ما هو فرن التفجير الساخن؟ مبدأ العمل والكفاءة

ما هو فرن الانفجار الساخن؟

A فرن التفجير الساخن هو فرن لافح لصناعة الحديد مزود بهواء تم تسخينه مسبقًا - عادة إلى 900-1300 درجة مئوية - قبل نفخه في الفرن من خلال فوهات تسمى تويريس، بدلاً من تغذيته بهواء درجة حرارة الغرفة ("الانفجار البارد"). يحدث التسخين المسبق نفسه في قطعة منفصلة من المعدات تسمى موقد الانفجار الساخن (المعروف أيضًا باسم موقد كوبر)، والهواء الساخن الناتج هو ما يشار إليه باسم "الانفجار الساخن". يستخدم كل فرن صهر يعمل اليوم تقريبًا هذا النظام، لأن الهواء المسخن مسبقًا يقلل بشكل كبير من استهلاك الوقود ويعزز الإنتاج مقارنةً بأفران الصهر البارد المستخدمة قبل ثلاثينيات القرن التاسع عشر.

هذا التمييز مهم لأن الانفجار الساخن ليس مجرد تعديل بسيط - إنه أحد الابتكارات القليلة التي جعلت صناعة الحديد التي تعمل بوقود فحم الكوك على نطاق واسع مجدية اقتصاديًا في المقام الأول. يمكن للأفران العالية التي يتم تغذيتها بالهواء المسخن مسبقًا إلى 900-1250 درجة مئوية أن تولد درجات حرارة صهر تبلغ حوالي 1650 درجة مئوية، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك فحم الكوك لكل طن من الحديد المنتج. إن فهم كيفية عمل نظام الانفجار الساخن - والسبب وراء أهمية درجة حرارة هذا الهواء - هو المفتاح لفهم كفاءة الفرن العالي الحديث.

كيف يعمل نظام الانفجار الساخن

تم بناء نظام الفرن العالي الساخن حول قطعتين متصلتين من المعدات تعملان معًا: الفرن العالي نفسه، حيث يحدث تفاعل الصهر، وموقد (موقد) الانفجار الساخن، حيث يتم تسخين الهواء قبل أن يصل إلى الفرن.

موقد الانفجار الساخن (موقد كوبر)

الموقد عبارة عن غلاف فولاذي أسطواني رأسي مبطن بالطوب الناري، مع فصل الجزء الداخلي إلى غرفتين: غرفة الاحتراق، حيث يتم حرق الغازات من الفرن العالي ومصادر الوقود الأخرى، وغرفة تجديدية مملوءة بطبقة من الطوب الحراري يتم تسخينها بواسطة الغاز المحترق. هذه "الطوب المدقق" الحراري هي وسيلة تخزين الحرارة - فهي تمتص الحرارة أثناء الاحتراق وتطلقها لاحقًا عندما يتم دفع الهواء النقي من خلالها.

دورة على الغاز وعلى الانفجار

لا يعمل الموقد الساخن بشكل مستمر في وضع واحد، بل يتناوب بين مرحلتين. خلال فترة إطلاق الغاز، يتم حرق غاز الوقود لتسخين المخزن الحراري للطوب المربع؛ خلال فترة الانفجار، يتم تسخين الهواء عن طريق تدفقه عبر هذا المخزن الحراري. خلال فترة التفريغ أثناء الانفجار، يتم دفع الهواء النقي بواسطة مروحة عند ضغط مرتفع عبر الطوب الساخن، وبعد تسخينه إلى ما يصل إلى 1200 درجة مئوية، يتم تغذية هذا الهواء - الذي يسمى الآن الانفجار الساخن - إلى الجزء السفلي من الفرن العالي لصهر خام الحديد.

نظرًا لأنه لا يمكن لموقد واحد أن يقوم بتسخين الغاز وتسخين الهواء في نفس الوقت، فإن معظم الأفران العالية يتم خدمتها بواسطة ثلاثة مواقد: بينما يتم تسخين اثنين، يمر انفجار الهواء عبر غرفة التجديد للموقد الثالث في طريقه إلى الفرن العالي. هذا الدوران هو ما يسمح للفرن العالي بتلقي إمداد مستمر وغير متقطع من الهواء الساخن على مدار الساعة.

