تُحدد طريقة نقل الحرارة من اللهب إلى المادة المراد معالجتها في فرن الغاز جودة المنتج، وكفاءة استهلاك الطاقة، ونطاق العمليات التي يُمكن للفرن القيام بها. ولكل من الطرق الثلاث الأساسية - الاحتراق المباشر، والاحتراق غير المباشر مع استخدام العازل، والأنبوب الإشعاعي - استخداماتها، ويؤدي اختيار الطريقة الخاطئة إلى مشاكل في الجودة، أو ارتفاع تكلفة الطاقة، أو كليهما.
تُوفر شركة مونتي إنتليجنس أفرانًا تعمل بالغاز بجميع التكوينات الثلاثة. تُقارن هذه المقالة بين التصاميم وفقًا للمعايير المهمة لعمليات المعالجة الحرارية.
تحرق الأفران ذات الاحتراق المباشر الغاز الطبيعي (أو أي نوع آخر من غازات الوقود) مباشرةً داخل حجرة الاحتراق، وتتلامس نواتج الاحتراق - اللهب وغازات الاحتراق الساخنة - مع المادة المراد حرقها مباشرةً. تُشعل الشعلات في الحجرة، وتدور الغازات الساخنة حول المادة المراد حرقها (مدفوعةً بالحمل الحراري الطبيعي أو مراوح إعادة التدوير)، وتخرج غازات العادم عبر مدخنة. يُعد هذا التصميم أبسط أنواع الأفران وأكثرها كفاءةً في استهلاك الطاقة، إذ لا يوجد حاجز بين مصدر الحرارة والمادة المراد حرقها، فجميع طاقة الاحتراق متاحة لتسخين المادة، باستثناء الحرارة المحسوسة التي تنتقل عبر غازات الاحتراق.
من عيوب التسخين المباشر أن المادة المراد معالجتها تتعرض لجو الاحتراق. تحتوي نواتج الاحتراق على ثاني أكسيد الكربون (CO2) وبخار الماء (H2O)، وكلاهما يتأكسد الفولاذ عند درجات حرارة المعالجة الحرارية. عند تسخين الفولاذ في فرن التسخين المباشر، تتكون طبقة أكسيد (قشرة المطحنة) على سطحه. في العديد من التطبيقات - كالتسخين المسبق للتشكيل، والتطبيع، وتخفيف الإجهاد، والتلدين قبل التشغيل الآلي - يُعد هذا مقبولاً لأن هذه الطبقة ستُزال في عمليات المعالجة اللاحقة أو أنها لا تُلحق ضرراً بالمنتج.
لا يُعد التسخين المباشر خيارًا مناسبًا عندما تكون جودة السطح بالغة الأهمية. فعمليات الكربنة، والكربنة النيتروجينية، والتصليد اللامع، وأي عملية تتطلب جهدًا كربونيًا محددًا، لا تتحمل وجود نواتج الاحتراق غير المنضبطة. في هذه التطبيقات، يجب فصل نواتج الاحتراق عن المادة المراد معالجتها، مما يستدعي استخدام أنظمة التسخين غير المباشر.
تستخدم الأفران غير المباشرة غلافًا عازلًا للحرارة، مصنوعًا من سبيكة مقاومة للحرارة أو من السيراميك، يفصل غرفة الاحتراق عن غرفة العمل. تعمل الشعلات خارج الغلاف العازل، مما يؤدي إلى تسخين جداره، الذي بدوره يشع الحرارة إلى قطعة العمل الموجودة بداخله. ويتم الحفاظ على جو مُتحكم به - باستخدام غاز ماص للحرارة، مثل النيتروجين والهيدروجين - داخل الغلاف العازل لحماية قطعة العمل. ولا تلامس نواتج الاحتراق قطعة العمل أبدًا.
يُعدّ المَفْل المكوّن الأساسي لهذا النوع من الأفران. عند درجات حرارة تصل إلى 950 درجة مئوية تقريبًا، يُصنع المَفْل من سبيكة مقاومة للحرارة - عادةً RA330 أو Incoloy 800HT أو سبيكة نيكل عالية الصب - بعمر افتراضي يتراوح بين 3 و5 سنوات. أما عند درجات حرارة أعلى، تصل إلى 1150 درجة مئوية، فتُستخدم مَافْل من كربيد السيليكون، إلا أنها هشة وأكثر تكلفة. يُمثّل المَفْل تكلفة رأسمالية كبيرة - عادةً ما بين 15 و25% من إجمالي تكلفة الفرن - ويُعدّ استبداله في نهاية المطاف نفقة صيانة رئيسية.
