تويت
الصهر (أفران ـ)
الصهر melting هو تحويل المعدن (أو أي مادة صلبة) من الحالة الصلبة إلى الحالة المائعة، بتسخينه إلى درجة حرارة تزيد على درجة انصهاره، والجدول (1) يبين درجة انصهار بعض المعادن والعناصر المهمة المستخدمة على نطاق واسع:
يعرَّض المعدن للصهر إما في أثناء استخلاصه من فلزاته بما يسمى التعدين الحراري pyro-metallurg، أو من أجل تنقيته من الشوائب بعد استخلاصه ببعض طرائق التعدين الأخرى، أو من أجل إضافة بعض المعادن والعناصر الأخرى إليه للحصول على خلائط معدنية تتمتع بخواص معينة، أو من أجل سكبه في قوالب للحصول على منتجات معدنية بأشكال محددة. وقد تجمع عملية صهر واحدة بين اثنتين أو أكثر من الغايات السابقة.
يُصهر المعادن في أفران الصهر melting furnaces، وأغلبها مكوّن من غلاف فولاذي مبطّن بالآجر الحراري والتربة الحرارية المضغوطة، وتكون غالباً على شكل حوض يتم فيه الصهر مباشرة، أو على شكل أسطوانة مفرغة تحتضن البوتقة التي يجري فيها الصهر. تختلف أفران الصهر بعضها عن بعض من حيث الشكل باختلاف الوقود أو المصدر الحراري المستخدم، وتختلف الأفران من الشكل الواحد بالفوارق الآتية:
ا ـ الحجم ليتناسب مع كمية المعدن المعدة للصهر، وتراوح بين الصغيرة الحجم جداً لصهر بضعة غرامات للاستخدامات المخبرية أوصياغة المجوهرات، وكبيرة معدة لصهر عشرات الأطنان.
ب ـ نوعية المواد الحرارية والبواتق المستخدمة بحيث تتناسب درجة تحملها للحرارة مع درجة انصهار المعدن المستخدمة من أجله.
ج ـ الاستطاعة الحرارية بحيث تستطيع توفير الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين المعدن وصهره والتي تختلف من معدن لآخر.
لمحة تاريخية
يعود تاريخ أفران الصهر إلى بداية العصر البرونزي، حين عرف الإنسان المعادن، وبدأ استخدامها في تصنيع أسلحته وبعض أدواته. ولكن تلك الأفران لم تكن تتعدى بعض المواقد البسيطة التي يستخدمها في التدفئة أو الطهو، وارتبط تطور أفران الصهر منذ ذلك الوقت بتطور استخلاص المعادن واستخدامها.
تبين المكتشفات الأثرية أن الآشوريين وقدماء المصريين كان لديهم خبرة واسعة في صهر خلائط البرونز والمعادن الثمينة وسكبها في قوالب من الغضار لإعطائها الأشكال اللازمة، كما عرفوا صهر الحديد وسكبه لصنع بعض الأدوات، ومع ذلك فإن تطور صناعة الأفران بقي بطيئاً، ولم تشهد تطوراً ملحوظاً إلا في القرون الوسطى بدءاً من القرن الرابع عشر، حين بُدئ بناء الأفران الكبيرة سواء لصهر الحديد، أو لصهر خلائط البرونز التي كانت تصنع منها النواقيس (الأجراس) الكبيرة وسبطانات المدافع وقذائفها. ومع بداية القرن العشرين بعد اكتشاف الكهرباء وانتشار النفط، حدثت تطورات سريعة، فرضت اتجاهات جديدة في تطوير تقانات التعدين والصهر لتتلاءم مع المصادر الجديدة للطاقة.
