كل مشغل فرن القوس الكهربائي ممن واجهوا عطلاً في حلقة السقف يدرك التكلفة الباهظة. فعند سقوط حلقة السقف، تُفقد الحرارة بالكامل. ليس الحرارة فحسب، بل يتوقف جدول الإنتاج، ووحدة الصب، ومصنع الدرفلة. كل شيء يتوقف.
في شركة مونتي إنتليجنس، قمنا بتوريد حلقات أسقف أفران القوس الكهربائي لمصانع الصلب في آسيا والشرق الأوسط وأفريقيا. ومن خلال هذه المشاريع، تعلمنا ما ينجح وما لا ينجح. هذه المقالة تُشارك خبرتنا الميدانية.
تقع حلقة سقف فرن القوس الكهربائي عند ملتقى ثلاث بيئات قاسية. فمن الأسفل، تتعرض للإشعاع المباشر من القوس الكهربائي، حيث قد تتجاوز درجات الحرارة 1700 درجة مئوية في النقاط الساخنة. ومن الجانب، تتحمل الحمل الميكانيكي للأقطاب الكهربائية، التي يزن كل منها عدة أطنان وتهتز أثناء عملية الصهر. ومن الداخل، تقوم بتوجيه مياه التبريد عبر ممرات يجب أن تبقى محكمة الإغلاق تمامًا في ظل دورات حرارية قد تتسبب في تشقق الفولاذ العادي.
يبدأ اختيار المواد بالفولاذ الأساسي. تستخدم معظم حلقات الأسقف الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304 أو 316 للألواح المبردة بالماء. ويعتمد الاختيار بين 304 و316 على سؤال واحد: ما مقدار الكلوريد في مياه التبريد؟ إذا كنت تستخدم نظامًا مغلقًا بمياه معالجة، فإن 304 مناسب تمامًا. أما إذا كنت تستخدم نظام تبريد مباشر من نهر أو بئر بمياه ذات جودة متغيرة، فإن مقاومة 316 للتنقر الناتج عن الكلوريد - بفضل محتواه من الموليبدينوم بنسبة 2-3% - تُعوّض تكلفتها خلال السنة الأولى. وقد لاحظنا ظهور ثقوب دقيقة في حلقات أسقف 304 خلال ستة أشهر في مياه تبريد مالحة، بينما استمرت حلقات 316 في نفس المحطة لمدة ثلاث سنوات.
تُعدّ منطقة دلتا المادة الحرارية - وهي الجزء المثلثي بين منافذ الأقطاب الكهربائية الثلاثة - نقطة انطلاق معظم حالات تلف حلقات السقف. تشهد هذه المنطقة أعلى درجات الحرارة الإشعاعية وأعلى تدرج حراري بين الفولاذ المبرد بالماء وسطح المادة الحرارية. يعتمد النهج التقليدي على استخدام طوب عالي الألومينا (85-90% Al2O3)، مما يوفر عمرًا تشغيليًا جيدًا في ظل ظروف التشغيل العادية. مع ذلك، عند تشغيل الفرن لفترات طويلة بتقنية القوس الكهربائي، أو عند احتواء خليط الخردة على نسب عالية من الحديد المختزل المباشر مع ما يصاحبه من خبث رغوي، تتعرض المادة الحرارية في منطقة دلتا لتلف شديد.
في ظل هذه الظروف، نوصي باستخدام طوب المغنيسيا الكربوني لمنطقة الدلتا. يجمع طوب MgO-C بين مقاومة المغنيسيا العالية للحرارة (درجة انصهار 2800 درجة مئوية) ومقاومة الكربون للخَبَث. كما يوفر الكربون موصلية حرارية تساعد على توزيع الحمل الحراري بشكل أكثر تجانسًا، مما يقلل من درجات حرارة النقاط الساخنة بمقدار 50-80 درجة مئوية مقارنةً بالطوب عالي الألومينا وحده. لكن التكلفة هي العامل الحاسم - إذ يزيد سعر طوب MgO-C بنحو 40% عن الطوب عالي الألومينا - إلا أن عمره التشغيلي الأطول عادةً ما يُعوّض هذا الاستثمار الإضافي بنسبة 2:1.
يُفرّق تصميم التبريد المائي بين حلقات السقف المناسبة والممتازة. ويُعدّ معدل تدفق الماء عبر قنوات التبريد العاملَ الأساسي. فإذا كان أقل من 1.5 متر في الثانية، يزداد خطر الغليان النووي في النقاط الساخنة، مما يُشكّل جيوبًا بخارية تعزل الفولاذ عن ماء التبريد. وبمجرد تشكّل البخار، قد ترتفع درجة حرارة الفولاذ بمقدار 200 درجة مئوية في ثوانٍ، مما يؤدي إلى تشقق الإجهاد الحراري. لذا، نُصمّم بحيث يكون الحد الأدنى لمعدل تدفق الماء 2.0 متر/ثانية في جميع قنوات حلقات السقف، مع سرعات أعلى تتراوح بين 2.5 و3.0 متر/ثانية في مناطق منافذ الأقطاب الكهربائية حيث يكون تدفق الحرارة في أعلى مستوياته.
