يُعدّ فرن التشكيل من أهمّ المعدات في أيّ ورشة حدادة. فهو يستقبل قضبانًا أو سبائكًا باردة ويُخرجها بدرجة الحرارة المناسبة تمامًا - عادةً ما بين 1150 و1250 درجة مئوية لتشكيل الفولاذ - كل 30 إلى 90 ثانية، على مدار الساعة. ولا يُمكن التهاون في موثوقية الفرن وثبات درجة حرارته: فانحراف الفرن بمقدار 30 درجة مئوية عن درجة الحرارة المضبوطة يُمكن أن يُفسد إنتاج يوم كامل، وتعطل الفرن يُوقف عملية الكبس أو المطرقة ويُجبر فريق الحدادة على العودة إلى منازلهم.
تُزوّد شركة مونتي إنتليجنس مصانع الحدادة في آسيا والشرق الأوسط بأفران الحدادة التي تعمل بالغاز، بنوعيها: أفران الدفعات (ذات الموقد المتحرك) والأفران المستمرة (ذات الموقد الدافع، والموقد ذي العارضة المتحركة، والموقد الدوار). تتناول هذه المقالة عوامل التصميم والتشغيل التي تحدد أداء أفران الحدادة.
تقع درجة حرارة التشكيل للفولاذ ضمن نطاق التشكيل الساخن، أعلى من درجة حرارة إعادة التبلور حيث يلين المعدن ويمكن تشكيله بقوى أقل. بالنسبة للفولاذ متوسط الكربون والفولاذ السبائكي، يتراوح نطاق درجة حرارة التشكيل عادةً بين 1150 و1250 درجة مئوية. يُحدد الحد الأعلى بدرجة حرارة الاحتراق - وهي درجة الحرارة التي يبدأ عندها انصهار حدود الحبيبات (حوالي 1250-1300 درجة مئوية للعديد من أنواع الفولاذ) - وبمعدل تكوّن القشور، الذي يزداد بشكل أُسّي مع درجة الحرارة. أما الحد الأدنى فيُحدد بقوة التشكيل المطلوبة وخطر حدوث تشققات في قطعة العمل.
يُحدد تجانس درجة الحرارة في فرن التشكيل تجانس تدفق المعدن أثناء عملية التشكيل. فعند تسخين قطعة معدنية إلى 1200 درجة مئوية من أحد طرفيها و1150 درجة مئوية من الطرف الآخر، سيختلف تدفق المعدن عند كل طرف، مما قد يُسبب مشاكل في ملء القالب، أو تباينًا في الأبعاد، أو تشققًا عند الطرف الأبرد. يتراوح معيار تجانس درجة حرارة فرن التشكيل بين ±14 درجة مئوية (الفئة 5 وفقًا لمعيار AMS 2750) و±28 درجة مئوية (الفئة 6)، وهو معيار أقل صرامة من متطلبات تجانس المعالجة الحرارية، لأن عملية التشكيل اللاحقة تُعيد توزيع المعدن، وبالتالي يتم تقليل أي اختلافات طفيفة في درجة الحرارة.
يجب أن يوازن معدل التسخين في عمليات التشكيل بين الإنتاجية وخطر التصدع الناتج عن الإجهاد الحراري في قطعة العمل. قد تتصدع قطعة من فولاذ الأدوات بقطر 200 مم، يتم تسخينها من درجة حرارة الغرفة بمعدل 100 درجة مئوية في الدقيقة، نتيجةً للإجهاد الحراري بين السطح الساخن واللب البارد. يعتمد الحد الأقصى لمعدل التسخين الآمن على نوع الفولاذ، ومقطعه العرضي، ودرجة حرارته الابتدائية. تتطلب أنواع الفولاذ عالية الكربون والفولاذ عالي السبائك معدلات تسخين أبطأ من أنواع الفولاذ الكربوني العادي. كما تتطلب القطع الباردة في فصل الشتاء (التي تبدأ من 0 درجة مئوية) تسخينًا أبطأ من القطع التي تم تسخينها مسبقًا عن طريق تخزينها في مكان دافئ.
