تطور إنتاج بوتقة الجرافيت بشكل ملحوظ مع ظهور تقنية الضغط المتساوي، مما جعلها التقنية الأكثر تطورًا عالميًا. بالمقارنة مع طرق الكبس التقليدية، ينتج الضغط المتساوي بوتقة ذات قوام موحد، وكثافة أعلى، وكفاءة طاقة عالية، ومقاومة فائقة للأكسدة. يُحسّن تطبيق الضغط العالي أثناء التشكيل قوام البوتقة بشكل ملحوظ، مما يقلل من مساميتها، وبالتالي يعزز التوصيل الحراري ومقاومتها للتآكل، كما هو موضح في الشكل 1. في بيئة الضغط المتساوي، يتعرض كل جزء من البوتقة لضغط تشكيل موحد، مما يضمن اتساق المادة في جميع أجزائها. تتفوق هذه الطريقة، كما هو موضح في الشكل 2، على عملية الكبس التقليدية، مما يؤدي إلى تحسن كبير في أداء البوتقة.
1. بيان المشكلة
يُثار القلق بشأن فرن بوتقة مصنوع من سلك عازل مقاوم لسبائك الألومنيوم، ويستخدم بوتقات جرافيت مدكوكة، ويبلغ عمره الافتراضي حوالي 45 يومًا. بعد 20 يومًا فقط من الاستخدام، يُلاحظ انخفاض ملحوظ في الموصلية الحرارية، مصحوبًا بتشققات دقيقة على السطح الخارجي للبوتقة. في المراحل اللاحقة من الاستخدام، يُلاحظ انخفاض حاد في الموصلية الحرارية، مما يجعل البوتقة شبه غير موصلة. بالإضافة إلى ذلك، تتشكل تشققات سطحية متعددة، ويتغير لون سطح البوتقة بسبب الأكسدة.
عند فحص فرن البوتقة، كما هو موضح في الشكل 3، استُخدمت قاعدة مكونة من طوب حراري مكدس، مع وضع عنصر التسخين السفلي لسلك المقاومة على بُعد 100 مم فوق القاعدة. يُغلق الجزء العلوي من البوتقة ببطانيات من ألياف الأسبستوس، موضوعة على بُعد حوالي 50 مم من الحافة الخارجية، مما يكشف عن تآكل ملحوظ على الحافة الداخلية للجزء العلوي من البوتقة.
2. التحسينات التكنولوجية الجديدة
التحسين الأول: اعتماد بوتقة الجرافيت الطينية المضغوطة المتساوية الضغط (مع طلاء مقاوم للأكسدة في درجات الحرارة المنخفضة)
يُحسّن استخدام هذه البوتقة بشكل كبير من استخدامها في أفران عزل سبائك الألومنيوم، وخاصةً من حيث مقاومة الأكسدة. عادةً ما تتأكسد بوتقات الجرافيت عند درجات حرارة تزيد عن 400 درجة مئوية، بينما تتراوح درجة حرارة عزل أفران سبائك الألومنيوم بين 650 و700 درجة مئوية. تُبطئ البوتقات المُزودة بطلاء مقاوم للأكسدة في درجات حرارة منخفضة عملية الأكسدة بفعالية عند درجات حرارة تزيد عن 600 درجة مئوية، مما يضمن توصيلًا حراريًا ممتازًا لفترة أطول. كما يمنع انخفاض المتانة بسبب الأكسدة، مما يُطيل عمر البوتقة.
التحسين الثاني: قاعدة الفرن باستخدام الجرافيت من نفس مادة البوتقة
كما هو موضح في الشكل 4، يضمن استخدام قاعدة من الجرافيت من نفس مادة البوتقة تسخينًا متساويًا لقاع البوتقة أثناء عملية التسخين. هذا يُخفف من تفاوت درجات الحرارة الناتج عن التسخين غير المتساوي، ويُقلل من احتمالية التشققات الناتجة عن ذلك. كما تضمن قاعدة الجرافيت المُخصصة دعمًا ثابتًا للبوتقة، مُحاذيةً قاعها، ومُقللةً من الكسور الناتجة عن الإجهاد.
التحسين 3: التحسينات الهيكلية المحلية للفرن (الشكل 4)
- تم تحسين الحافة الداخلية لغطاء الفرن، مما يمنع بشكل فعال التآكل في الجزء العلوي من البوتقة ويعزز بشكل كبير من إحكام إغلاق الفرن.
- التأكد من أن سلك المقاومة في مستوى قاع البوتقة، مما يضمن تسخين القاع بشكل كافٍ.
- تقليل تأثير أختام بطانية الألياف العلوية على تسخين البوتقة، وضمان التسخين الكافي في الجزء العلوي من البوتقة وتقليل تأثيرات الأكسدة منخفضة الحرارة.
التحسين الرابع: تحسين عمليات استخدام بوتقة الصهر
قبل الاستخدام، سخّن البوتقة مسبقًا في الفرن على درجة حرارة أقل من 200 درجة مئوية لمدة ساعة إلى ساعتين للتخلص من الرطوبة. بعد التسخين المسبق، ارفع درجة الحرارة بسرعة إلى 850-900 درجة مئوية، مع تقليل وقت السكون إلى 300-600 درجة مئوية لتقليل الأكسدة ضمن هذا النطاق. بعد ذلك، اخفض درجة الحرارة إلى درجة حرارة التشغيل، وأدخل مادة الألومنيوم السائلة للتشغيل العادي.
نظرًا للتأثيرات التآكلية لعوامل التكرير على البوتقات، يُرجى اتباع بروتوكولات الاستخدام الصحيحة. تُعد إزالة الخبث بانتظام أمرًا ضروريًا، ويجب إجراؤها عندما تكون البوتقة ساخنة، وإلا يُصبح تنظيف الخبث صعبًا. كما يُعدّ الرصد الدقيق للتوصيل الحراري للبوتقة ووجود آثار شيخوخة على جدرانها أمرًا بالغ الأهمية في المراحل اللاحقة من الاستخدام. ويجب استبدال البوتقة في الوقت المناسب لتجنب فقدان الطاقة غير الضروري وتسرب سائل الألومنيوم.
3. نتائج التحسين
يُلاحظ إطالة عمر البوتقة المُحسّنة، إذ تحافظ على التوصيل الحراري لفترات طويلة، دون ملاحظة أي تشققات سطحية. وتشير آراء المستخدمين إلى تحسّن الأداء، ليس فقط في خفض تكاليف الإنتاج، بل وفي تحسين كفاءته بشكل ملحوظ.
4. الخاتمة
- تتفوق بوتقات الجرافيت الطينية المضغوطة المتساوية الضغط على بوتقات الجرافيت التقليدية من حيث الأداء.
- يجب أن يتناسب هيكل الفرن مع حجم وهيكل البوتقة للحصول على الأداء الأمثل.
- يؤدي الاستخدام الصحيح للبوتقة إلى إطالة عمرها بشكل كبير، مما يتحكم بشكل فعال في تكاليف الإنتاج.
من خلال البحث الدقيق وتحسين تكنولوجيا فرن البوتقة، يساهم الأداء المحسن وعمر الخدمة بشكل كبير في زيادة كفاءة الإنتاج وتوفير التكاليف.
وقت النشر: ٢٤ ديسمبر ٢٠٢٣