الأفران ذات الأقطاب مغمورة ( الغاطسة) Submerged-Electrode Furnaces  

(الشكل 5 والأفران A وB في الشكل إلى الجدول 1) على الأقطاب الموضوعة تحت عمق العمل لتسخين القاع. تم تصميم العديد من الأفران ذات الأقطاب المغمورة لتلبية متطلبات الإنتاج المحددة ومزودة بميزات حاصلة على براءات اختراع، مما يوفر مزايا اقتصادية وتقنية معينة. تشمل الخصائص العامة للأفران ذات الأقطاب المغمورة ما يلي:

· أقصى مساحة عمل مع الحد الأدنى من مساحة الحمام: لا تشغل الأقطاب أي جزء من سطح الحمام، بحيث تلامس فقط الملح. وبالتالي، فإن حجم الحمام يكون أصغر، وتزداد عمر الأقطاب عدة مرات عن طريق دمج التآكل أحادي الاتجاه والقضاء على التدهور المفرط عند واجهة الهواء والحمام.

تابع  الجدول 1: العمر الافتراضي للأقطاب والمواد الحرارية

درجة الحرارة التشغيلية (°C)	درجة الحرارة التشغيلية   (°F)	Service life, years العمر التشغيلي  بالسنة
أفران الأقطاب الغاطسة Submerged-electrode furnaces الفرن  A		Electrodes الأقطاب	الحراريات Refractories
535-735	1000-1350	15-25	15-25
735-955	1350-1750	6-12	6-12
955-1175	1750-2150	5-7	5-7
1010-1285	1850-2350	2-4	2-4
الفرن B
535-735	1000-1350	10-20	10-20
735-955	1350-1750	4-8	4-8
955-1175	1750-2150	3-4	3-4
1010-1285	1850-2350	1-3	1-3

· تيارات الحمل الحراري والدوامات: يوفر تسخين القاع درجات حرارة أكثر توحدًا للحمام وحركة الحمام من خلال استخدام تيارات الحمل الحراري الطبيعية.

· بناء جدار خزفي من ثلاث طبقات: تتسبب التدرجات الحرارية عبر الجدار في أن يتجمد أي ملح يتسرب إلى الجدار قبل أن يتمكن من اختراق المادة الحرارية المصبوبة التي تشكل الجزء الأوسط من بناء الجدار. يتطلب التصميم من 5 إلى 8% من حمولة الملح الأولية لملء الوعاء الخزفي. بالمقارنة، في بعض التصاميم، يتم الحاجة إلى 140 إلى 150% من الحمولة الأولية لسد جدران الأفران الخزفية التي تم بناؤها باستخدام طبقتين من الطوب الخزفي، مدعومة ومثبتة بلوحة فولاذية. يتسرب الملح إلى الجدران الخزفية لأي فرن ويشوه هندسة الجدران. يساعد تقليل كمية الملح الذي يُسمح له بالتسرب إلى الجدران الخزفية في الحفاظ على الأبعاد وتعزيز عمر الفرن.

· وضع الأقطاب: إن enclosing (إغلاق) القطب في صندوق مستطيل شفاف، خالي من أي عوائق بارزة، يلغي أي مخاطر محتملة على العاملين أثناء التنظيف. يتم إزالة أي طين يتكون في الفرن بسهولة من قبل العاملين.

بناء الإطار:

يتكون فرن الأقطاب المغمورة Submerged-Electrode Furnaces النموذجي من مواد الطوب والخزف المعاد تجميعها، بغض النظر عن الحجم، في إطار فولاذي ملحوم ذاتي الدعم (انظر على سبيل المثال، الجدول 1). يتكون هذا الإطار من قنوات داعمة أو عوارض ملحومة في الجزء السفلي من لوحة فولاذية ثقيلة تشكل قاعدة الإطار. يتم لحام أطوال من حديد الزاوية الثقيل حول الخارج ومن أعلى اللوحة إلى هذه القاعدة. يتم شق هذه القطع للسماح بلحام أعمدة حديد الزاوية الثقيلة في اللوحة والجوانب الرأسية لزاوية قاعدة اللوحة. يتم لحام أطوال من حديد الزاوية الثقيلة مماثلة في أعلى الأعمدة. عند الحاجة، يتم لحام أعضاء عمودية إضافية بين القطع السفلية والعليا لحديد الزاوية، وتُستخدم أيضًا أعضاء أفقية مشدودة مسبقًا لضمان عدم تحرك المواد المقاومة للحرارة بعد أن يتم رفع درجة حرارة الفرن إلى درجة التشغيل.