يُعدّ توزيع التدفق بنفس أهمية التدفق الكلي. فحلقة السقف ذات التبريد غير المتساوي تُولّد تدرجات حرارية عبر هيكلها. وتُؤدي هذه التدرجات إلى تمدد حراري تفاضلي، مما يُولّد إجهادًا ميكانيكيًا عند الوصلات الملحومة - تحديدًا في المناطق التي لا نرغب بوجود إجهاد فيها. نستخدم نمذجة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) للتحقق من أن كل ممر مائي يتلقى التدفق التصميمي المطلوب قبل بدء إنتاج الحلقة.
يؤثر تصميم دلتا - أي كيفية ترتيب منافذ الأقطاب الكهربائية على السطح - على كلٍ من الأداء الكهربائي وعمر المواد الحرارية. في تصميم دلتا القياسي، تقع الأقطاب الثلاثة عند رؤوس مثلث متساوي الأضلاع. يُعد قطر دائرة التباعد (PCD)، وهو قطر الدائرة المارة بمراكز الأقطاب الثلاثة، معيارًا تصميميًا بالغ الأهمية. فإذا كان قطر دائرة التباعد صغيرًا جدًا، تُسخن الأقواس الكهربائية الجدران الجانبية بشكل مفرط. أما إذا كان كبيرًا جدًا، فتتكون جسور من الخردة غير المنصهرة بين الأقطاب.
بالنسبة لفرن القوس الكهربائي النموذجي سعة 50 طنًا، يتراوح قطر دائرة التفريغ (PCD) بين 700 و900 مم، وذلك تبعًا لقدرة المحول. كلما زادت القدرة، أمكن استخدام قطر دائرة تفريغ أكبر، لأن الأقواس الأطول توفر تغطية حرارية إشعاعية أوسع. يجب أن تستوعب حلقة السقف قطر دائرة التفريغ المُختار مع الحفاظ على سُمك كافٍ للمادة المقاومة للحرارة بين منافذ الأقطاب الكهربائية والغطاء الخارجي. عادةً ما نحدد حدًا أدنى لسُمك المادة المقاومة للحرارة يبلغ 150 مم بين أي منفذ قطب كهربائي والقطر الداخلي لحلقة السقف.
تستحق موانع تسرب منافذ الأقطاب الكهربائية اهتمامًا خاصًا. فكل فجوة حول منفذ القطب تمثل مسارًا لتسرب الغاز الساخن ودخول الهواء. ويُعد دخول الهواء مشكلةً خطيرةً لأنه يُحرق الكربون المتراكم على الأقطاب ويُضيف النيتروجين إلى الفولاذ. تتضمن حلقة السقف المصممة جيدًا موانع تسرب ميكانيكية - إما حلقات من الجرافيت أو حلقات من الفولاذ المقاوم للصدأ مزودة بنابض - تحافظ على التلامس مع القطب أثناء حركته لأعلى ولأسفل خلال عملية الضبط. يجب أن يسمح مانع التسرب بخلوص شعاعي يبلغ حوالي 5 مم لحركة القطب مع الحفاظ على إحكام الغاز بنسبة تسرب لا تتجاوز 2-3%.
يُعدّ التركيب والمحاذاة من أهمّ الفروقات بين التطبيق العملي والنظرية الهندسية. فحلقة السقف المصممة بدقة متناهية على الورق قد تتعطل في غضون أسابيع إذا تم تركيبها بانحراف لا يتجاوز 3 مم. يجب أن تكون الحلقة مستوية تمامًا على غلاف الفرن. أي ميل يُسبب تحميلًا غير متساوٍ على المادة الحرارية وتوزيعًا غير منتظم لتدفق الماء. نحرص دائمًا على شحن حلقات السقف الخاصة بنا بسطح مرجعي مصقول، ونوفر دبابيس محاذاة تتوافق مع حافة غلاف الفرن. يجب على فرق العمل الميدانية التحقق من استواء الحلقة باستخدام ميزان تسوية دقيق (بدقة 0.02 مم/م) في أربع نقاط حولها قبل إحكام ربط براغي التثبيت.
تعتمد فترات الصيانة على ممارسات التشغيل. في الظروف العادية - 20 دورة تسخين يوميًا، ومزيج الخردة المعتاد - افحص طبقة المادة الحرارية بعد كل 200 دورة تسخين. ابحث عن أي تآكل يتجاوز 50% من سمك المادة الحرارية الأصلي، أو تشققات أوسع من 3 مم، أو تقشر عند حواف منافذ الأقطاب الكهربائية. يجب اختبار ضغط الألواح المبردة بالماء عند 1.5 ضعف ضغط التشغيل كل 500 دورة تسخين. أي لوحة تُظهر انخفاضًا في الضغط يزيد عن 5% خلال 15 دقيقة يجب إزالتها وإصلاحها.
صُممت حلقات السقف من مونتي إنتليجنس لتدوم 2000 دورة تسخين على الأقل في ظل ظروف التشغيل العادية. ويتراوح عمرها التشغيلي الفعلي في الميدان بين 1800 و3500 دورة تسخين، وذلك حسب التطبيق. ويعود الفرق بين الحد الأدنى والحد الأقصى إلى ممارسات التشغيل المذكورة أعلاه، وهي: جودة المياه، واختيار المواد المقاومة للحرارة، والالتزام بقواعد المحاذاة.
إذا كنت تخطط لاستبدال حلقة سقف فرن القوس الكهربائي أو مشروع فرن جديد، فتواصل مع فريقنا الهندسي على البريد الإلكتروني helenxu@cnlymonte.com. يمكننا تقديم عرض فني مفصل بناءً على تصميم فرنك المحدد، ومزيج الخردة، وأهداف الإنتاج.
