کوره های صنعتی

[spow 44197]

کوره های صنعتی

 

کوره های حرارت دهی در فرایند های صنعتی محفظه های عایق شده ای هستند که برای حرارت دهی مواد در فرایند های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. ذوب کردن فلزات آهنی و شیشه ها نیازمند پدید آمدن دماهای بسیار بالایی است و علاوه بر دما این فرایند ها ممکن است در محیط های خورنده انجام شود. در فرایند های شکل دهی از دمای بالا استفاده می شود. در این فرایند ها از دما برای نرم کردن ( خمیری کردن ) مواد مختلف استفاده می شود. این فرایند ها عبارتند از فرجینگ، هدیده کردن، نورد کردن، پرس کردن، خم کردن و اکسترود کردن. فرایند های اصلاحی ممکن است در دماهای متوسط انجام می شوند. در این فرایندهای ساختارهای کریستالی به صورت فیزیکی تغییر می کند و یا عناصر سطحی و با روش شیمیایی( متالورژیکی) تعویض می شوند(مانند فرایند های سخت کردن و رهایش تنش در فلزات)؛ مثال های از این فرایند ها عبارتست از: پیرسازی، آنیل کردن، آستنیته کردن، کربونیزاسیون، سخت کردن، چکش خوار کردن، مارتنزیت کردن، نیتریده کردن، زینترینگ، اسفرودیزینگ، رهایش تنش و تمپرکردن. فرایندهای صنعتی که از دماهای پایین بهره می برند عبارتند از: خشک کردن، پلیمریزاسیون و سایر تغییرات شیمیایی.

کوره های صنعتی که باعث نمی شوند مواد فلزی داخل آن ها به دمای سرخ شدن برسند، عموما در آمریکای شمالی آون( oven) نامیده می شوند. آون ها معمولا دماهای زیر c° 650 (F 1200 ) ایجاد می کنند. به هر حال مرز میان آون و کوره ها مشخص نیست. برای مثال آون های ذغالی در دمای بالاتر از c°1478 ( F2200 ) کار می کنند. در اروپا بسیاری از کوره ها آون نامیده می شوند. در صنعت سرامیک کوره ها با واژه ی kiln نامیده می شوند. در پتروشیمی و صنایع مرتبط با فرایندهای شیمیایی ( CPI )، کوره ها ممکن است heater، kiln، after-burner، incinerator و یا destructor نامیده شوند. کوره ی یک بویلر آتشدان یا محفظه ی احتراق آن است.

عملیات های حرارت دهی صنعتی شامل گستره ی وسیعی از دماهاست که تا حدی به مواد مورد استفاده و تاحدی به هدف فرایند حرارت دهی و عملیات های بعدی بستگی دارد.

در هر فرایند حرارت دهی همیشه دمای ماکزیمم کوره از دمایی که بار کوره نیاز دازد بیشتر است.

 

طبقه بندی کوره ها

 

طبقه بندی بر اساس منبع حرارت

حرارت تولید شده در کوره که از آن برای افزایش دمای آن استفاده می شود یا بوسیله ی احتراق سوخت و یا بوسیله ی مصرف الکتریسیته تأمین می شود.

کوره هایی که با احتراق سوخت گرم می شوند متداول تر هستند ولی در نوعی که بوسیله ی الکتریسیته گرم می شود در جاهایی مصرف می شود که مصرف کننده مزایای این نوع از کوره ها را ترجیح دهد البته این مزایا همیشه از با قیمت سوخت قابل ارزیابی نیست. در کوره هایی که بااحتراق سوخت گرم می شوند، طبیعت سوخت مصرفی ممکن است باعث ایجاد تفاوت در طراحی کوره شود اما با پیشرفت کوره ها و بوجود آمدن کوره های مدرن و وسایل احتراقی این مسئله به عنوان یک مشکل مطرح نمی شود. مبناهای اضافی در زمینه ی طبقه بندی ممکن است به مکان شروع احتراق و نحوه ی هدایت محصولات واکنش بستگی داشته باشد.

طبقه بندی کوره ها بر اساس بچ بودن یا مداوم بودن و بر اساس نحوه ی ورود،جابجایی مواد در داخل کوره و نحوه ی خروج مواد از کوره

کوره های بچ عموما با واژه ی کوره های in-and-out یا کوره های دوره های نامیده می شوند( شکل 1و2). این کوره ها دارای یک درجه ی مشخص حرارتی هستند اما دارای سه نقطه ی کنترل هستند تا دما در میان کوره به طور یکسان تنظیم گردد زیرا در مکان قرارگیری در و در انتهای کوره نیاز به حرارت بیشتر است.این کوره ها ممکن است به طور دستی ویا بااستفاده از دست مکانیکی( یک ربات) بارگیری شود.

مواد در داخل کوره قرار داده می شوند و دمای کوره و بارش هر دو با هم بالا می رود و بسته به نوع فرایند، کوره ممکن است قبل از آنکه باز شود خنک سازی می شود ویا در مواردی ممکن است فرایند خنک سازی انجام نشود. ترکیب بندی کوره های بچ عبارتست ازاطاقکی( box)، شیاردار( slot)، کار-هرتی( car-hearth) ، شاتلی( shuttle)، ناقوسی( bell)، آسانسور( elevator) و وانی( bath) می باشد. برای بارهای جامد طویل، دکل های صلیب شکل و مشعل هایی در بالا، پایین، چپ و راست قرار می گیرند تا حرارت دهی یکنواخت باشد.