بناء الطوب:

يتم استخدام ثلاثة أنواع من المواد المقاومة للحرارة في الأفران ذات الأقطاب المغمورة. يتم عرض تصميم نموذجي بواسطة فرن A في الجدول 1.
يتم بناء بطانات الأفران ذات الأقطاب المغمورة باستخدام طوب محروق بدرجة حرارة عالية بسمك 230 مم (9 بوصات). يتكون الطوب من حوالي 42% من الألومينا و52% من السيليكا، ويستخدم الطوب بأحجام قياسية مثل 60 × 115 × 230 مم (2 1/2 × 4 1/2 × 9 بوصات) وأشكال مختلفة من الطوب مثل المستقيمات، والظهر المسطح، والمقسمة. يتم تركيب الطوب باستخدام هاون مخصص لا يتفاعل مع الهواء ومقاوم للتآكل والحرارة والهجوم الكيميائي من الاملاح يقدم هذا الهاون مقاومة كافية للتآكل والتلف ليتم استخدامه اقتصاديًا مع بعض الأملاح التي تحتوي على السيانيد. بالنسبة للأملاح مثل سيانيد الصوديوم أو كربونات الصوديوم، يتم استخدام وعاء صلب ملحوم أو فرن مع بطانة طوب معدلة (الشكل 5).

الجدار الخارجي لفرن حمام الملح مصنوع من طوب مقاوم للحرارة من الدرجة الثانية بنفس أبعاد الطوب المستخدم للبطانة. الخصائص الهامة لهذا الطوب هي قوة المادة وانتظام الحجم والشكل.

يتم بناء الجدار الداخلي من مادة مقاومة للحرارة مع أقصى استخدام للأسمنت المقاوم للحرارة والركام الذي يتم صبه بين البطانة والجدار الخارجي لتشكيل هيكل جدار مونوثيكي بسمك 240 مم (9.5 بوصات). يوفر هذا البُعد تدرجًا حراريًا كافيًا ليتجمد الملح في الجدار، مما يجعل الجدار يحكم الإغلاق الذاتي. مع هذا التصميم، فإن تسرب الملح إلى الجدار لا يتجاوز 8% من حجم الحمام. أقصى درجة حرارة للجدار الخارجي أثناء تشغيل الفرن هي60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت).

بناء الأقطاب:

تختلف الأقطاب المستخدمة في أفران حمام الملح ذات الأقطاب المغمورة في الحجم والشكل بشكل كبير، اعتمادًا على هندسة الفرن ومتطلبات الطاقة. تقع جميع الأقطاب بالقرب من قاع الحمام ويتم بناؤها في الجدار (الفرن A في الجدول 1) بحيث يكون وجه واحد فقط من القطب ملامسًا للملح. يترك هذا الترتيب منطقة الحمام خالية من العوائق لتسهيل التنظيف ويقضي على إمكانية لمس الأقطاب للعمل.

يتم تصنيع الأقطاب السبائكية عن طريق لحام مادة سبائكية مقاس 1610 مم² (2.50 بوصة²) إلى قاعدة من الفولاذ العادي، أو عن طريق لحام مادة سبائكية مقاس 125 × 125 مم (5 × 5 بوصات) مباشرة إلى خزان الفولاذ العادي. عادة ما يكون التباعد بين الأزواج من الأقطاب 65 مم (2.5 بوصات) أو 190 مم (7.5 بوصات). يكون التباعد ثابتًا وغير قابل للتعديل. لهذا السبب، يعتبر حساب جهد التوصيل الثانوي أمرًا بالغ الأهمية لنجاح تشغيل الفرن طوال عمره.

يمكن استبدال الأقطاب السبائكية بأقطاب من الجرافيت، والتي يتم تجديدها مع استهلاكها دون فصلها أو إيقاف تشغيل الطاقة (الشكل 5).

تشغيل وإيقاف التشغيل:

يمكن بدء تشغيل فرن الأقطاب المغمورة عن طريق إضافة ملح منصهر من فرن آخر أو باستخدام شعلة تعمل بالغاز أو ملف بدء كهربائي لذوبان بركة من الملح التي ستبلل الأقطاب وتوفر مسارًا للتيار الكهربائي. بعد أن يتم إنشاء مسار التيار في الملح المنصهر بين الأقطاب، يمكن إضافة الملح لرفع مستوى الحمام إلى مستوى العمل. سيتطلب الأمر إضافة المزيد من الملح للحفاظ على هذا المستوى لأن كمية صغيرة، حوالي 5%، ستتسرب إلى البناء الحجري وتتجمد.

