فرن تفريغ

الفرن الفراغي هو نوع من الأفران يُحاط فيه المنتج بفراغ أثناء المعالجة. يمنع غياب الهواء أو الغازات الأخرى الأكسدة ، وفقدان الحرارة من المنتج عن طريق الحمل الحراري ، كما يُزيل مصدرًا للتلوث. وهذا يُتيح للفرن تسخين المواد (عادةً المعادن والسيراميك) إلى درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية (5432 درجة فهرنهايت ) ^{[ 1 ]} مع مواد مُحددة. تعتمد درجات حرارة الفرن القصوى ومستويات الفراغ على نقاط انصهار المواد المُسخّنة وضغوط بخارها . تُستخدم الأفران الفراغية لإجراء عمليات مثل التلدين واللحام والتلبيد والمعالجة الحرارية بدقة عالية وتلوث منخفض .  

من خصائص فرن التفريغ ما يلي:

• درجات حرارة موحدة في النطاق: 800-3000 درجة مئوية (1500-5400 درجة فهرنهايت )  
• يمكن لأنظمة ضخ الفراغ المتوفرة تجارياً أن تصل إلى مستويات فراغ منخفضة تصل إلى 1 × 10 ⁻¹¹ تور (1.3 × 10 ⁻¹¹ ملي بار؛ 1.3 × 10 ⁻¹⁴ ضغط جوي)  
• يمكن التحكم في درجة الحرارة داخل منطقة مُدفأة، وعادة ما تكون محاطة بدروع حرارية أو عازلة.
• انخفاض نسبة تلوث المنتج بالكربون والأكسجين والغازات الأخرى.
• تعمل أنظمة الضخ الفراغي على إزالة المنتجات الثانوية ذات درجة الحرارة المنخفضة من مواد العملية أثناء التسخين، مما ينتج عنه منتج نهائي ذو نقاء أعلى.
• يمكن استخدام التبريد السريع ( التبريد السريع ) للمنتج لتقصير أوقات دورة العملية.
• يمكن التحكم في العملية بواسطة الكمبيوتر لضمان إمكانية تكرارها.

يؤدي تسخين المعادن إلى درجات حرارة عالية في الهواء الطلق عادةً إلى أكسدة سريعة ، وهو أمر غير مرغوب فيه. يعمل فرن التفريغ على إزالة الأكسجين ومنع حدوث ذلك.

يُستخدم غاز خامل، مثل الأرجون، غالبًا لتبريد المعادن المعالجة بسرعة إلى درجات حرارة غير معدنية (أقل من 200 درجة مئوية ) بعد إتمام العملية المطلوبة في الفرن. ^{[ 2 ]} يمكن ضغط هذا الغاز الخامل إلى ضعف الضغط الجوي أو أكثر، ثم يُضخ عبر منطقة التسخين لامتصاص الحرارة قبل مروره عبر مبادل حراري لإزالة الحرارة. تستمر هذه العملية حتى الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.  

تُستخدم أفران التفريغ في نطاق واسع من التطبيقات في كلٍ من الصناعات الإنتاجية ومختبرات الأبحاث. فعلى سبيل المثال، يُمكن استخدام فرن تفريغ منخفض الحرارة لتجفيف الكتلة الحيوية بكفاءة أعلى بكثير من التجفيف وحده. ^{[ 3 ]} وبالمثل، أظهر التجفيف بالميكروويف والتفريغ إمكانات واعدة في تجفيف الأطعمة مثل التوت البري. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

عند درجات حرارة أقل من 1200  درجة مئوية، يُستخدم فرن التفريغ عادةً للمعالجة الحرارية لسبائك الصلب . تتضمن العديد من تطبيقات المعالجة الحرارية العامة تقوية وتطبيع قطعة الصلب لجعلها قوية ومتينة أثناء الاستخدام. تتضمن عملية التقسية تسخين الصلب إلى درجة حرارة محددة مسبقًا، ثم تبريده بسرعة في الماء أو الزيت أو وسط مناسب.

من التطبيقات الأخرى لأفران التفريغ عملية الكربنة الفراغية ، والمعروفة أيضًا بالكربنة منخفضة الضغط. في هذه العملية، يُضخ غاز (مثل الأسيتيلين) بضغط جزئي إلى المنطقة الساخنة عند درجات حرارة تتراوح عادةً بين 870 و1070 درجة مئوية (1600 و1950 درجة فهرنهايت) . يتفكك الغاز إلى عناصره المكونة (الكربون والهيدروجين في هذه الحالة). ثم ينتشر الكربون على سطح القطعة. تُكرر هذه العملية عادةً مع تغيير مدة ضخ الغاز ووقت انتشاره. بمجرد أن تُغطى القطعة بالطبقة السطحية، يُبرد المعدن باستخدام الزيت أو الغاز عالي الضغط. يُستخدم النيتروجين عادةً في التبريد عالي الضغط، أو الهيليوم لتسريع عملية التبريد. تُعرف هذه العملية أيضًا باسم التصليد السطحي .  

من التطبيقات الأخرى لأفران التفريغ التي تعمل بدرجات حرارة منخفضة عملية إزالة المواد الرابطة. يتم تسخين المادة الرابطة تحت فراغ في حجرة مغلقة، مما يؤدي إلى انصهارها أو تبخيرها من الركام . ثم يتم تفريغ المادة الرابطة بواسطة نظام الضخ وجمعها أو التخلص منها في اتجاه مجرى التيار. تبقى المادة ذات درجة الانصهار الأعلى في حالة نقية ويمكن معالجتها لاحقًا.

تُستخدم أفران التفريغ القادرة على الوصول إلى درجات حرارة تتجاوز 1200  درجة مئوية في قطاعات صناعية متنوعة، مثل الإلكترونيات، والطب، ونمو البلورات، والطاقة، والأحجار الكريمة الاصطناعية. وتتيح معالجة المواد ذات درجات الحرارة العالية، سواءً كانت معادن أو لا فلزات، في بيئة مفرغة من الهواء، إمكانية إجراء عمليات التلدين ، واللحام ، والتنقية ، والتلبيد ، وغيرها من العمليات بطريقة مضبوطة.