من الموقد إلى Tuyeres

ينتقل الهواء الساخن من الموقد إلى الفرن عبر أنبوب صاخبة، والذي يوزعه على فوهات النفخ الساخن، أو الأنابيب، المثبتة حول قاعدة الفرن. نظرًا لأن درجة حرارة الانفجار الساخن يجب أن تظل ثابتة من أجل كفاءة الفرن الجيدة، وتنخفض درجة الحرارة بشكل طبيعي عندما يبرد الموقد، يتم خلط الانفجار الساخن مع نسبة متحكم فيها من الانفجار البارد في غرفة الخلط للحفاظ على درجة حرارة التوصيل ثابتة حتى أثناء استخدام الحرارة المخزنة في الموقد الفردي.

التاريخ وراء تكنولوجيا الانفجار الساخن

إن الانفجار الساخن ليس اختراعًا حديثًا، بل يعود تاريخه إلى أوائل القرن التاسع عشر ويمثل أحد الإنجازات المحورية في تاريخ صناعة الحديد الصناعي. حتى عشرينيات القرن التاسع عشر، كان يُعتقد أن الهواء البارد ينتج حديدًا بجودة أفضل من الهواء الساخن، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن انخفاض الرطوبة في هواء الشتاء البارد كان يُنظر إليه على أنه مفيد.

اكتشاف نيلسون عام 1828

تم اختراع الانفجار الساخن وحصل على براءة اختراع لأفران الحديد بواسطة جيمس بومونت نيلسون في عام 1828 في ويلسونتاون آيرونوركس في اسكتلندا. وجد نيلسون أنه من خلال زيادة درجة حرارة الانفجار إلى 300 درجة فهرنهايت (149 درجة مئوية)، يمكنه تقليل استهلاك الوقود من 8.06 طن من الفحم إلى 5.16 طن لكل طن من الحديد المنتج، مع إمكانية تحقيق المزيد من التخفيضات عند درجات حرارة أعلى. وكانت النتائج مثيرة ويمكن التحقق منها بسرعة على نطاق واسع: تظهر الأرقام الموثقة من أعمال كلايد للحديد بين عامي 1829 و1833 أن صهر فحم الكوك بالدفع البارد يستخدم 8.2 طن من الفحم لكل طن من الحديد وينتج 37.5 طن من الحديد الخام لكل فرن أسبوعيًا، بينما يقلل الصهر الساخن باستخدام فحم الكوك من استخدام الفحم إلى 5.3 طن ويزيد الإنتاج إلى 54.9 طن أسبوعيًا.

تصميم موقد كوبر 1860

كانت معدات نيلسون الأصلية لها قيود حقيقية. تتميز أنابيب الحديد الزهر المدعومة داخل فرن الطوب بخصائص تمدد مختلفة، مما يؤدي إلى تشقق العديد من الأنابيب، وتستخدم معدات التوصيل دواليب صلبة ومفاصل جلدية مرنة لا يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة. لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1860 عندما اخترع الإنجليزي إدوارد ألفريد كوبر أول موقد ساخن ناجح - التصميم المتجدد من الطوب المدقق الذي، في شكله المكرر، لا يزال هو المعيار الصناعي اليوم. وكان التبني السريع الذي أعقب ذلك مدهشًا: فقد أصبح الانفجار الساخن مستخدمًا بشكل عام في جميع أنحاء بريطانيا العظمى بحلول عام 1835، أي بعد سبع سنوات فقط من اكتشاف نيلسون الأصلي.

لماذا الهواء الساخن يقلل من استهلاك فحم الكوك

السبب الأساسي وراء عمل الانفجار الساخن هو الديناميكا الحرارية المباشرة: يجب تسخين الهواء البارد الذي يدخل الفرن عن طريق حرق الوقود داخل الفرن قبل أن يتمكن من القيام بأي شيء مفيد، مما يؤدي إلى إهدار فحم الكوك بمجرد رفع درجة حرارة الهواء الداخل. عن طريق التسخين المسبق للهواء قبل دخوله الفرن، تزداد الحرارة المدخلة في شكل حرارة معقولة تقلل بشكل مباشر من معدل فحم الكوك.

