صهر المعادن
تُعرّف عملية الصهر بأنها تلك الخطوة التي يتم من خلالها تحويل المواد الصلبة، مثل المعادن، إلى صيغة سائلة. يُحقق ذلك من خلال تسخين هذه المواد إلى درجات حرارة تتجاوز نقطة انصهارها. عادةً ما تُجرى عملية الصهر لتنقية المعادن من الشوائب، أو لتكوين سبائك معدنية تتمتع بخصائص تختلف عن تلك الموجودة في المعادن الأصلية. كما قد تُستخدم المعادن المذابة في صبّها في قوالب خاصة، مما يسهل تصنيعها على شكل منتجات وآلات معدنية. تُستخدم في عملية الصهر أفران مصممة خصيصًا لهذا الغرض، والمصنوعة من مواد ذات مقاومة حرارية. في هذا المقال، سوف نستعرض بعض الأنواع الشائعة من الأفران المستخدمة في صهر المعادن.
تصنيف أفران الصهر بناءً على مصدر الطاقة
في السابق، كانت تعتمد عملية صهر المعادن على الفحم الخشبي كمصدر للطاقة الحرارية. لاحقاً، تم استخدام الفحم الحجري وفحم الكوك تدريجيًا كبدائل. في العصر الحديث، أصبحت مشتقات النفط والطاقة الكهربائية هي المصادر الأكثر شيوعًا، على الرغم من الاستمرار في استخدام جميع هذه المصادر بنسب متفاوتة، وذلك يتوقف على حجم المصنع واحتياجات الإنتاج. يمكن تصنيف أفران الصهر حسب مصدر الطاقة المستخدم كالتالي:
أفران الوقود الصلب:
- الفرن المقبب: يستخدم بشكل رئيسي لصهر الحديد، ويتكون من أسطوانة طويلة مصنوعة من الفولاذ. الجزء السفلي مُثبت على قواعد مُغلفة بالآجر الحراري، بينما الجزء العلوي يتصل بالمدخنة. يتم تزويد الفرن بالحديد وفحم الكوك والمساعدات الأخرى من خلال فتحة الإدخال. الحرارة الناتجة عن احتراق الفحم تؤدي إلى ذوبان الحديد، الذي يتجمع في حوض الفرن أسفل الأسطوانة قبل تفريغه في أحواض السكب.
- الفرن العاكس للهب: يتكون هذا النوع من فرن من حجرتين متجاورتين مصنوعة من الآجر الحراري، ويرتبطان بسقف واحد. يساعد تصميمه في توجيه اللهب إلى الحجرة الثانية، المعروفة بحوض الفرن، حيث يُستخدم لصهر مختلف أنواع المعادن، رغم أن استخدامه قد تراجع في الآونة الأخيرة.
أفران الوقود السائل والغازي:
- فرن اللهب: يتكون من حوض طويل مصنوع من الآجر الحراري، حيث يوجد في إحدى نهاياته قناة مخصصة لخلط الغاز مع الهواء لإشعاله، ومن ثم نقله إلى حوض الصهر. النهاية الأخرى متصلة بالمدخنة التي تُخرج الغازات الناتجة عن العملية.
- فرن البوتقة: يمثل أسطوانة مجوفة من الفولاذ، مع فتحة في الجزء العلوي ترتبط بقناة اللهب. تُوضع المعادن المراد صهرها داخل بوتقة داخل الفرن، حيث يُسلط اللهب على البوتقة بدون تلامس مباشر مع المعادن. يُستخدم هذا النوع بشكل أساسي في المصانع التي تركز على إنتاج كميات محدودة.
الأفران الكهربائية:
تعتمد هذه الأفران على الطاقة الكهربائية لتسخين المعادن وصهرها، ويتم ذلك عبر إحدى الطرق التالية:
- التسخين بالمقاومة الكهربائية: يمكن أن يكون التسخين مباشرًا أو غير مباشر. في حالة التسخين المباشر، يتكون الفرن من أسطوانة مفرغة مثبتة بشكل أفقي، موصولة بالكهرباء عبر عمود من الغرافيت ممتد على طوله. هذا يؤدي إلى تسخين المعادن وصهرها. أما التسخين غير المباشر، فيتم عبر استخدام بوتقة مشابهة، ولكنها مُحاطة بمقاومات كهربائية تمدها بالطاقة الحرارية اللازمة.
- الأفران الكهربية ذات القوس: تتكون هذه الأفران من أسطوانة ذات قاعدة مقعرة وسقف محدب، وتتمزّق الثلاثة إلكترودات المصنوعة من الغرافيت الصلب منها، والتي تتراوح لأعلى ولأسفل، مُنتجة حرارة كافية لصهر المعادن.