إذا كان يجب إيقاف الفرن، يجب تصريف الملح المنصهر من الفرن قبل أن يتجمد. ومع ذلك، إذا تم السماح للملح بالبقاء في الفرن، يجب غمر ملف بدء مقاوم للحرارة في قاع الفرن بينما لا يزال الملح منصهرًا. يظل هذا الملف في الملح المتجمد ويتم توصيله إلى أطراف المحول لبدء تشغيل الفرن.

تم تصميم الأفران الأحدث بحيث تحتوي على زوج واحد من الأقطاب بالقرب من سطح الحمام. عندما يبرد الفرن، يتم الكشف عن الزوج من الأقطاب الظاهرة، مما يبسط بدء التشغيل.

المزايا والعيوب:

مثل الأفران ذات الأقطاب المغمورة، تتطلب الأفران ذات الأقطاب المغمورة الحد الأدنى من المساحة الأرضية والصيانة، وهي قابلة للتكيف بدرجة عالية مع الميكنة.
نظرًا لأن فرن الأقطاب المغمورة يستخدم الماء لتبريد الأقطاب والمحول، يمكن تشغيله بتحميل زائد يصل إلى 50% دون أن يسخن المحول، بينما لا ينبغي تشغيل فرن الأقطاب المغمورة الذي يبرد بالهواء بتحميل زائد يزيد عن 10%.

نظرًا لاستخدام وعاء خزفي، فإن فشل الوعاء غير المتوقع نادر في الأفران ذات الأقطاب المغمورة، ويمكن إعادة بناء الأفران وفقًا لجدول زمني مخطط له خلال فترات التوقف السنوية. مثل غيرها من الأجهزة الكهربائية، تعاني الأفران ذات الأقطاب المغمورة من العيوب في الأماكن التي تكون فيها معدلات أسعار الكهرباء مرتفعة، ولكن يمكن التغلب على ذلك إلى حد ما عن طريق تشغيل الفرن في الفترات غير ذروة الحمل عندما تكون الأسعار أقل.

نظرًا للتأثيرات التآكلية على الأوعية الخزفية للأملاح القابلة للذوبان في الماء والتي تحتوي على كربونات الصوديوم أو سيانيد الصوديوم، لا يمكن استخدام الأفران ذات الأقطاب المغمورة إلا مع الأملاح منخفضة السيانيد أو منخفضة الكربونات. الأحواض التي تحتوي على ملح السيانيد أو كربونات الصوديوم تتطلب طوبًا أساسيًا معدلًا. يوفر الفرن مع الطوب المعدل والأقطاب السبائكية المغمورة سنوات عديدة من الخدمة في العمليات غير السيانيدية والسيانيدية. لزيادة عمر الفرن، يُوصى باستخدام الفرن الموضح في الشكل 5. يحتوي هذا الفرن على بطانة طوب أساسي معدل للاستخدام مع أملاح الكربنة الأساسية. يتم استبدال الأقطاب السبائكية بأقطاب جرافيت مستمرة، ويتم تجديد الأقطاب مع استهلاكها دون فصلها أو حتى إيقاف تشغيل الطاقة.

مقارنة بين الأفران ذات الأقطاب الكهربائية المغمورة والأفران ذات الأقطاب الكهربائية المغموسة

