تُعدّ مادة الشحنة أكبر بند في التكاليف المتغيرة لعملية الصهر بالحث، وهي العامل الأكثر تأثيرًا بشكل مباشر على معدل الصهر، واستهلاك الطاقة، وجودة المعدن. ويمكن لبرنامج شحن مُدار بعناية أن يُقلل استهلاك الطاقة بنسبة 10-15% ويُحسّن معدل الصهر بنسبة مماثلة، مقارنةً بشحن أي خردة متوفرة.
تقدم شركة مونتي إنتليجنس توصيات بشأن مواد الشحن كجزء من توريد أفران الحث. تتناول هذه المقالة مبادئ اختيار الشحنة وتحضيرها وإدارتها لصهر الحديد والصلب بالحث.
تندرج مواد الشحن المستخدمة في الصهر بالحث ضمن عدة فئات: مخلفات المسبك (البوابات، والأنابيب الصاعدة، وخردة المسبوكات من عمليات المسبك نفسه)، وخردة الصلب المشتراة (من تجار الخردة، وعادة ما يتم فرزها حسب الدرجة)، والحديد الزهر (الحديد الخام من الفرن العالي أو الاختزال المباشر)، وإضافات السبائك (السبائك الحديدية، والمواد الكربنة، وغيرها من المواد المضافة لضبط التركيب الكيميائي).
الشحنة المثالية هي مزيج يوفر التركيب الكيميائي المطلوب بأقل قدر من التعديل، وينصهر بشكل متجانس دون تكتل، ويكلف أقل ما يمكن لكل طن من المعدن السائل. ويتطلب تحقيق هذه الشحنة المثالية موازنة الخصائص المعدنية وتكلفة كل مكون من مكوناتها.
يُعدّ توزيع حجم الشحنة عاملاً مهماً في كفاءة الصهر في أفران الحث. تخترق آلية التسخين بالحث - التيارات الدوامية الناتجة عن المجال المغناطيسي المتناوب - الشحنة إلى عمق يُسمى العمق المرجعي، والذي يعتمد على التردد والخصائص الكهربائية لمادة الشحنة. بالنسبة للحديد عند تردد 1000 هرتز، يبلغ العمق المرجعي حوالي 7 مم. يحدث التسخين بشكل أساسي داخل هذه الطبقة السطحية، ثم تنتقل الحرارة إلى الداخل.
تسخن شحنة مكونة من قطع كبيرة صلبة - مثلاً، قطع فولاذية مثقوبة بقطر 200 مم - في نطاق 7 مم فقط من السطح حتى تنتقل الحرارة إلى المركز. قد ينصهر السطح بينما لا يزال المركز بارداً، مما يؤدي إلى ظاهرة الجسور حيث تشكل القطعة المنصهرة جزئياً قوساً عبر الفرن يمنع باقي الشحنة من النزول إلى المصهور. أما الشحنة ذات الأحجام المختلفة - من خردة مقطعة بحجم 10 مم إلى خردة ثقيلة بحجم 150 مم - فتستقر بشكل أكثر انتظاماً في الفرن وتنصهر بكفاءة أكبر لأن القطع الأصغر تملأ الفراغات بين القطع الأكبر وتزيد من نسبة السطح إلى الحجم الفعالة.
تُعدّ نظافة الشحنة أمرًا بالغ الأهمية لجودة المعدن وعمر بطانة الفرن. يزيد الصدأ (أكسيد الحديد) من حجم الخبث، ويستهلك الطاقة (إذ يتطلب اختزال Fe2O3 إلى Fe الكربون والطاقة)، ويُلحق الضرر ببطانة السيليكا (يُعدّ FeO عاملًا مساعدًا في صهر مواد السيليكا الحرارية، مما يُقلل من عمر البطانة). يُنتج الزيت والشحم الموجودان على الشحنة دخانًا أثناء الصهر، مما يُشكّل مشكلة بيئية وانبعاثات ضارة، وقد يُدخلان الهيدروجين إلى المعدن، مُسببين مسامية في المسبوكات. يزيد الرمل والأوساخ الموجودان على الشحنة من حجم الخبث دون أن يُساهما في استخلاص أي معدن.
