أنظمة احتراق أفران بوغي هيرث: الأنابيب الإشعاعية، والشعلات، وإعادة التدوير
فرن الموقد المتحرك هو وعاء للمعالجة الحرارية، وليس غرفة احتراق. يحدث الاحتراق داخل أنابيب إشعاعية أو خلف جدران حرارية، وتصل الحرارة إلى قطعة العمل عن طريق الإشعاع أو الحمل الحراري أو كليهما. يؤثر اختيار نظام الاحتراق على جو الفرن، وتجانس درجة الحرارة، وكفاءة الطاقة، وتكلفة الصيانة. إذا لم يُحسن الاختيار، تفشل المعالجة الحرارية - إزالة الكربون، وتكوّن القشور، وعدم تجانس الصلابة. أما إذا أحسن الاختيار، فتكون العملية موثوقة لعقود.
إليكم كيف يعمل نظام الاحتراق فعلياً.
ابدأ بالأنبوب المشع.
الأنبوب الإشعاعي عبارة عن أنبوب معدني أو خزفي محكم الإغلاق يحتوي على عملية الاحتراق. يشتعل الموقد داخل الأنبوب، وتتدفق غازات الاحتراق الساخنة عبره، ثم يشع الأنبوب الحرارة إلى حجرة الفرن. لا تتعرض قطعة العمل لغازات الاحتراق بشكل مباشر. يتم التحكم في جو حجرة الفرن بشكل منفصل، عادةً عن طريق ضخ غاز واقٍ مثل النيتروجين أو عن طريق الحفاظ على ضغط إيجابي طفيف لمنع دخول الهواء.
تُصنع الأنابيب المشعة من ثلاثة مواد رئيسية.
تتحمل أنابيب السبائك المصبوبة - عادةً HK40 (25% كروم، 20% نيكل، والباقي حديد) أو HU (18% كروم، 38% نيكل، والباقي حديد) - درجات حرارة تصل إلى 1050 درجة مئوية في الخدمة المستمرة. وهي ثقيلة الوزن، باهظة الثمن، ولها عمر افتراضي محدود (عادةً من 5 إلى 10 سنوات في فرن يعمل بكفاءة). تُعد أنابيب السبائك المصبوبة عنصرًا أساسيًا في صناعة المعالجة الحرارية.
تتحمل الأنابيب الخزفية - المصنوعة عادةً من كربيد السيليكون (SiC) أو الألومينا - درجات حرارة أعلى (تصل إلى 1250 درجة مئوية لكربيد السيليكون، و1400 درجة مئوية لبعض أنواع الألومينا). وهي أخف وزنًا وأكثر كفاءة حرارية من سبائك الصب، لكنها أكثر هشاشة وأعلى تكلفة. تُستخدم الأنابيب الخزفية في الأفران ذات درجات الحرارة العالية (أعلى من 1050 درجة مئوية) وفي التطبيقات التي يُشكل فيها وزن الأنبوب مشكلة (الأنابيب الكبيرة، والتركيب العلوي).
تُستخدم الأنابيب المعدنية - عادةً من نوع إنكونيل 600 أو 601 - في الأفران ذات درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 950 درجة مئوية) أو في التطبيقات التي يكون فيها الأنبوب مستقيماً وتكون ظروف التشغيل معتدلة. تُعدّ الأنابيب المعدنية الخيار الأرخص، ولكن عمرها الافتراضي هو الأقصر عند درجات الحرارة العالية.
يعتمد شكل الأنبوب على تصميم الفرن.
الأنابيب المستقيمة - التي يتراوح طولها عادةً بين 1.5 و3 أمتار، وقطرها بين 100 و200 ملم - هي أبسط أنواع الأنابيب. يشتعل الموقد من أحد طرفيها، ويخرج العادم من الطرف الآخر، ويشع الأنبوب الحرارة على طوله. وتُستخدم الأنابيب المستقيمة في الأفران الصغيرة والمتوسطة الحجم.