تؤكد الأبحاث الحديثة أن العلاقة تستمر بمعدل يمكن التنبؤ به للغاية. لكل 100 درجة مئوية زيادة في درجة حرارة الهواء الساخن الخارج من الانفجار، يمكن تقليل نسبة فحم الكوك في الفرن العالي بنسبة 4-7%، ويمكن زيادة الإنتاج بنسبة 3-5%، وترتفع قدرة حقن الفحم بشكل مماثل. ويضع تقدير صناعي منفصل الأمر بالقيمة المطلقة: كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة الانفجار الساخن في أنبوب الصخب تقلل من معدل فحم الكوك في الفرن العالي بحوالي 4 إلى 6 كجم لكل طن من المعدن الساخن.

وهذا هو السبب أيضًا في أن الانفجار الساخن أصبح ضروريًا وليس اختياريًا مع تقدم تكنولوجيا الفرن. يعتبر الآن التسخين الأولي للانفجار بحوالي 1200 درجة مئوية أمرًا ضروريًا عند حقن الفحم المسحوق من خلال الأنابيب، لأن نفخ الهواء الساخن يضمن تسخين أسرع، والانحلال الحراري للفحم، واحتراق المنتجات الغازية الناتجة.

أنواع تصميم مواقد الانفجار الساخن

لا يتم بناء جميع مواقد الانفجار الساخن بنفس الطريقة. وفقا للتخطيطات والهياكل المختلفة لغرفة الاحتراق والمجدد، تنقسم مواقد الانفجار الساخن عموما إلى ثلاثة أشكال هيكلية أساسية: الاحتراق الداخلي، والاحتراق الخارجي، والاحتراق العلوي. إن الاختيار بينهما هو إلى حد كبير مسألة مقدار المساحة الأرضية المتاحة وما هي درجة حرارة الانفجار الساخنة التي تستهدفها العملية.

مواقد الاحتراق الداخلي

في تصميم الاحتراق الداخلي، يتكون الموقد من جدار أسطواني حراري مع جدار فاصل رأسي داخلي يقسم الغلاف الواحد إلى غرفة احتراق وغرفة مدققة تحتوي على الطوب المدقق. هذا هو التصميم التقليدي الأكثر إحكاما، ولكنه يأتي مع قيود هيكلية: تصميم غرفة الاحتراق الداخلي مع جدار مقسم له نقطة ضعف معروفة في زوايا غرفة الاحتراق.

مواقد الاحتراق الخارجي

تتكون مواقد الاحتراق الخارجية من غرفة فحص منفصلة وغرفة احتراق، متصلتين عن طريق تقاطع بدلاً من جدار داخلي مشترك. يؤدي فصل الغرفتين إلى أغلفة متميزة إلى إزالة نقطة ضعف إجهاد الزاوية في التصميم الداخلي ويدعم عمومًا درجات حرارة الذروة الأعلى.

مواقد الاحتراق العلوية (القبة).

الفئة الأحدث من المواقد لا تحتوي على غرفة احتراق بالمعنى التقليدي على الإطلاق - وتعرف هذه بمواقد الاحتراق المقببة، أو المواقد بدون عمود، أو مواقد كالوجين. بشكل عام، خضعت تكنولوجيا مواقد الانفجار الساخن، وخاصة تصميم وجودة حرارياتها، لتحسينات كبيرة في السنوات الأخيرة، حيث وصلت إلى مستوى من النضج يضمن عمر تشغيلي يزيد عن 30 عامًا للموقد المبني جيدًا.

المواد المقاومة للحرارة المستخدمة في المواقد الساخنة

نظرًا لأن مناطق مختلفة من الموقد تتعرض لدرجات حرارة مختلفة جدًا، فلا يمكن استخدام أي لبنة حرارية واحدة في جميع أنحاء الموقد. يتم اختيار المواد وفقًا لمدى سخونة كل قسم من حجرة المدقق فعليًا.

• عندما تكون درجة الحرارة المستهدفة لموقد الانفجار الساخن أقل من 900 درجة مئوية، يكون الطوب الطيني العادي كافيًا بشكل عام.
• بالنسبة لدرجات الحرارة المستهدفة التي تتراوح بين 900 درجة مئوية و1100 درجة مئوية، يجب أن تصل البطانة ذات درجة الحرارة العالية والمواد المقاومة للحرارة إلى الطوب الناري عالي الألومينا أو الطوب الموليت أو الطوب السيليمانيت.
• عادةً ما يتم بناء الجزء العلوي من جهاز التجديد، الذي يشهد أقصى درجات الحرارة، من الطوب السيليسي المدقق، بينما يستخدم القسم الأوسط طوبًا منخفض الزحف عالي الألومينا والموليت والسيليمانيت والأندلوسيت، ويستخدم الجزء السفلي طوب النار الطيني.