التسخين المسبق للشحنة تقنية تُستخدم في أفران الحث الكبيرة (التي تزيد سعتها عن 5 أطنان تقريبًا) لتحسين الكفاءة. يُزيل تسخين الشحنة إلى درجة حرارة تتراوح بين 400 و600 درجة مئوية قبل وضعها في الفرن الرطوبة (مما يُزيل خطر انفجارات البخار في حال ملامسة الشحنة الرطبة للحمام المنصهر)، ويحرق الزيوت والملوثات العضوية (مما يُقلل من الدخان وامتصاص الهيدروجين)، ويُقلل من الطاقة الكهربائية اللازمة للفرن (حيث يستخدم المُسخّن المسبق الغاز الطبيعي الأقل تكلفة بدلًا من الكهرباء). يُمكن للمُسخّن المسبق للشحنة أن يُقلل من إجمالي تكلفة الصهر بنسبة تتراوح بين 5 و10%، وذلك بحسب أسعار الغاز الطبيعي والكهرباء.
يؤثر ترتيب الشحن على معدل الانصهار والسلامة. يجب أن تكون الشحنة الأولى في الفرن البارد عبارة عن قطع صغيرة تتراص جيدًا حول الجدران وتوفر اتصالًا جيدًا بالملف، مما يُسرّع عملية التسخين ويساعد على رفع درجة حرارة بطانة الفرن بشكل متجانس. بمجرد تكوّن بركة سائلة، يمكن إضافة قطع أكبر لأن المعدن السائل المحيط بها يُحسّن الاتصال. يجب أن تترك الشحنة الأخيرة مساحة كافية (المسافة من سطح المعدن المنصهر إلى أعلى البوتقة) لعملية التقليب وإضافة عناصر السبائك.
تُعدّ ظاهرة التجسير مشكلة تشغيلية شائعة في جميع أفران الصهر بالحث. حيث تتشكل جسرية من الشحنة المعدنية فوق قطر الفرن، مانعةً الشحنة العلوية من النزول إلى داخل المصهور. ويستمر المصهور السفلي في التسخين، وقد تصل درجة حرارته إلى مستويات عالية جدًا تُلحق الضرر بالبطانة الحرارية. ويتطلب منع التجسير تحديد حجم الشحنة المعدنية بدقة (بحيث لا يزيد حجم أي قطعة عن ثلث قطر الفرن تقريبًا)، والشحن بعناية (بحيث لا تُوضع قطعة كبيرة واحدة بشكل مسطح)، والمراقبة الدقيقة أثناء دورة الصهر.
في مصانع الصب التي تصهر سبائك متعددة، يُعدّ التلوث المتبادل بين السبائك خطرًا على الجودة. فالفرن الذي صُهر فيه الحديد المطاوع (الذي يحتوي على المغنيسيوم) ثم شُحن بخردة الحديد الرمادي (الذي لا يحتوي على المغنيسيوم) قد يُنتج مصبوبات غير مطابقة للمواصفات إذا احتفظت بطانة الفرن بالمغنيسيوم من عملية الصهر السابقة. والحل يكمن إما في تخصيص أفران لكل نوع من أنواع السبائك، أو في التنظيف الشامل للفرن بين كل تغيير للسبائك، بما في ذلك كشط بطانة الفرن لإزالة المعدن الملتصق والخبث.
تقدم شركة MONTE INTELLIGENCE استشارات حول مواد الشحن كجزء من مشاريع أفران الحث الخاصة بنا، بما في ذلك تحديد مواصفات الخردة، وتحسين مزيج الشحن، ودمج المسخن المسبق.
للحصول على توصيات بشأن مواد الشحن المناسبة لمسبكك، تواصل مع helenxu@cnlymonte.com.
