نظرة معمقة على المعدات الميكانيكية لفرن القوس الكهربائي: الغلاف، السقف، الإمالة، وكشط الخبث
تركز معظم النقاشات حول تكنولوجيا أفران القوس الكهربائي على الأنظمة الكهربائية والتحكم في العمليات. أما الجانب الميكانيكي - الغلاف، والسقف، وعمود الإلكترود، ونظام الإمالة، وكاشطة الخبث، وفتحة الصب - فهو لا يقل أهمية، وتحدد خيارات التصميم المُتخذة هنا كيفية عمل الفرن خلال الخمسة عشر إلى العشرين عامًا القادمة. سأستعرض كل عنصر ميكانيكي رئيسي، بما في ذلك قرارات التصميم التي أثبتت جدواها في منشآت أفران القوس الكهربائي من شركة مونتي إنتليجنس في ثلاث قارات.
تصميم هيكل الفرن
يُشكّل غلاف الفرن العمود الفقري الهيكلي لفرن القوس الكهربائي بأكمله. يزن غلاف فرن القوس الكهربائي الذي يزن 100 طن ما بين 180 و250 طنًا وهو فارغ، ويحتوي على بطانة حرارية تزن ما بين 35 و50 طنًا، ويحمل حوضًا منصهرًا من الفولاذ يزن 100 طن عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية. يجب أن يتحمل الغلاف دورات حرارية تتراوح بين 50 درجة مئوية (وهو فارغ، بعد إزالة البطانة الحرارية) و1600 درجة مئوية (أثناء التشغيل) دون حدوث تشوه دائم.
تُصنع أغلفة أفران القوس الكهربائي الحديثة من الفولاذ الكربوني الملحوم، وعادةً ما يكون من نوع ASTM A36 أو A516 درجة 70، بسماكة تتراوح من 40 مم عند المخروط العلوي إلى 60-80 مم عند خط الخبث. ويتم تدعيم المخروط السفلي والفرن بدعامات سميكة. ويرتكز الغلاف على حلقة محورية قابلة للإمالة، تنقل جميع الأحمال الرأسية والأفقية إلى الأساس أثناء عمليات الإمالة.
صُممت أغلفة MONTE INTELLIGENCE باستخدام تحليل العناصر المحدودة لتقدير الإجهاد الحراري والانحراف الهيكلي. يبلغ حد الانحراف 5 مم عند خط الخبث تحت الحمل التشغيلي الكامل. أي غلاف ينحرف أكثر من ذلك سيؤدي إلى تشقق البطانة الحرارية قبل الأوان. لقد رأينا أغلفة عمرها 30 عامًا لا تزال قيد الاستخدام وتفي بهذا المعيار، وذلك لأنها بُنيت وفقًا لمعايير دقة أعلى من المتوسط الصناعي.
تصميم السقف وآلية الرفع
سقف فرن القوس الكهربائي عبارة عن قبة حرارية مدعومة بحلقة فولاذية. تستخدم الأسقف الحديثة طوبًا حراريًا من الألومينا بنسبة 70 إلى 75%، مع مادة حشو عالية الألومينا حول فتحات الأقطاب الكهربائية. تصل درجة حرارة السقف على السطح الساخن إلى ما بين 1500 و1700 درجة مئوية أثناء التشغيل بكامل الطاقة.
يجب أن يرتفع السقف ويتأرجح جانبًا مع كل دورة شحن بالدلاء. تسود ثلاثة تصاميم لرافعات السقف: التأرجح الكابولي (الأكثر شيوعًا في الأفران الصغيرة)، والرفع الموازي مع السقف المنزلق (الأفران المتوسطة والكبيرة)، والرفع الجسري (الأفران الكبيرة جدًا). لكل تصميم مزايا وعيوب في زمن الدورة، والتعقيد الميكانيكي، وسهولة الصيانة.