تُستخدم أنابيب على شكل حرف U أو W - والتي يتراوح طولها عادةً بين مترين وأربعة أمتار، مع انحناءة أو اثنتين للعودة - لتوفير مساحة أكبر في مساحة أصغر. يُشعل الموقد من أحد طرفي الأنبوب، ويخرج العادم من الطرف نفسه، ثم ينثني الأنبوب على نفسه. وتُستخدم أنابيب U بكثرة في الأفران الكبيرة.
يُعد تصميم الموقد المتغير الرئيسي الثاني.
المواقد الجوية - وهي الخيار الأبسط والأرخص - تخلط الهواء والغاز عند الموقد ثم تُشعل النار في الأنبوب. يأتي الهواء من منفاخ منخفض الضغط. أما الغاز، فهو عادةً غاز طبيعي أو بروبان. تتميز المواقد الجوية ببساطتها وموثوقيتها وسهولة صيانتها. إلا أنها الأقل كفاءة - حيث تتراوح كفاءتها الحرارية على الأنبوب عادةً بين 50 و60 بالمئة - كما أنها تُنتج أعلى نسبة من أكاسيد النيتروجين.
تستخدم مواقد الطاقة - المعيار الحديث - مروحة سحب قسري أو نظام غاز بضغط موجب لدفع الهواء والغاز عبر الموقد بسرعة أعلى. تتميز مواقد الطاقة بكفاءة تتراوح بين 70 و85% على مستوى الأنبوب، وتنتج كمية أقل من أكاسيد النيتروجين. كما أن اللهب أكثر استقرارًا، ونسبة خفض الحرارة (نطاق معدلات الاحتراق) أوسع، والتحكم فيها أكثر دقة.
تُعدّ الشعلات الاسترجاعية تصميمًا أكثر تطورًا، حيث تُسخّن هواء الاحتراق مسبقًا باستخدام الحرارة المهدرة من غازات الاحتراق. ينقل مبادل حراري معدني أو خزفي داخل جسم الشعلة الحرارة من العادم إلى الهواء الداخل. يمكن تسخين هواء الاحتراق مسبقًا إلى درجة حرارة تتراوح بين 400 و600 درجة مئوية، مما يقلل استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 20 و30 بالمئة. تُعتبر الشعلات الاسترجاعية أغلى ثمنًا من الشعلات عالية الطاقة، لكن وفورات الوقود تُعوّض هذا الفرق في السعر خلال سنة إلى ثلاث سنوات في فرن عالي الكفاءة.
تستخدم الشعلات التجديدية - وهي التصميم الأكثر تطورًا - سريرين للشعلات يتناوبان بين الاحتراق والعادم. يحتوي كل سرير على مُجدِّد خزفي يمتص الحرارة من العادم ثم ينقلها إلى الهواء الداخل. يمكن تسخين هواء الاحتراق مسبقًا إلى 800 إلى 1000 درجة مئوية، مما يوفر من الوقود بنسبة 40 إلى 50 بالمائة. تُعد الشعلات التجديدية الخيار الأعلى كفاءة، ولكنها أيضًا الأغلى والأكثر تطلبًا للصيانة. تُستخدم في الأفران الكبيرة المستمرة (الدافعة، ذات العارضة المتحركة، ذات الموقد الدوار) ولكن نادرًا ما تُستخدم في أفران الموقد المتحرك لأن دورة الاحتراق قصيرة جدًا بحيث لا تُغطي تكلفة المُجدِّد.
نسبة التخفيض مهمة لعمليات الدفعات.
يعمل فرن الموقد ذو العربات بنطاق واسع من معدلات الاحتراق أثناء التسخين. يعمل الموقد بمعدل عالٍ أثناء التسخين الأولي (لرفع درجة حرارة الشحنة من البرودة إلى الحرارة المطلوبة)، ثم ينخفض إلى معدل منخفض أثناء التثبيت (للحفاظ على درجة الحرارة). نسبة خفض معدل الاحتراق هي نسبة أعلى معدل احتراق إلى أدنى معدل احتراق. نسبة 10:1 هي النسبة القياسية. أما نسبة 20:1 أو 30:1 فهي أفضل، خاصةً للأجزاء السميكة التي تحتاج إلى تثبيت طويل بمعدل احتراق منخفض.