تكوّن القشور هو أكسدة سطح الفولاذ أثناء التسخين في فرن التشكيل. تمثل طبقة القشور - أكسيد الحديد، FeO، Fe3O4، Fe2O3 - فقدانًا للمادة (عادةً ما بين 1-3% من وزن البليت)، ومسرّعًا لتآكل القالب (القشور مادة كاشطة وتؤدي إلى تآكل أسطح قوالب التشكيل بشكل أسرع من المعدن النظيف)، ومشكلة في تشطيب السطح (تتطلب القشور المتراكمة في سطح التشكيل مساحة أكبر للتشكيل).
يعتمد معدل تكوّن القشور بشكل أساسي على درجة الحرارة والوقت. عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، تتكوّن طبقة من القشور بسمك 0.1 مم تقريبًا على قطعة من الفولاذ الكربوني في الهواء خلال 15 دقيقة. وبعد 60 دقيقة، قد يصل سمك القشور إلى 0.3-0.5 مم. ويعني هذا الاعتماد الأسي على درجة الحرارة أن زيادة درجة حرارة الفرن بمقدار 50 درجة مئوية يمكن أن تضاعف معدل تكوّن القشور. وهذا أحد الأسباب التي تجعل التحكم الدقيق في درجة الحرارة ذا قيمة اقتصادية تتجاوز مجرد توفير الطاقة، فهو يقلل بشكل مباشر من فقدان المادة بسبب القشور.
يمكن أن يقلل تشغيل الفرن في جو مُختزل - أي حرق الغاز بكمية هواء أقل من الكمية المتكافئة، مما ينتج عنه أول أكسيد الكربون والهيدروجين في نواتج الاحتراق - من تكوّن الترسبات. يتفاعل أول أكسيد الكربون والهيدروجين مع أكاسيد الحديد، مُختزلين إياها إلى حديد معدني. مع ذلك، فإن التشغيل بكمية وقود غنية يُنتج السخام، ويزيد من انبعاثات أول أكسيد الكربون، ويُثير مخاوف تتعلق بالسلامة (وجود غازات قابلة للاشتعال في نظام المداخن). تُستخدم حالة احتراق غنية بالوقود بنسبة معتدلة - أقل بنسبة 5-10% من كمية الهواء المتكافئة، والتي تُسمى غالبًا باللهب المُختزل - في بعض أفران الحدادة للتحكم في الترسبات، ولكنها تتطلب ضبطًا دقيقًا للموقد ومراقبة دقيقة لغازات المداخن.
تعتمد إنتاجية فرن التشكيل المستمر على طول الجزء المُسخّن من الفرن، وحجم القطعة الفولاذية، ووقت التسخين المطلوب. يمكن تقدير وقت تسخين القطع الفولاذية من المقطع العرضي: حوالي 5-6 دقائق لكل 25 مم من القطر للقطع الدائرية المُسخّنة في فرن غازي مُحرّك جيدًا عند 1200 درجة مئوية. تحتاج قطعة بقطر 100 مم إلى حوالي 22-25 دقيقة للوصول إلى درجة حرارة تشكيل موحدة. مع طول جزء مُسخّن من الفرن يبلغ 6 أمتار ومسافة بين القطع 200 مم على الموقد، يستوعب الفرن حوالي 30 قطعة، وبمعدل 25 دقيقة لكل قطعة، تكون الإنتاجية 30 / 25 × 60 = 72 قطعة في الساعة.
تُعدّ حركة غازات الاحتراق الساخنة حول القوالب آلية نقل الحرارة بالحمل الحراري داخل الفرن. يوفر الحمل الحراري الطبيعي في الفرن الساخن بعض الدوران، ولكن لضمان تسخين متجانس بمعدل إنتاجية عالٍ، تُعدّ مراوح إعادة التدوير ضرورية. تقوم هذه المراوح، التي تُركّب عادةً في سقف الفرن أو جدرانه الجانبية، بسحب الغازات الساخنة من حجرة الفرن وإعادة ضخّها إليها بسرعة عالية، مما يُنشئ بيئة مُحرّكة تُسخّن جميع أسطح القوالب بشكل متجانس.
تم تصميم أفران التشكيل MONTE INTELLIGENCE للعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع مع بطانة حرارية قوية، وشعلات صناعية، وأنظمة تحكم مهيأة للدورة الحرارية التي تتطلبها عمليات التشكيل.
للحصول على عرض سعر لفرن تشكيل المعادن بناءً على متطلبات الإنتاج الخاصة بك، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
