صهر المعادن
تعتبر عملية صهر المعادن من الإجراءات الأساسية المستخدمة لتحويل المواد الصلبة، مثل المعادن، إلى حالة سائلة. يتم ذلك عن طريق تطبيق درجات حرارة تفوق درجة انصهار تلك المواد. تُنفذ عملية الصهر عادةً بغرض تنقية المعادن من الشوائب، أو لدمجها مع معادن أخرى لتكوين سبائك جديدة ذات خصائص مختلفة عن الخصائص الأصلية للمعادن. كما يمكن استخدامها لتشكيل المنتجات المعدنية عبر صبها في قوالب مخصصة. تعتمد عملية الصهر على أفران خاصة تُصنع من مواد مقاومة للحرارة. في هذا المقال، سنستعرض بعض أنواع الأفران المستخدمة في صهر المعادن.
تصنيف أفران الصهر وفقًا لمصدر الطاقة المستخدم
في السابق، كان الفحم الخشبي يُستخدم كمصدر رئيسي للطاقة الحرارية اللازمة لعملية الصهر، ثم تم الانتقال إلى استخدام الفحم الحجري وفحم الكوك تدريجياً. ومع التقدم التكنولوجي، أصبحت مشتقات النفط والطاقة الكهربائية الأكثر شيوعاً. لا تزال جميع هذه المصادر مستخدمة بنسب متباينة، وذلك بحسب حجم المصنع وكميات الإنتاج المطلوبة. يمكن تصنيف أفران الصهر بحسب مصادر الطاقة المستخدمة كما يلي:
أفران الوقود الصلب:
- الفرن القُبّي: يُستخدم بشكل رئيسي لصهر الحديد، وهو عبارة عن أسطوانة طويلة مصنوعة من الفولاذ. الجزء السفلي من الفرن مثبت على قواعد مبطنة بالآجر المقاوم للحرارة، بينما يحتوي الجزء العلوي على مخرج للغازات المدخنة وفتحة للتحميل يتم من خلالها إدخال الحديد وفحم الكوك ومواد إضافية. تتم عملية الصهر بفعل الحرارة الناتجة من احتراق الفحم، ويُجمع المعدن المنصهر في حوض موجود في الجزء السفلي من الفرن.
- الفرن المعكوس: يتكون من حجرتين متصلتين مصنوعتين من الآجر الحراري، ولهما سقف موحد. تساعد تصميماتهما في توجيه اللهب من الحجرة الأولى، المعروفة بالموقد، إلى الحجرة الثانية المعروفة بحوض الفرن. يُستخدم هذا النوع من الأفران لصهر أنواع مختلفة من المعادن، لكن استخدامه تراجع في الآونة الأخيرة.
أفران الوقود السائل والغازي:
- فرن اللهب: يتكون من حوض طويل مصنوع من الآجر المقاوم للحرارة. يوجد في أحد طرفي الحوض قناة تُعرف بقناة اللهب، التي يتم من خلالها خلط الغاز مع الهواء لإشعاله، قبل نقله إلى حوض الصهر. بينما يمتاز الطرف الآخر بوجود مخرج للغازات.
- فرن البوتقة: يتكون من أسطوانة مجوفة من الفولاذ، بها فتحة في الجهة العلوية مرتبطة بقناة اللهب من أحد جوانبها. توضع المعادن في بوتقة داخل الفرن، حيث يتم توجيه اللهب نحوها دون ملامستها مباشرة، مما يجعل هذا النوع من الأفران مفضلاً في المصانع ذات الطاقة الإنتاجية المحدودة.
الأفران الكهربائية:
تعتمد الأفران الكهربائية على استخدام الطاقة الكهربائية لتسخين المعادن وصهرها، وذلك من خلال أحد أساليب التسخين التالية:
- التسخين بالمقاومة الكهربائية: قد يكون التسخين مباشرًا أو غير مباشر. يتكون الفرن في حال التسخين المباشر من أسطوانة مفرغة مثبتة أفقيًا، ومتصلة بتيار كهربائي عبر عمود مصنوع من الغرافيت يمتد على طول محورها. بينما في التسخين غير المباشر، تستخدم بوتقة مشابهة لتلك المستخدمة في أفران الوقود السائل، لكنها مغطاة بمقاومات كهربائية تمدها بالطاقة الحرارية اللازمة.
- أفران القوس الكهربائي: يتكون هذا النوع من فرن ذات أسطوانة ذات قاعدة مقعرة وسقف محدب، ويتم تزويد الفرن بالمعادن من خلاله. تتدلى منه ثلاثة إلكترودات مصنوعة من الغرافيت الصلب، تتحرك لأعلى ولأسفل، مما يولد حرارة كافية لصهر المعادن.