يؤدي التحكم غير الدقيق في درجة الحرارة إلى إجبار المشغل على تشغيل وإطفاء الموقد بشكل متكرر عند مستوى منخفض، مما يتسبب في تقلبات في درجة الحرارة، ويزيد من تآكل الموقد، ويهدر الطاقة. أما التحكم الجيد في درجة الحرارة فيتيح للموقد العمل بسلاسة عبر نطاق التشغيل الكامل.
إعادة التدوير هي النظام الرئيسي الثالث.
يحتاج فرن الموقد ذو العربات إلى درجة حرارة موحدة في جميع أنحاء الحجرة. تعمل الأنابيب المشعة على تسخين الغاز بالقرب من الجدران والسقف، ولكن قد يكون الغاز في مركز الحجرة، حيث توضع قطعة العمل، أبرد بمقدار 30 إلى 50 درجة مئوية من الغاز بالقرب من الأنابيب. تقوم مراوح أو فوهات إعادة التدوير بخلط الغاز الساخن من أعلى الحجرة مع الغاز الأبرد في المركز، مما يؤدي إلى توحيد درجة الحرارة.
تختلف تصاميم إعادة تدوير الغاز. تستخدم بعض الأفران مروحة كبيرة واحدة في الجدار الخلفي، تسحب الغاز الساخن من الأعلى وتدفعه إلى أسفل عبر المركز. بينما تستخدم أفران أخرى عدة مراوح أصغر موزعة حول الحجرة. وتستخدم أفران أخرى نفاثات عالية السرعة (بدون مروحة) تسحب الغاز المحيط عبر تأثير فنتوري. يعتمد الاختيار على حجم الفرن، وحجم قطعة العمل، ومتطلبات توحيد درجة الحرارة.
تُعتبر مواصفات التجانس النموذجية لفرن معالجة الحرارة في أفران البوجي هي ±10 درجات مئوية. ويمكن تحقيق مواصفات أدق (±5 درجات) من خلال تصميم جيد لإعادة تدوير الحرارة. أما المواصفات الأقل دقة (±20 درجة) فهي شائعة في الأفران منخفضة الجودة، وقد تُسبب تباينًا في نتائج المعالجة الحرارية.
التحكم في الغلاف الجوي هو المتغير الأخير.
يعمل فرن الموقد المتحرك، المستخدم لتخفيف الإجهاد أو التلدين، عادةً في جو مؤكسد قليلاً - مع تسرب هواء كافٍ لمنع قطعة العمل من امتصاص الكربون أو الهيدروجين، ولكن ليس بكمية كبيرة تُسبب مشكلة في تكوّن القشور السطحية. ويتم التحكم في هذا الجو من خلال الحفاظ على ضغط موجب طفيف داخل الفرن (عادةً من 0.5 إلى 2 ملي بار) وضخ كمية صغيرة من الهواء عبر مدخل مُتحكم به.
في العمليات التي تتطلب جوًا واقيًا (مثل التلدين الساطع، واللحام بالنحاس، والكربنة)، يُحكم إغلاق الفرن ويُضخ غاز خامل (كالنيتروجين أو الأرجون) لإزاحة الهواء. تحتوي بعض الأفران على حجرة عازلة كاملة - وهي حجرة داخلية منفصلة عن قسم الأنابيب المشعة - بحيث تكون غازات الاحتراق والجو الواقي معزولين تمامًا. تُعد أفران الحجرة العازلة أغلى ثمنًا، لكنها تتيح تحكمًا دقيقًا في الجو المحيط.
المؤلف: فريق هندسة المعالجة الحرارية في شركة مونتي إنتليجنس. للاستفسار عن عمليات تدقيق وتحديث أنظمة الاحتراق، يرجى التواصل عبر البريد الإلكتروني helenxu@cnlymonte.com.
