقريبًا، سهّلت الأجهزة الإلكترونية، مثل مطياف الامتصاص الذري، تحليل الصلب بشكل كبير وسريع. يُقال إن بيئة العمل حول فرن الموقد المفتوح خطيرة للغاية، وقد يكون هذا الأمر أكثر خطورة في بيئة العمل حول فرن الأكسجين الأساسي أو فرن القوس الكهربائي. [ 5 ]

من جهة، تحقق هذه العملية وفورات أقل في الحجم مقارنة بعملية بسمر، لذا كان الفولاذ الناتج عنها أغلى ثمناً في أوج ازدهار الأولى، ولكن من جهة أخرى، كانت أكثر ملاءمة للدول التي لم تكن قادرة على إنتاج كميات كبيرة من الفولاذ على أي حال بسبب محدودية الموارد الطبيعية. [ 6 ]

Russian engineers invented the twin-hearth furnace in the mid-20th century. It has two melting pools separated by a brick wall, and no regenerator chambers. Instead the furnace has direct burners and oxygen lances at the ceiling of the furnace. The idea is to process two heats simultaneously, but in different phases, e.g. when one is being charged, the other is being decarburized. The idea is to burn away excess carbon and impurities with oxygen blast instead of free flame formation. All reactions which occur are exothermic, so the burners have only an auxiliary role.[7] This is similar as the AJAX furnace, which also uses oxygen blow instead of free flame formation and regenerator chambers.

Decline and current operations

Basic oxygen steelmaking eventually replaced the open-hearth furnace. It rapidly superseded both the Bessemer and Siemens–Martin processes in western Europe from the 1950s and in eastern Europe by the 1980s. Open-hearth steelmaking had superseded the Bessemer process in UK by 1900, but elsewhere in Europe, especially in Germany, the Bessemer and Thomas processes were used until the late 1960s when they were superseded by basic oxygen steelmaking. The last open-hearth furnace in former East Germany was stopped in 1993. In the US, steel production using the Bessemer process ended in 1968 and the open-hearth furnaces had stopped by 1992. In Hunedoara steel works, Romania the last 420-tonne capacity open-hearth furnace was shut down on 12 June 1999 and demolished and scrapped between 2001 and 2003, but the eight smokestacks of the furnaces remained until February 2011. The last open-hearth shop in China was shut down in 2001. The process in the form of Twin Hearth Furnace was in use in India's Steel Authority of India Bhilai Steel Plant and some parts of Ukraine. Russia retired its last hearth furnace in March 2018, and was considering preserving it as a museum artifact. India's SAIL shut it down in April 2020 with the advent of COVID-19 because of nonavailability of manpower to run the labor intensive process.[8]

As of 2024, the largest steel mill in the world that still produces steel using open-hearth furnaces is the Zaporizhstal steel mill in central Ukraine, which has seven 500-ton capacity OHFs and one twin-hearth furnace as well as four blast furnaces. The availability of cheap fuel oil in large quantities, as well as the ongoing invasion, largely contribute to their profitability despite the slow process. The high cost of upgrading to new furnace technologies is prohibitive.[9][10]

See also

مراجع

  1. ↑ ك. باراكلو، صناعة الصلب 1850-1900 (معهد المعادن، لندن 1990)، 137-203.
  2. 1 2 فيليب ميوش، « Et l'acier créa l'Europe »، مواد من أجل تاريخ الزمن الحاضر، المجلد. 47، 1997، ص. 29-36
  3. ↑ أفيري، دونالد؛ شميدت، بيتر (1978). "صهر الحديد المعقد والثقافة ما قبل التاريخ في تنزانيا". مجلة ساينس . 201 (4361): 1085-1089 . رمز Bibcode : 1978Sci...201.1085S . doi : 10.1126 / science.201.4361.1085 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 1746308. PMID 17830304. S2CID 37926350 .    
  4. ١ ٢ ٣ ٤ دراسة عن الفرن المفتوح: بحث في فرن الموقد المفتوح وصناعة فولاذ الموقد المفتوح. شركة هاربيسون-ووكر للمواد الحرارية. (٢٠١٥)، ١٠٢ صفحة، رقم ISBN 1341212122، ISBN 978-1341212123
  5. ١ ٢ ٣ أساسيات صناعة الصلب في الأفران المفتوحة، مع ملحق عن الأكسجين في صناعة الصلب، الطبعة الثالثة (سلسلة سيلي دبليو. مود). المعهد الأمريكي لمهندسي التعدين والمعادن والبترول (١٩٦٤). جيرهارد، ديرج. ASIN B00IJLRL40.
  6. ↑ سايز-غارسيا، ميغيل أ. (2017). "الأعمال والدولة في تطور صناعة الصلب في إسبانيا وإيطاليا (حوالي 1880-1929)" . تاريخ الأعمال . 59 (2): 159-178 . doi : 10.1080/00076791.2016.1172570 . hdl : 10045/66416 . S2CID 156562137 . 
  7. ↑ "فرن ذو موقد مزدوج | عرض تقديمي | كيمياء | علوم" . www.slideshare.net . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 أغسطس 2025 .
  8. ↑ "في روسيا تختتم مجموعة مارتينوفسكايا بيتش الجديدة" . 6 مارس 2018.
  9. ↑ "مصانع الحديد والصلب في زابوريزهستال" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 4 يناير 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أكتوبر 2024 .
  10. ↑ "فرص تحسين كفاءة الطاقة وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الحديد والصلب الأمريكي" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 9 أغسطس 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 ديسمبر 2006 .

للمزيد من القراءة

  • باراكلو، ك. (1990)، صناعة الصلب 1850-1900 ، معهد المعادن، لندن، ص 137-203 
  • غيل، دبليو كي في (1969)، الحديد والصلب ، لونغمانز، لندن، ص 74-77 
  • سيمنز، سي دبليو (يونيو 1862). "حول فرن الغاز التجديدي، وتطبيقاته في البيوت الزجاجية، والتسخين، والتدفئة، وما إلى ذلك". وقائع معهد المهندسين الميكانيكيين . 13. معهد المهندسين الميكانيكيين: 21-26 . doi : 10.1243/PIME_PROC_1862_013_007_02 .