صهر المعادن: عملية تحويل المواد الصلبة إلى سوائل
تعرف عملية صهر المعادن بأنها التحويل من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة باستخدام درجات حرارة مرتفعة تفوق درجات انصهار المعادن. يتم ذلك عادةً لأغراض عدة، كتنقية المعادن من الشوائب أو لدمجها مع مواد أخرى لتشكيل خليط معدني يمتاز بخصائص جديدة تختلف عن خصائص المعادن الأصلية. كما يمكن أيضًا صب المعدن المصهور في قوالب معينة لتصنيع معدات ومنتجات معدنية. تتم عملية الصهر في أفران مخصصة غالباً ما تصنع من مواد مقاومة للحرارة. سنتناول في هذا المقال بعض أنواع الأفران المستخدمة في عمليات صهر المعادن.
تصنيف أفران الصهر وفقًا لمصدر الطاقة المستخدم
في البداية، كانت الأفران تعتمد على الفحم الخشبي كمصدر للطاقة الحرارية. ثم ظهر الفحم الحجري وفحم الكوك تدريجياً كمصادر بديلة. واليوم، تعتبر مشتقات النفط والطاقة الكهربائية الأكثر استخدامًا في هذا المجال، ولا يزال جميع هذه المصادر مستخدمة بنسب متنوعة بناءً على حجم المصنع وإنتاجه المطلوب. يمكن تصنيف أفران الصهر حسب مصدر الطاقة المستخدم على النحو التالي:
أفران الوقود الصلب:
- الفرن المقبّب: يخصص هذا الفرن لصهر الحديد، ويتكون من أسطوانة طويلة من الفولاذ. نهايته السفلية مثبتة على قاعدة عازلة، بينما النهاية العلوية متصلة بالمدخنة. يتم من خلاله إدخال الحديد وفحم الكوك وعوامل صهر أخرى، حيث يتم صهر الحديد بفعل الحرارة الناتجة عن احتراق الفحم، ويتجمع المعدن المصهور في الحوض السفلي قبل أن يفرغ إلى أحواض السكب.
- الفرن العاكس لهب: يتكون من حجرتين مبنيتين من الآجر الحراري مع سقف مشترك. يشكل تصميمه وسيلة لتوجيه اللهب من الحجرة الأولى (الموقد) إلى الحجرة الثانية (حوض الفرن). يستخدم هذا النوع لصهر مجموعة واسعة من المعادن، على الرغم من تراجع استخدامه في الوقت الحالي.
أفران الوقود السائل والغازي:
- فرن اللهب: يتكون من حوض طويل من آجر حراري، وفي أحد أطرافه توجد قناة مخصصة لخلط الغاز مع الهواء للاحتراق قبل نقله إلى حوض الصهر. في النهاية الأخرى، يوجد مدخنة لتفريغ الغازات الناتجة.
- فرن البوتقة: يتكون من أسطوانة مجوفة من الفولاذ، مع فتحة علوية متصلة بقناة اللهب. يعبأ المعدن المطلوب صهره داخل بوتقة توضع في الفرن، حيث يتم تسليط اللهب على البوتقة دون ملامسة المعادن مباشرة. يستخدم هذا النوع في مصانع ذات إنتاج محدود.
الأفران الكهربائية:
تعتمد هذه الأفران على الطاقة الكهربائية لتسخين وصهر المعادن، ويتم ذلك عن طريق إحدى الطرق التالية:
- التسخين بالمقاومة الكهربائية: يمكن أن يكون التسخين مباشرًا أو غير مباشر. في التسخين المباشر، يتكون الفرن من أسطوانة مفرغة مثبتة أفقياً، موصولة بالتيار الكهربائي عبر عمود من الغرافيت، مما يؤدي إلى تسخين المعادن وصهرها. أما في التسخين غير المباشر، فتستخدم بوتقة مماثلة لتلك المستخدمة في أفران الوقود السائل ولكن تكون محاطة بمقاومات كهربائية توفر الحرارة اللازمة.
- أفران القوس الكهربائي: تتكون من أسطوانة ذات قاعدة مقعرة وسقف محدب، يتم تحميل المعادن من خلاله. يتدلى من السقف ثلاثة إلكترودات من الغرافيت الصلب، التي تتحرك لأعلى ولأسفل، مسببةً الحرارة التي تنصهر المعادن بفضلها.