تُحدد شركة مونتي إنتليجنس عادةً تصميم التأرجح الكابولي للأفران التي يصل وزنها إلى 80 طنًا، وتصميم السقف المنزلق ذي الرفع المتوازي للأفران التي يزيد وزنها عن 80 طنًا. يتميز تصميم الكابولي بسرعة دورة التشغيل (15 إلى 20 ثانية للرفع حتى الفتح الكامل)، ولكنه يتطلب مساحة رأسية أكبر فوق الفرن. أما تصميم السقف المنزلق فهو أكثر إحكامًا ويتحمل أجزاء سقف أثقل، ولكنه يُضيف من 5 إلى 10 ثوانٍ إلى دورة التشغيل.
عمود القطب الكهربائي ونظام التثبيت
تحمل أعمدة الأقطاب الكهربائية أقطاب الجرافيت وأذرعها، وتُنظّم طول القوس الكهربائي عبر الحركة الرأسية. وتُعدّ سرعة التنظيم بالغة الأهمية: إذ يحتاج فرن الضغط العالي جدًا إلى حركة رأسية تتراوح بين 5 و10 أمتار في الدقيقة لمواكبة التغيرات السريعة في مستوى حوض اللحام أثناء انهيار الخردة.
تطورت محركات الصاري من الأسطوانات الهيدروليكية إلى محركات التيار المتردد المؤازرة المزودة ببراغي كروية. يوفر نظام المؤازرة استجابة أسرع، ودقة تحديد مواقع أفضل، وسهولة أكبر في التكامل مع منظم القوس الكهربائي القائم على النموذج. عادةً ما يكون تثبيت الأقطاب الكهربائية هوائيًا مع مشبك أمان زنبركي، مما يسمح بانزلاق سريع للأقطاب في حالات الطوارئ.
آلية الإمالة
تُعدّ آلية الإمالة الجزء المتحرك الذي يحظى بأكبر قدر من الاهتمام أثناء الصيانة الدورية. يميل الفرن من 12 إلى 15 درجة للأمام لتفريغ المواد الخام، ومن 5 إلى 8 درجات للخلف لإزالة الخبث. يجب أن تكون حركة الإمالة سلسة، قابلة للتحكم، وقابلة للعكس ضمن حدود زمن الدورة.
يُستخدم نظامان شائعان لأنظمة إمالة الرافعات: الأسطوانات الهيدروليكية (في التصاميم القديمة) ونظام التروس المسننة المُدار بمحرك تيار متردد (في التصاميم الحديثة). يتميز نظام التروس المسننة بموثوقية أعلى في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، كما أنه يتجنب مخاطر التسرب التي قد تُصاحب الأنظمة الهيدروليكية. تُوصي شركة مونتي إنتليجنس باستخدام أنظمة إمالة الرافعات ذات التروس المسننة في جميع المنشآت الجديدة التي تزيد حمولتها عن 60 طنًا.
ترتكز آلية الإمالة على حلقة محورية، وهي عبارة عن قطعة فولاذية ثقيلة مثبتة على منصة الفرن. تُبرّد محامل المحور بالماء في الأفران الكبيرة لمنع ارتفاع درجة حرارتها بفعل الإشعاع المنبعث من غلاف الفرن. يتم توفير بيانات موضع الإمالة بواسطة مشفرات مطلقة احتياطية، مع وجود أقفال أمان لإيقاف الإمالة عند نقاط ضبط الصب والتنظيف.
نظام فتحة الصنبور ذات القاع اللامركزي (EBT)
تستخدم جميع تصاميم أفران القوس الكهربائي الحديثة أنظمة الصب الإلكتروني (EBT) لأنها تصب 95% أو أكثر من الفولاذ مع الحد الأدنى من بقايا الخبث. تقع فتحة الصب في الجدار الجانبي السفلي، منحرفة قليلاً عن محور حوض الصهر. تُملأ فتحة الصب بمادة رملية بين عمليات الصهر، وتُفتح بواسطة أنبوب أكسجين عند الصب.