هذا النهج متعدد الطبقات - مطابقة درجة الحرارة للحرارة الفعلية التي تتعرض لها كل منطقة - هو ما يسمح لموقد واحد بالتعامل بأمان مع تدرج درجة الحرارة الذي يمتد مئات الدرجات من الأعلى إلى الأسفل.

استخدام الطاقة واعتبارات الكفاءة

توفر مواقد الصهر الساخن كميات هائلة من فحم الكوك، ولكنها في حد ذاتها تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة - وهي حقيقة غالبًا ما يتم التغاضي عنها عند تقييم الكفاءة الإجمالية للأفران العالية. تمثل كمية غاز الفرن العالي التي تتطلبها المواقد حوالي 40% من إجمالي إنتاج غاز الفرن العالي، ويمكن أن يصل استهلاك طاقة الموقد إلى 25% من إجمالي استهلاك الطاقة في المصنع.

وعلى أساس الطن الواحد، فإن الأرقام معبرة بنفس القدر: استنادًا إلى بيانات من ستة أنظمة فعالة للمواقد الساخنة في جميع أنحاء العالم، يبلغ متوسط إجمالي متطلبات الطاقة الأولية 1.8 جيجا جول لكل طن من المعدن الساخن للمواقد الساخنة، مقارنة بـ 11.6 جيجا جول للطن للفرن العالي نفسه. وهذا يعني أن نظام الموقد، على الرغم من أنه أصغر من حيث الطاقة المطلقة من الفرن، لا يزال يمثل حصة ذات مغزى ويمكن التحكم فيها من إجمالي استخدام الطاقة في المصنع - وحيث تترجم مكاسب الكفاءة مباشرة إلى وفورات في فحم الكوك.

وقد أثبتت التحسينات العملية في المصانع العاملة ذلك بأعداد حقيقية وليس نظرية. تشمل النتائج الموثقة لتحسين بطاريات الموقد في منتجي الصلب المتكاملين في الولايات المتحدة تخفيضات في معدل وقود الموقد بمقدار 8 إلى 15 كجم لكل طن من المعدن الساخن وزيادة في درجة حرارة الانفجار الساخن من 15 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية، مما يترجم إلى انخفاض في معدل فحم الكوك بحوالي 6 إلى 12 كجم لكل طن من المعدن الساخن.

معلمات التشغيل الرئيسية للمراقبة

بالنسبة لأي شخص يقوم بتشغيل أو تقييم نظام الفرن العالي الساخن، هناك مجموعة من المعلمات التي تحدد باستمرار مدى جودة أداء المواقد وأين يتم اكتساب الكفاءة أو فقدانها.

1. تتراوح درجة حرارة التوصيل الساخن في الأنابيب الصاخبة عادةً من 900 إلى 1300 درجة مئوية اعتمادًا على تصميم الموقد وحالته، وهي أكبر رافعة منفردة لمعدل فحم الكوك.
2. درجة حرارة غرفة الاحتراق - يتم خلط غاز النفايات مع الهواء ويتم حرقه عند درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية قبل دخوله إلى قسم تخزين الطوب المدقق.
3. طول دورة دوران الموقد - تعمل معظم المصانع على تشغيل 3 مواقد في دورة تسخين مدتها 20 دقيقة أو 4 مواقد في دورة مدتها 15 دقيقة، ويؤثر الحصول على هذا التوقيت بشكل صحيح بشكل مباشر على مدى ثبات درجة حرارة الانفجار التي يتم توصيلها.
4. ضغط الانفجار عند وجه الطوب المدقق - عادةً ما يتم دفع الهواء النقي عبر الطوب عند ضغط مرتفع يصل إلى 10 بار خلال فترة التفريغ عند الانفجار.
5. حالة الطوب المدقق وعمر الحملة الحرارية - يؤدي التدهور هنا إلى تقليل كفاءة نقل الحرارة قبل أن تصبح مرئية في أرقام المخرجات، ولهذا السبب أصبح الكشف المبكر من خلال تحليل غاز المداخن ممارسة مراقبة قياسية.