مصادر الطاقة المستخدمة في الصهر وتصنيف الأفران
حتى بداية القرن الثامن عشر كان فحم الخشب[ر] المصدر الوحيد للطاقة الحرارية اللازمة للتسخين والصهر، ومنذ ذلك الحين بدأ الفحم الحجري[ر] وفحم الكوك[ر] يحلان محله تدريجياً. وفي بداية القرن العشرين بدأت المشتقات النفطية والطاقة الكهربائية تأخذ مكانها في الصناعات التعدينية المختلفة، ومن ضمنها الصهر والسكب. وما تزال جميع هذه المصادر تستخدم، ولكن بنسب تختلف باختلاف حجم الورشات والمصانع التي تقوم بعمليات الصهر وحجم إنتاجها. لذلك فإن التصنيف الغالب على أفران الصهر هو تصنيفها حسب مصادر الطاقة الحرارية، وعلى النحو الآتي:
1ـ أفران الوقود الصلب: وأهمها الفرن المقبب cupola furnace والفرن عاكس اللهب reverberatory furnace. يتكون الفرن المقبب (الشكل ـ1)، من أسطوانة فولاذية طويلة قائمة شاقولياً على قواعد صلبة ومبطنة بالآجر الحراري، وفي نهايتها العليا عند اتصالها بالمدخنة فتحة الملء، يزود الفرن منها بشحنة المعدن المكونة من الحديد الخام وفحم الكوك ومساعدات الصهر (مشكّلات الخبث). وبالحرارة الناتجة من احتراق الفحم عند حزام نفخ الهواء، ينصهر الحديد ويتجمع في الجزء السفلي من الفرن (الحوض)، ومنه يفرغ إلى بواتق السكب، وهذا الفرن خاص بصهر الحديد الخام وتحويله إلى حديد صب ولا يستخدم لصهر المعادن الأخرى. أما الفرن العاكس اللهب (الشكل ـ2) فيتكون من حجرتين متجاورتين من الآجر الحراري، الأولى هي المجمر أو الموقد حيث يحرق الفحم، والثانية حوض الفرن، يجمعهما سقف مشترك يساعد شكله على توجيه اللهب القادم من الموقد باتجاه سطح الحوض لصهر الشحنة المعدنية، وتخرج غازات الاحتراق إلى المدخنة الموجودة في الجانب الآخر من الحوض. يستخدم هذا الفرن لصهر الحديد وغيره من المعادن إلا أنه أصبح نادر الوجود وقليل الاستخدام.
2ـ أفران الوقود السائل والغازي:وأهمها فرن اللهب وفرن البوتقة crucible furnace يتكون فرن اللهب (الشكل ـ3) من حوض طويل من الآجر الحراري والتربة الحرارية المضغوطة في إحدى نهايتيه قناة اللهب والحرّاق، والمدخنة عند النهاية الأخرى. يقوم الحراق بمزج الغاز بالهواء اللازم للاحتراق وإشعاله ضمن قناة اللهب ليتجه باتجاه الشحنة الموضوعة في حوض الفرن، وتخرج الغازات من الجانب الآخر إلى المدخنة. وفي حال استخدام الوقود السائل (المازوت أو النفط الثقيل) يكون الحراق أكثر تعقيداً إذ يقوم بتذرير الوقود أو تبخيره قبل مزجه بالهواء اللازم.
3ـ أما فرن البوتقة: فهو أسطوانة فولاذية مجوفة وشاقولية مفتوحة من الأعلى ومبطنة من الداخل بالآجر الحراري، في أحد جانبيها الحراق وفي الجانب المقابل الفتحة المؤدية إلى المدخنة. توضع قطع المعدن المعد للصهر في بوتقة داخل الفرن، وبعد إغلاق فتحة الفرن يسلط اللهب على البوتقة من أحد جانبيها ويدور حولها في دوامة قبل أن تغادر غازات الاحتراق إلى المدخنة، ومن ثم فإن الصهر يتم بطريقة غير مباشرة فلا يتلامس المعدن مع نواتج الاحتراق، بل تقوم البوتقة بدور الوسيط في نقل الحرارة إلى الشحنة. تستخدم هذه الأفران في الورشات والمصانع ذات الإنتاجية المحدودة أو في صهر المعادن التي تتأثر بغازات الإحتراق. تكون البوتقة مثبتة في بطانة الفرن في بعض أنواع هذه الأفران (الشكل ـ4) ويكون الفرن بكامله من النوع القابل للإمالة إلى الأمام لتفريغ المعدن المصهور. أفران هذه المجموعة تصلح لصهر أنواع المعادن كافة، ولكن مع اختلاف في نوعية البطانة الحرارية ونوعية البوتقة والاستطاعة الحرارية للفرن، لتتناسب مع خصائص المعدن الذي تستخدم في صهره. تستخدم أفران البوتقة أيضاً في صهر الخلائط الملحية المستعملة في المعالجة الحرارية للفولاذ.