تُجرى عملية دك الرمل في فرن القوس الكهربائي الحديث بشكل آلي في معظم الأفران الحديثة. تقوم آلة دك الرمل بتحديد موضع فتحة الصب، وضغط الرمل بضغط يتراوح بين 4 و6 بار، وتشكيل شكل فتحة الصب. تستغرق دورة الدك من 60 إلى 90 ثانية. يعتمد عمر فتحة الصب على التركيب الكيميائي للحمام ودرجة حرارة الصب، ولكن عادةً ما يتراوح عمر فتحة الصب في فرن القوس الكهربائي بين 200 و400 دورة تسخين قبل الحاجة إلى التجديد.
نظام كشط الخبث
تُزيل عملية كشط الخبث طبقة الخبث المؤكسدة بعد عملية الصب لتنظيف الحوض استعدادًا للصهر التالي، واستعادة الخبث الحامل للحديد لإعادة تدويره. قد يشكل الخبث ما بين 12 و18% من وزن الخبث المصبوب، وتستعيد عملية الكشط الجيدة ما بين 80 و90% منه كخبث قابل للبيع أو كمادة خام للتلبيد.
يهيمن نظامان رئيسيان لإزالة الخبث: تصميم باب الخبث (باب مفصلي على الجدار الجانبي للفرن يُفتح لسكب الخبث) وتصميم وعاء الخبث (وعاء متحرك موضوع خارج الفرن لالتقاط الخبث عند ميل الفرن للخلف). يُعد تصميم وعاء الخبث أكثر كفاءة، وهو النظام القياسي في معظم أفران القوس الكهربائي الحديثة التي تزيد سعتها عن 60 طنًا.
ألواح تبريد بالماء وشعلة/مصباح أكسجين
تُغطي الألواح المبردة بالماء ما بين 70 و90 بالمئة من خط الخبث في فرن القوس الكهربائي الحديث، بينما يبقى الجزء المتبقي من المواد المقاومة للحرارة. يُعد تدفق مياه التبريد للألواح بالغ الأهمية، فالتدفق غير الكافي يؤدي إلى احتراق الألواح، بينما يؤدي التدفق الزائد إلى هدر الطاقة.
عادةً ما يكون أنبوب حقن الأكسجين مصممًا بتقنية التبريد المائي فوق الصوتي، بسرعة خروج تتراوح بين 1.5 و3.0 ماخ. يقوم الأنبوب بحقن الأكسجين لإزالة الكربون، وحقن الكربون لتكوين خبث رغوي، وحقن الجير لتكييف الخبث. تستخدم تصاميم أفران القوس الكهربائي الحديثة أنبوبين أو ثلاثة أنابيب عبر باب الخبث أو الجدار الجانبي، مع نظام تحديد المواقع الآلي لتحسين نقطة اصطدام الأكسجين بالحوض.
تجميعها
يُحدد التصميم الميكانيكي لفرن القوس الكهربائي مدى جاهزيته وإنتاجيته وتكلفة تشغيله. يمكن لفرن قوس كهربائي مصمم جيدًا بسعة 100 طن أن يُشغل ما بين 8000 و9000 دورة تسخين سنويًا بين عمليات الصيانة الرئيسية. أما الفرن المصمم بشكل سيئ، فسيواجه صعوبة في الوصول إلى 5000 دورة تسخين. لا يكمن الفرق في الأنظمة الكهربائية أو أنظمة التحكم - فهذه الأنظمة مُجربة وموثوقة. بل يكمن الفرق في الهيكل الخارجي، وزاوية الميل، والسقف، وفتحة الصب.
أمضت شركة مونتي إنتليجنس عشرين عاماً في تطوير هذه العناصر الميكانيكية. تفضل بزيارة الموقع الإلكتروني.www.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html للحصول على صور التركيب وقائمة المراجع، يُرجى التواصل عبر البريد الإلكتروني helenxu@cnlymonte.com لمناقشة مشروعك القادم المتعلق بفرن القوس الكهربائي (EAF) بسرية تامة، مع كتابة "تصميم ميكانيكي لفرن القوس الكهربائي" في خانة الموضوع.