الخاصية	الأفران ذات الأقطاب الكهربائية المغمورة ( الغاطسة) Submerged-Electrode Furnaces	الأفران ذات الأقطاب الكهربائية المغموسة  Immersed-electrode furnaces
التعريف	أفران يتم فيها غمر الأقطاب الكهربائية في وسط موصل (مثل الخبث أو المعدن).	أفران يتم فيها غمر الأقطاب الكهربائية في وسط غير موصل (مثل حمام الأملاح المنصهرة).
الوسط الموصل	عادةً تستخدم مواد موصلة مثل الخبث المصهور أو المعدن أو الزجاج.	تستخدم وسطًا غير موصل مثل الأملاح المنصهرة.
ملامسة الأقطاب	الأقطاب تلامس المادة المنصهرة مباشرة، مما يجعل التيار يمر عبر الوسط.	الأقطاب تنقل الحرارة وتولدها داخل حمام الملح بشكل غير مباشر.
توليد الحرارة	الحرارة تنتج من مقاومة المادة المنصهرة للتيار الكهربائي.	الحرارة تنتج بسبب التسخين بالجول داخل حمام الملح أو الحمولة.
نطاق درجات الحرارة	مناسب للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل صهر المعادن والزجاج.	يُستخدم للتطبيقات التي تحتاج إلى درجات حرارة محكومة مثل المعالجة الحرارية أو الطلاء.
الاستخدام	يُستخدم في عمليات الصهر والتنقية وصهر المواد.	يُستخدم بشكل أساسي في عمليات مثل النترة، الكربنة، والتخمير.
تآكل الأقطاب	تآكل كبير بسبب الملامسة المباشرة مع المواد المنصهرة.	تآكل أقل حيث يوفر حمام الملح بعض الحماية للأقطاب.
كفاءة الطاقة	فقدان كبير للطاقة بسبب الإشعاع والحمل الحراري من المواد المنصهرة.	كفاءة أفضل بفضل العزل الذي يوفره حمام الأملاح.
التعقيد	تصميم بسيط ولكن يتطلب صيانة كبيرة بسبب تآكل الأقطاب.	تصميم أكثر تعقيدًا لضمان توزيع الحرارة والتيار بشكل متساوٍ.
عمر الأقطاب	عمر أقصر بسبب التعرض لبيئة عدوانية.	عمر أطول لأن حمام الأملاح يوفر بعض الحماية.

الاستنتاج:

• الأفران ذات الأقطاب الكهربائية المغمورة مناسبة للعمليات الصناعية واسعة النطاق التي تتطلب توليد حرارة عالية مباشرة.
• الأفران ذات الأقطاب الكهربائية المغموسة تُستخدم للتطبيقات الحرارية الدقيقة والمتحكم فيها، مع عمر أطول وكفاءة أعلى للأقطاب.

ضمان جودة الهواء

الأفران ذات حمام الملح التي تعمل عند درجات حرارة تتجاوز 650 °م (1200 °ف) ستنبعث منها أبخرة. فرن مفتوح يحتوي على خليط من الاملاح، يعمل عند 870 °م (1600 °ف) على مستوى سطح البحر، سينبعث منه الأبخرة بمعدل 0.2 كجم/م² في الساعة (0.04 رطل/قدم² في الساعة). هذه الاملاح يمكن أن تكونا مصدر إزعاج إذا تم استخدامهما بكميات كبيرة. أفضل طريقة للتغلب على هذا الإزعاج هي التقاط الأبخرة من المصدر.

يوضح الشكل 6 طريقتين لالتقاط الأبخرة من فرن حمام الملح. في الموقع 380 مم (15 بوصة) للغطاء الملتقط (الشكل 6أ)، يتطلب الأمر معالجة 200 م³/دقيقة (7120 قدم³/دقيقة) من الهواء والأبخرة، بينما في حالة الغطاء المظلي (الشكل 6ب) عند 305 مم (120 بوصة)، يتطلب الأمر معالجة أكثر من 900 م³/دقيقة (32,000 قدم³/دقيقة) من الأبخرة والهواء. عندما يتم رفع السلة والأجزاء من حمام الملح، تتزايد الأبخرة بشكل كبير، ربما بنسبة تتناسب مع المساحة السطحية الإجمالية للسلة والأجزاء المعرضة للهواء (إلى جانب أبخرة سطح الحمام). من المهم أن نتذكر أن الأبخرة المنبعثة من حمام الملح تكون أكثر حرارة ولها طاقة أكبر من الأبخرة عند درجة الحرارة والضغط القياسيين. لحساب نوع وكمية التهوية المطلوبة، يُرجى الرجوع إلى المرجع 2.

الشكل 6 تهوية فرن حمام الملح مع (أ) غطاء ملتقط و (ب) غطاء مظلي. يتطلب غطاء الملتقط في (أ) معدل تهوية قدره 200 م³/دقيقة (7120 قدم³/دقيقة)، بينما يتطلب الغطاء المظلي في (ب) معدل تهوية أكبر قدره 905 م³/دقيقة (32,000 قدم³/دقيقة). جميع الأبعاد

 الموضحة بالبوصة.