4ـ الأفران الكهربائية: تستخدم الطاقة الكهربائية في تسخين المعادن كافة وصهرها بإحدى الطرائق الثلاث: التسخين بالمقاومة، التسخين بالقوس الكهربائية والتسخين بالتحريض.
أ ـ أفران المقاومة الكهربائية electric resistance furnaces: الصهر في هذه الأفران يمكن أن يكون مباشراً أو غير مباشر، ففي التسخين المباشر يكون الفرن على شكل أسطوانة فولاذية مفرغة ومبطنة بالمواد الحرارية (الشكل ـ5)، موضوعة أفقياً على دحاريج، وعلى طول محورها عمود متين من الغرافيت موصول من نهايتيه بالتيار الكهربائي، ليشكل المقاومة الكهربائية التي بتوهجها تؤدي إلى تسخين الشحنة المعدنية الموضوعة داخل الفرن وصهرها. تدور الأسطوانة حول محورها للاستفادة من توزع الحرارة على كامل سطحها الداخلي. أما التسخين غير المباشر فيتم في أفران البوتقة المشابهة لتلك التي تستخدم الوقود السائل أو الغازي، ولكنها لا تحتوي على حرّاق وفتحة مدخنة، وإنما تفصل بين البوتقة والبطانة الداخلية للفرن مجموعة من المقاومات الكهربائية تغذيها الطاقة الحرارية اللازمة، وغالباً ما تكون هذه الأفران من النوع ذي البوتقة الثابتة والقابلة (أي الأفران) للتدوير أو الإمالة إلى الأمام لتفريغ المعدن المصهور، عدا الصغيرة منها فتكون ذات بوتقة متحركة.
ب ـ أفران القوس الكهربائية electric arc furnaces: يتكون فرن القوس الكهربائية من جسم أسطواني وقاعدة مقعرة وسقف محدب قابل للرفع والإزاحة (الشكل ـ6)، يتدلى من سقف الفرن ثلاثة إلكترودات (ونادراً إلكترودين) من الغرافيت الصلب، قابلة للتحريك إلى الأعلى والأسفل. بعد وضع الشحنة بالفرن يوصل التيار الكهربائي إلى الإلكترودات وتحرك لتصبح على مسافة من سطح الشحنة المعدنية، تسمح بانفراغ التيار وتشكل قوس كهربائية بين كل من الإلكترودات والشحنة المعدنية. وتؤدي الحرارة الناتجة من القوس الكهربائية وسريان التيار في الشحنة المعدنية إلى صهرها. يرتكز الفرن على دحاريج بحيث يمكن إمالته إلى الأمام لتفريغ المعدن المصهور، أما تغذيته بالمعدن الصلب فيتم إما من الأعلى بعد إزاحة السقف أو من فتحة جانبية.