تتمثل خسارة الطاقة في غرفة الاحتراق في انخفاض درجة الحرارة عبر جدارها. ولتسخين غرفة العمل إلى 850 درجة مئوية، يجب أن تكون درجة حرارة غرفة الاحتراق أعلى - عادةً ما بين 950 و1050 درجة مئوية - لتوفير القوة الدافعة لانتقال الحرارة عبر غرفة الاحتراق. وتؤدي درجة حرارة غرفة الاحتراق الأعلى إلى ارتفاع درجة حرارة غازات الاحتراق وزيادة فقد الحرارة، مما يقلل من الكفاءة الحرارية للفرن بنسبة تتراوح بين 10 و20% مقارنةً بفرن احتراق مباشر مماثل.
يُعدّ التسخين الإشعاعي الأنبوبي أحد أشكال التسخين غير المباشر الذي أصبح معيارًا للأفران المستمرة، بما في ذلك أفران الحزام الشبكي. فبدلاً من استخدام حجرة احتراق كبيرة واحدة، يستخدم هذا الفرن أنابيب إشعاعية متعددة - أنابيب معدنية محكمة الإغلاق تمر عبر حجرة الفرن. يشتعل الموقد داخل الأنبوب، وتنتقل نواتج الاحتراق عبره (غالبًا مع إعادة تدوير داخلية لتحسين تجانس انتقال الحرارة)، ثم تُطرد من الطرف المقابل. ويشع السطح الخارجي للأنبوب الحرارة إلى المادة المراد حرقها.
توفر الأنابيب المشعة مزايا عديدة مقارنةً بالفرن ذي الطبقة الواحدة. إذ يمكن ترتيب الأنابيب لتوفير تسخين أكثر تجانسًا - عادةً في صفوف أعلى وأسفل منطقة العمل - مقارنةً بالفرن ذي الطبقة الواحدة الذي يسخن بشكل أساسي من الجوانب والأعلى. كما يمكن إزالة الأنابيب الفردية واستبدالها دون فتح حجرة الفرن، مما يقلل من وقت توقف الصيانة. قطر الأنبوب صغير بما يكفي (عادةً 100-200 مم) بحيث يمكن أن يكون سمك الجدار متوسطًا (5-8 مم) مع توفير قوة ميكانيكية كافية ومقاومة للتآكل.
يُعدّ تصميم الأنبوب المشع على شكل حرف U الأكثر شيوعًا: حيث يُشعل الموقد النار في أحد فرعي حرف U، وتنتقل غازات الاحتراق إلى الطرف المغلق ثم تعود عبر الفرع الآخر إلى العادم. يوفر هذا التصميم نقلًا حراريًا جيدًا لأن اللهب ذو درجة الحرارة العالية يكون في أحد الفرعين بينما تكون غازات العادم الأبرد في الفرع الآخر، مما ينتج عنه درجة حرارة سطح أنبوب أكثر تجانسًا من تصميم التدفق المباشر. تُستخدم أنابيب W وأنابيب الاسترجاع أحادية الطرف (أنابيب SER) في التطبيقات التي تتطلب إطلاق كمية أكبر من الحرارة لكل أنبوب.
يعتمد اختيار مادة الأنابيب على درجة حرارة الفرن. عند درجات حرارة تصل إلى 950 درجة مئوية، توفر أنابيب سبائك HK-40 المصبوبة (25% كروم، 20% نيكل) أو HP (25% كروم، 35% نيكل) عمرًا تشغيليًا مناسبًا. أما عند درجات حرارة أعلى أو في بيئات تحتوي على غازات مؤكسدة قد تسبب غبارًا معدنيًا، فيلزم استخدام سبائك نيكل أعلى أو أنابيب خزفية (كربيد السيليكون). يتراوح عمر الأنابيب في عمليات المعالجة الحرارية النموذجية بين سنتين وخمس سنوات، وتشمل أسباب التلف التمزق الزحفي (نتيجة التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة عالية تحت وزن الأنبوب)، والأكسدة (ترقق جدار الأنبوب من جهة الاحتراق)، والتكربن (امتصاص الكربون الذي يُسبب هشاشة الأنبوب).
توصي شركة مونتي إنتليجنس بتصميم نظام التسخين بناءً على درجة حرارة العملية، ومتطلبات الغلاف الجوي، وحجم الإنتاج، والميزانية الرأسمالية. بالنسبة لتطبيقات التسخين المسبق والتطبيع في عمليات التشكيل، يوفر التسخين المباشر أفضل نسبة بين التكلفة والأداء. أما بالنسبة للمعالجة الحرارية في جو مُتحكم به، فيتم تحديد تصميمات الأنابيب الإشعاعية أو المَخْبَة بناءً على هندسة الفرن ودرجة حرارة التشغيل.
للحصول على توصيات بشأن تكوين فرن الغاز بما يتناسب مع عمليتك، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
