فرن ذو موقد مفتوح

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.

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.

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.

• 
  فرن سيمنز من عام 1895.
• 
  فرن سيمنز-مارتن سعة 30 طنًا، مقطع عرضي، 1917.
• 
  تطور حجم أفران الموقد المفتوح.

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 ]}

ابتكر المهندسون الروس فرن الموقد المزدوج في منتصف القرن العشرين. يتكون هذا الفرن من حوضي صهر يفصل بينهما جدار من الطوب، ولا يحتوي على غرف تجديد. بدلاً من ذلك، يحتوي الفرن على مواقد مباشرة وأنابيب أكسجين في سقفه. تكمن الفكرة في معالجة دفعتين من المعدن في آنٍ واحد، ولكن في مراحل مختلفة، فمثلاً، أثناء شحن إحداهما، تُزال الكربون من الأخرى. وتتمثل الفكرة في حرق الكربون الزائد والشوائب باستخدام نفث الأكسجين بدلاً من تكوين اللهب الحر. جميع التفاعلات التي تحدث طاردة للحرارة، لذا فإن دور المواقد ثانوي فقط. ^{[ 7 ]} يشبه هذا فرن أياكس ، الذي يستخدم أيضاً نفث الأكسجين بدلاً من تكوين اللهب الحر وغرف التجديد.

• عملية بسمر
• التصلب (علم المعادن)
• فولاذ البوتقة §  طرق إنتاج فولاذ البوتقة
• فرن أجاكس ، عملية موقد مفتوح تعتمد على الأكسجين

• 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 .

• مقدمات الفرن العالي
• "إعطاء جرعات من الحديد السائل لأفران الصلب" ، العلوم الشعبية ، فبراير 1919، الصفحة 64، تم مسحها ضوئيًا بواسطة كتب جوجل .