ج ـ أفران التحريض الكهربائي induction furnaces: يتكوّن فرن التحريض من الأجزاء الرئيسية الآتية: بوتقة أسطوانية الشكل مصنوعة من المواد الحرارية المضغوطة (الشكل ـ 7)، أو من الحديد الصب، أو من الفولاذ (لصهر بعض المعادن غير الحديدية)، مزودة عند حافتها الأمامية بقناة للصب، تلتف حول البوتقة وشيعة كهربائية مصنوعة من أنابيب النحاس يمر فيها تيار مائي لتبريدها في أثناء العمل. توصل الوشيعة إلى تيار كهربائي عالي التردد فيصبح الفرن محولة كهربائية ملفها الأولي الوشيعة، وملفها الثانوي الشحنة المعدنية داخل البوتقة أو البوتقة نفسها إذا كانت من الحديد أو الفولاذ، فيتحرض في الملف الثانوي تيار كهربائي عالي الشدة يؤدي إلى تسخين الشحنة وصهرها. غالباً ما يكون الفرن محمولاً من منتصفه على قاعدتين جانبيتين بحيث يمكن تدويره إلى الأمام لتفريغه بعد انتهاء الصهر.
التطبيقات والآثار البيئية
تعد الصناعات التعدينية التي تنامت تنامياً متسارعاً في القرن العشرين، من أكثر الصناعات إضراراً بالبيئة لسببين، الأول هو ما تستنزفه من موارد طبيعية من خامات ووقود وغيرها، والثاني ما تطلقه في الغلاف الجوي من غازات ضارة محملة بالعوالق الصلبة التي لا تقل عنها ضرراً، وما تخلفه من نفايات سائلة أو صلبة تتفكك وتتسرب إلى المياه الجوفية. والصهر جزءٌ من عمليات التعدين، يشارك باقي العمليات في الإضرار بالبيئة، خصوصاً عند استخدام الفحم أو الوقود السائل في التسخين. إلا أنه منذ أن بُدئ الاهتمام بحماية البيئة في النصف الثاني من القرن الماضي، أصبح العديد من الدول يلزم مختلف الصناعات باتخاذ التدابير الكفيلة بالحد من التلوث. لذا فإن العديد من المسابك بدأت بالتحول من الصهر التقليدي باستخدام الفحم أو النفط في التسخين، إلى استخدام الأفران الكهربائية، كما أن العديد من غازات الاحتراق ومياه الصرف الصناعي أصبحت تعالج قبل إطلاقها إلى المحيط الخارجي. وقد ازداد الاهتمام بالنفايات الصلبة وإعادة صهرها للتخفيف من ضررها البيئي من جهة، وللتوفير في استهلاك الموارد الطبيعية من جهة أخرى.
جميل أبو جهجاه
الصهر melting هو تحويل المعدن (أو أي مادة صلبة) من الحالة الصلبة إلى الحالة المائعة، بتسخينه إلى درجة حرارة تزيد على درجة انصهاره، والجدول (1) يبين درجة انصهار بعض المعادن والعناصر المهمة المستخدمة على نطاق واسع:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| الجدول (1) |
يُصهر المعادن في أفران الصهر melting furnaces، وأغلبها مكوّن من غلاف فولاذي مبطّن بالآجر الحراري والتربة الحرارية المضغوطة، وتكون غالباً على شكل حوض يتم فيه الصهر مباشرة، أو على شكل أسطوانة مفرغة تحتضن البوتقة التي يجري فيها الصهر. تختلف أفران الصهر بعضها عن بعض من حيث الشكل باختلاف الوقود أو المصدر الحراري المستخدم، وتختلف الأفران من الشكل الواحد بالفوارق الآتية:
 |
| الشكل (1) |
ب ـ نوعية المواد الحرارية والبواتق المستخدمة بحيث تتناسب درجة تحملها للحرارة مع درجة انصهار المعدن المستخدمة من أجله.
ج ـ الاستطاعة الحرارية بحيث تستطيع توفير الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين المعدن وصهره والتي تختلف من معدن لآخر.
لمحة تاريخية
يعود تاريخ أفران الصهر إلى بداية العصر البرونزي، حين عرف الإنسان المعادن، وبدأ استخدامها في تصنيع أسلحته وبعض أدواته. ولكن تلك الأفران لم تكن تتعدى بعض المواقد البسيطة التي يستخدمها في التدفئة أو الطهو، وارتبط تطور أفران الصهر منذ ذلك الوقت بتطور استخلاص المعادن واستخدامها.
