متطلبات المواد الحرارية لأفران القوس الكهربائي واختيار المواد الحرارية للجدران الجانبية!

المتطلبات العامة للمواد المقاومة للحرارة المستخدمة في أفران القوس الكهربائي هي:

(1) يجب أن تكون درجة الحرارة عالية. تتجاوز درجة حرارة القوس 4000 درجة مئوية، وتتراوح درجة حرارة صناعة الصلب بين 1500 و1750 درجة مئوية، وقد تصل أحيانًا إلى 2000 درجة مئوية، لذلك يجب أن تتمتع المواد المقاومة للحرارة بدرجة عالية من الحرارة.

(2) يجب أن تكون درجة حرارة التليين تحت الحمل عالية. يعمل الفرن الكهربائي في ظروف تحميل ذات درجة حرارة عالية، ويجب أن يتحمل جسم الفرن تآكل الفولاذ المنصهر، لذلك يتطلب الأمر أن تتمتع المادة الحرارية بدرجة حرارة تليين عالية تحت الحمل.

(3) يجب أن تكون مقاومة الضغط عالية. تتأثر بطانة الفرن الكهربائي بتأثير الشحنة أثناء الشحن، والضغط الساكن للفولاذ المنصهر أثناء الصهر، وتآكل الفولاذ أثناء التفريغ، والاهتزاز الميكانيكي أثناء التشغيل. لذلك، يجب أن تتمتع المادة الحرارية بمقاومة ضغط عالية.

(4) يجب أن تكون الموصلية الحرارية منخفضة. ولتقليل فقد الحرارة في الفرن الكهربائي وخفض استهلاك الطاقة، يُشترط أن تتمتع المادة الحرارية بموصلية حرارية ضعيفة، أي أن يكون معامل الموصلية الحرارية منخفضًا.

(5) يجب أن تتمتع المواد المقاومة للحرارة بثبات حراري جيد. ففي غضون دقائق قليلة من بدء عملية الصب وحتى الشحن في صناعة الصلب بالفرن الكهربائي، تنخفض درجة الحرارة بشكل حاد من حوالي 1600 درجة مئوية إلى أقل من 900 درجة مئوية، لذلك يجب أن تتمتع المواد المقاومة للحرارة بثبات حراري جيد.

(6) مقاومة قوية للتآكل. أثناء عملية صناعة الصلب، يكون للخبث وغاز الفرن والصلب المنصهر تأثيرات تآكل كيميائي قوية على المواد الحرارية، لذلك من الضروري أن تتمتع المواد الحرارية بمقاومة جيدة للتآكل.

اختيار المواد المقاومة للحرارة للجدران الجانبية

تُستخدم طوب أكسيد المغنيسيوم والكربون عادةً لبناء الجدران الجانبية للأفران الكهربائية التي لا تحتوي على جدران تبريد مائي. وتُعدّ المناطق الساخنة وخطوط الخبث من أكثر المناطق تعرضًا لظروف التشغيل القاسية. فهي لا تتعرض فقط للتآكل الشديد بفعل الفولاذ المنصهر والخبث، بل أيضًا للصدمات الميكانيكية الشديدة عند إضافة الخردة، بالإضافة إلى تعرضها للإشعاع الحراري من القوس الكهربائي. لذلك، تُبنى هذه الأجزاء باستخدام طوب أكسيد المغنيسيوم والكربون ذي الأداء الممتاز.

بالنسبة للجدران الجانبية للأفران الكهربائية ذات الجدران المبردة بالماء، ونظرًا لاستخدام تقنية التبريد المائي، يزداد الحمل الحراري وتصبح ظروف التشغيل أكثر صرامة. لذلك، يُنصح باختيار طوب MgO-C ذي مقاومة جيدة للخبث، وثبات حراري عالٍ، وموصلية حرارية ممتازة. تتراوح نسبة الكربون فيه بين 10% و20%.

مواد حرارية للجدران الجانبية للأفران الكهربائية فائقة القدرة

تُبنى الجدران الجانبية لأفران الطاقة الكهربائية فائقة القدرة (أفران UHP) في الغالب من طوب MgO-C، وتُبنى المناطق الساخنة ومناطق خطوط الخبث من طوب MgO-C ذي الأداء الممتاز (مثل طوب MgO-C ذي المصفوفة الكربونية الكاملة). مما يُحسّن بشكل ملحوظ من عمرها الافتراضي.

على الرغم من انخفاض الحمل على جدران الفرن نتيجةً لتحسينات أساليب تشغيل الأفران الكهربائية، إلا أنه لا يزال من الصعب على المواد الحرارية إطالة عمر خدمة النقاط الساخنة عند التشغيل في ظروف صهر الأفران عالية الضغط. لذلك، تم تطوير تقنية التبريد المائي وتطبيقها. في الأفران الكهربائية التي تستخدم نظام EBT، تصل مساحة التبريد المائي إلى 70%، مما يقلل بشكل كبير من استخدام المواد الحرارية. تتطلب تقنية التبريد المائي الحديثة استخدام طوب MgO-C ذي موصلية حرارية جيدة. تُستخدم مواد الأسفلت، وطوب المغنيسيا المُرتبط بالراتنج، وطوب MgO-C (بمحتوى كربوني يتراوح بين 5% و25%) لبناء الجدران الجانبية للفرن الكهربائي. وفي ظروف الأكسدة الشديدة، تُضاف مضادات الأكسدة.

بالنسبة للمناطق الساخنة الأكثر تضرراً من تفاعلات الأكسدة والاختزال، يتم استخدام طوب MgO-C مع المغنيسيت المنصهر البلوري الكبير كمادة خام، ومحتوى كربوني أكبر من 20٪، ومصفوفة كربونية كاملة في البناء.

يتمثل أحدث تطوير لطوب MgO-C المستخدم في أفران الضغط العالي الكهربائية في استخدام عملية حرق بدرجة حرارة عالية ثم تشريبه بالإسفلت لإنتاج ما يُعرف بطوب MgO-C المحروق والمشرب بالإسفلت. وكما هو موضح في الجدول 2، بالمقارنة مع الطوب غير المشرب، يزداد محتوى الكربون المتبقي في طوب MgO-C المحروق بعد تشريبه بالإسفلت وإعادة كربنته بنسبة 1% تقريبًا، بينما تنخفض المسامية بنسبة 1%، وتتحسن مقاومة الانحناء عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الضغط بشكل ملحوظ، مما يمنحه متانة عالية.

مواد المغنيسيوم المقاومة للحرارة لجدران الأفران الكهربائية

تنقسم بطانات الأفران الكهربائية إلى نوعين: قلوية وحمضية. يستخدم النوع الأول مواد حرارية قلوية (مثل المغنيسيا ومواد MgO-CaO الحرارية) كبطانة للفرن، بينما يستخدم النوع الثاني طوب السيليكا ورمل الكوارتز والطين الأبيض وما إلى ذلك لبناء بطانة الفرن.

ملاحظة: بالنسبة لمواد تبطين الأفران، تستخدم الأفران الكهربائية القلوية مواد حرارية قلوية، بينما تستخدم الأفران الكهربائية الحمضية مواد حرارية حمضية.