ملخص 

بناء الإطار:

يتكون فرن الأقطاب المغمورة عادةً من الطوب والمواد السيراميكية، ويتم تجميعه بغض النظر عن الحجم داخل إطار فولاذي ملحوم وقوي، يوفر دعمًا ذاتيًا. يحتوي الإطار على قنوات أو عوارض داعمة ملحومة أسفل لوح فولاذي ثقيل يشكل قاعدة الإطار. يتم لحام زوايا حديدية ثقيلة حول حواف اللوح وأعلاه، مع تقطيع هذه القطع للسماح بلحام الأعمدة الحديدية الثقيلة إلى اللوح وقواعد الجوانب العمودية.

عندما يكون ذلك مطلوبًا، يتم لحام دعائم رأسية إضافية بين القطع السفلية والعلوية من الزوايا الحديدية، كما يتم استخدام دعائم أفقية مسبقة الإجهاد لضمان أن المواد المقاومة للحرارة لن تتحرك بعد أن يتم تسخين الفرن إلى درجة حرارة التشغيل.

بناء الطوب:

تُستخدم ثلاثة أنواع من المواد المقاومة للحرارة بشكل شائع في أفران الأقطاب المغمورة. يتكون البطانة من طوب محترق عالي الحرارة بسُمك 230 ملم (9 بوصات)، يحتوي على حوالي 42% من الألومينا و52% من السيليكا. يتم استخدام الطوب بأحجام قياسية وأشكال مختلفة مثل المستقيمات والزوايا والشرائح.

يتم وضع الطوب باستخدام ملاط عالي الجودة يقاوم التآكل والهجوم الكيميائي من الأملاح مثل الكلوريد والفلوريد والنترات-النيتريت. في حالة استخدام أملاح السيانيد أو الكربونات فقط، يتم استخدام وعاء فولاذي ملحوم أو بطانة طوب معدلة.

تشكل الجدران الخارجية من الطوب الحراري من الدرجة الثانية بنفس أبعاد الطوب الداخلي. يتم صب الجدار الداخلي باستخدام الأسمنت الحراري ومكونات مضافة بين البطانة والجدار الخارجي لتكوين هيكل جداري متماسك بسُمك 240 ملم (9.5 بوصة)، مما يساعد في تجميد الأملاح داخل الجدار وجعله ذاتي الإغلاق.

بناء الأقطاب الكهربائية:

تختلف الأقطاب الكهربائية المستخدمة في أفران الأقطاب المغمورة في الحجم والشكل، حسب هندسة الفرن ومتطلبات الطاقة. تُوضع جميع الأقطاب بالقرب من قاع الحمام وتُدمج داخل الجدران بحيث يتلامس وجه واحد فقط مع الملح، مما يتيح سهولة التنظيف ويقلل من احتمال لمس الأقطاب للعمل.

تُصنع الأقطاب من سبائك معدنية يتم لحامها إلى دعامة فولاذية، أو يتم لحامها مباشرةً إلى خزان فولاذي. تكون المسافات بين الأزواج عادةً ثابتة وغير قابلة للتعديل، مما يجعل حساب الجهود الكهربائية أمرًا ضروريًا لتشغيل الفرن بشكل صحيح.

التشغيل والإيقاف:

لتشغيل الفرن، يمكن إضافة ملح منصهر من فرن آخر أو استخدام مشعل غاز أو ملف كهربائي لبدء الذوبان. بمجرد إنشاء مسار تيار في الملح المنصهر بين الأقطاب، يتم إضافة الملح للوصول إلى مستوى العمل. عند الحاجة إلى إيقاف الفرن، يجب إزالة الملح المنصهر قبل أن يتجمد.

المزايا والعيوب:

المزايا:

• تتطلب مساحة أرضية صغيرة وصيانة منخفضة.
• مرونة عالية في الأتمتة.
• قدرة تشغيل عند زيادة الحمل بنسبة تصل إلى 50% بفضل تبريد الأقطاب والمحولات بالماء.

العيوب:

• تعتمد على تكاليف الطاقة الكهربائية، التي قد تكون عالية في بعض المناطق.
• تآكل الأواني السيراميكية عند استخدام أملاح تحتوي على نسبة عالية من السيانيد أو الكربونات.

مع التصميم المعدل واستخدام أقطاب الجرافيت القابلة للتجديد، يمكن للأفران أن تقدم خدمة طويلة الأمد حتى في التطبيقات التي تتطلب أملاح قاسية.

Reference cited in this section

2. Industrial Ventilation, 20th ed., American Conference of Governmental Industrial Hygienists, 1988