تبين المكتشفات الأثرية أن الآشوريين وقدماء المصريين كان لديهم خبرة واسعة في صهر خلائط البرونز والمعادن الثمينة وسكبها في قوالب من الغضار لإعطائها الأشكال اللازمة، كما عرفوا صهر الحديد وسكبه لصنع بعض الأدوات، ومع ذلك فإن تطور صناعة الأفران بقي بطيئاً، ولم تشهد تطوراً ملحوظاً إلا في القرون الوسطى بدءاً من القرن الرابع عشر، حين بُدئ بناء الأفران الكبيرة سواء لصهر الحديد، أو لصهر خلائط البرونز التي كانت تصنع منها النواقيس (الأجراس) الكبيرة وسبطانات المدافع وقذائفها. ومع بداية القرن العشرين بعد اكتشاف الكهرباء وانتشار النفط، حدثت تطورات سريعة، فرضت اتجاهات جديدة في تطوير تقانات التعدين والصهر لتتلاءم مع المصادر الجديدة للطاقة.
مصادر الطاقة المستخدمة في الصهر وتصنيف الأفران
 |
 |
| الشكل (2) |
 |
| الشكل (3) |
1ـ أفران الوقود الصلب: وأهمها الفرن المقبب cupola furnace والفرن عاكس اللهب reverberatory furnace. يتكون الفرن المقبب (الشكل ـ1)، من أسطوانة فولاذية طويلة قائمة شاقولياً على قواعد صلبة ومبطنة بالآجر الحراري، وفي نهايتها العليا عند اتصالها بالمدخنة فتحة الملء، يزود الفرن منها بشحنة المعدن المكونة من الحديد الخام وفحم الكوك ومساعدات الصهر (مشكّلات الخبث). وبالحرارة الناتجة من احتراق الفحم عند حزام نفخ الهواء، ينصهر الحديد ويتجمع في الجزء السفلي من الفرن (الحوض)، ومنه يفرغ إلى بواتق السكب، وهذا الفرن خاص بصهر الحديد الخام وتحويله إلى حديد صب ولا يستخدم لصهر المعادن الأخرى. أما الفرن العاكس اللهب (الشكل ـ2) فيتكون من حجرتين متجاورتين من الآجر الحراري، الأولى هي المجمر أو الموقد حيث يحرق الفحم، والثانية حوض الفرن، يجمعهما سقف مشترك يساعد شكله على توجيه اللهب القادم من الموقد باتجاه سطح الحوض لصهر الشحنة المعدنية، وتخرج غازات الاحتراق إلى المدخنة الموجودة في الجانب الآخر من الحوض. يستخدم هذا الفرن لصهر الحديد وغيره من المعادن إلا أنه أصبح نادر الوجود وقليل الاستخدام.
2ـ أفران الوقود السائل والغازي:وأهمها فرن اللهب وفرن البوتقة crucible furnace يتكون فرن اللهب (الشكل ـ3) من حوض طويل من الآجر الحراري والتربة الحرارية المضغوطة في إحدى نهايتيه قناة اللهب والحرّاق، والمدخنة عند النهاية الأخرى. يقوم الحراق بمزج الغاز بالهواء اللازم للاحتراق وإشعاله ضمن قناة اللهب ليتجه باتجاه الشحنة الموضوعة في حوض الفرن، وتخرج الغازات من الجانب الآخر إلى المدخنة. وفي حال استخدام الوقود السائل (المازوت أو النفط الثقيل) يكون الحراق أكثر تعقيداً إذ يقوم بتذرير الوقود أو تبخيره قبل مزجه بالهواء اللازم.
 |
 |
| الشكل (4) | |
 |
| الشكل (5) |
 |
| الشكل (6) |
أ ـ أفران المقاومة الكهربائية electric resistance furnaces: الصهر في هذه الأفران يمكن أن يكون مباشراً أو غير مباشر، ففي التسخين المباشر يكون الفرن على شكل أسطوانة فولاذية مفرغة ومبطنة بالمواد الحرارية (الشكل ـ5)، موضوعة أفقياً على دحاريج، وعلى طول محورها عمود متين من الغرافيت موصول من نهايتيه بالتيار الكهربائي، ليشكل المقاومة الكهربائية التي بتوهجها تؤدي إلى تسخين الشحنة المعدنية الموضوعة داخل الفرن وصهرها. تدور الأسطوانة حول محورها للاستفادة من توزع الحرارة على كامل سطحها الداخلي. أما التسخين غير المباشر فيتم في أفران البوتقة المشابهة لتلك التي تستخدم الوقود السائل أو الغازي، ولكنها لا تحتوي على حرّاق وفتحة مدخنة، وإنما تفصل بين البوتقة والبطانة الداخلية للفرن مجموعة من المقاومات الكهربائية تغذيها الطاقة الحرارية اللازمة، وغالباً ما تكون هذه الأفران من النوع ذي البوتقة الثابتة والقابلة (أي الأفران) للتدوير أو الإمالة إلى الأمام لتفريغ المعدن المصهور، عدا الصغيرة منها فتكون ذات بوتقة متحركة.
ب ـ أفران القوس الكهربائية electric arc furnaces: يتكون فرن القوس الكهربائية من جسم أسطواني وقاعدة مقعرة وسقف محدب قابل للرفع والإزاحة (الشكل ـ6)، يتدلى من سقف الفرن ثلاثة إلكترودات (ونادراً إلكترودين) من الغرافيت الصلب، قابلة للتحريك إلى الأعلى والأسفل. بعد وضع الشحنة بالفرن يوصل التيار الكهربائي إلى الإلكترودات وتحرك لتصبح على مسافة من سطح الشحنة المعدنية، تسمح بانفراغ التيار وتشكل قوس كهربائية بين كل من الإلكترودات والشحنة المعدنية. وتؤدي الحرارة الناتجة من القوس الكهربائية وسريان التيار في الشحنة المعدنية إلى صهرها. يرتكز الفرن على دحاريج بحيث يمكن إمالته إلى الأمام لتفريغ المعدن المصهور، أما تغذيته بالمعدن الصلب فيتم إما من الأعلى بعد إزاحة السقف أو من فتحة جانبية.
 |
| الشكل (7) |
التطبيقات والآثار البيئية
تعد الصناعات التعدينية التي تنامت تنامياً متسارعاً في القرن العشرين، من أكثر الصناعات إضراراً بالبيئة لسببين، الأول هو ما تستنزفه من موارد طبيعية من خامات ووقود وغيرها، والثاني ما تطلقه في الغلاف الجوي من غازات ضارة محملة بالعوالق الصلبة التي لا تقل عنها ضرراً، وما تخلفه من نفايات سائلة أو صلبة تتفكك وتتسرب إلى المياه الجوفية. والصهر جزءٌ من عمليات التعدين، يشارك باقي العمليات في الإضرار بالبيئة، خصوصاً عند استخدام الفحم أو الوقود السائل في التسخين. إلا أنه منذ أن بُدئ الاهتمام بحماية البيئة في النصف الثاني من القرن الماضي، أصبح العديد من الدول يلزم مختلف الصناعات باتخاذ التدابير الكفيلة بالحد من التلوث. لذا فإن العديد من المسابك بدأت بالتحول من الصهر التقليدي باستخدام الفحم أو النفط في التسخين، إلى استخدام الأفران الكهربائية، كما أن العديد من غازات الاحتراق ومياه الصرف الصناعي أصبحت تعالج قبل إطلاقها إلى المحيط الخارجي. وقد ازداد الاهتمام بالنفايات الصلبة وإعادة صهرها للتخفيف من ضررها البيئي من جهة، وللتوفير في استهلاك الموارد الطبيعية من جهة أخرى.
جميل أبو جهجاه