 

 

 

کوره های آسانسوری و ناقوسی در اغلب موارد به صورت استوانه ای هستند. کوره های مورد استفاده برای کتری، قوری و ظروف عمیق ممکن است به جای گرم شدن با شعله های نوع E، بوسیله ی شعله های نوع H و به صورت مماسی حرارت دهی می شوند. برخلاف بوته ی ذوب فلز، کوره های کتری، قوری و ظروف عمیق، آسترکاری دیرگداز کوره به خودی خود محفظه ای برای کوره های ذوب آلومینیوم و تانک های شیشه است( شکل 2).

 

 

 

طرح ساده ی کوره های نوع کار- هرتی در شکل 1 نشان داده شده است. این کوره ها یک قلب متحرک دارند که این قلب با استفاده از چرخ های فولادی بر روی یک ریل قرار دارند. بار بر روی کار- هرت قرار داده می شود و همانطور که بر روی آن قرار دارد به داخل کوره حرکت داده می شود، حرارت داده می شود سپس همانطور که بر روی کار-هرت قرار دارد از داخل کوره خارج می شود و تخلیه می گردد. عملیات خنک سازی مواد بر روی کار- هرت ( در داخل و یا بیرون کوره) و پیش از تخلیه انجام می شود. این نوع از کوره عمدتا برای حرارت دادن بارهای سنگین و حجیم و یا حرارت دهی کوتاه مدت اجسام طبقه بندی شده (از لحظ اندازه و یا شکل) استفاده می شوند. در این نوع کوره ممکن است به بخش کار( واگن) متصل باشد. به هر حال درب های گیوتینی معمولا کوره را بهتر آب بندی می کنند و می توان از آنها در ابتدا و انتهای کوره استفاده کرد.

آب بندی یک کوره ی کار- هرت و یا کوره های مشابه ( مثلاکوره های با قلب چرخنده) معمولا بوسیله ی درزگیر های ماسه ای و یا درزگیرهای تشتک- آبی ( water- through seals) انجام می شود.

در کوره های مداوم( continuous furnaces) طراحی به گونه ای است که مواد شارژ شده به کوره در هنگام عبور از کوره حرارت داده می شوند. مواد از یک بستر ثابت عبور می کنند و یا خود بستر متحرک است. اگر بستر کوره ثابت باشد، مواد شارژ شده به کوره بر روی پوسته ی بستر کشیده می شوند، یا با غلطک حرکت داده می شوند و یا از میان کوره بر روی نوارهای بافته شده از سیم فلزی حرکت داده می شوند ویا بوسیله ی دستگاه های مکانیکی از میان کوره هل داده می شوند. بجز در موارد استثنایی یک کوره ی مداوم با نرخ حرارت دهی ثابت کار می کند و مشعل های آن به ندرت خاموش می شوند. حرکت مداوم و عدم نیاز به سرد کردن و پیش گرم کردن کوره باعث می گردد تا در این نوع کوره در مصرف انرژی صرفه جویی گردد.

 

 

[spow 44197]

کوره های مداوم افقی( horizontal straight-line continuous furnaces) معمولا نسبت به انواع دیگر مانند کوره های با بستر چرخنده( rotary hearth furnaces)، کوره های چرخنده ی استوانه ای( rotary drum furnaces)، کوره های ستونی قائم ( vertical shaft furnaces) و کوره های بستر مایع ( fluidized bed furnaces) کاربرد بیشتری دارند.

 

 

 

شکل های 3 و 4 برخی از انواع کوره های گرم کن فولاد را نشان می دهند. سایر فرم های کوره های مداوم افقی عبارتند از: کوره های دارای نواری از جنس سیم های آلیاژی بافته شده که برای عملیات حرارتی فلزات و شیشه استفاده می شود( به این کوره ها کوره ی لهر( lehrs) می گویند( شکل 5))، کوره های دارای بستر( قلب) از جنس غلتک های سرامیکی یا فلزات آلیاژی( شکل 6) و کوره های تونلی( شکل 7).

 

 

 

به جای کوره های مداوم افقی می توان از کوره های با بستر چرخنده ( شکل 8)، کوره های چرخنده ی استوانه ای مایل( شکل 10)، کوره های برج مانند ( tower furnaces)، کوره های ستونی( شکل 11)، کوره های کوره های بستر مایع( شکل 12)، گرم کن های مایع( liquid heaters) و بویلرها استفاده کرد.

 

 

کوره های با بستر چرخنده یا دوار( شکل 8) برای کاربردهای زیادی مورد استفاده قرار می گیرند و کوره های متداولی هستند. درا ین کوره ها بار بر روی یک بستر( قلب) چرخ و فلکی قرار داده می شود و پس از آنکه حرارت داده می شوند از روی بستر برداشته می شوند. بخش چرخنده ی این کوره ها در یک مدار مشخص حرکت می کند. کوره های با بستر چرخنده یا دوار مخصوصا برای بارهای استوانه ای شکل مناسب است که نمی توان آنها را از میان کوره هل داد.

 

 

کوره های با بسترچندتایی( کفی کوره) ( multihearth furnaces( شکل 9)) یک نوع از کوره های با بستر چرخنده است که دارای تعداد زیادی بستر مدور ثابت با دسته های کمکی چرخنده است که به طور تدریجی تکه های مواد را از میان کوره به جلو می برند و قطعات مواد از یک بخش بر روی بخش بعد می ریزند.

کوره های چرخنده ی استوانه ای مایل، kilns، incinerators و خشک کن ها در اغلب موارد از شعله های نوع F و یا G استفاده می کنند. اگر خشک کردن مد نظر باشد، در واقع هوای اضافی بیش از حالت معمول ممکن است باعث گردد تا قابلیت خروج آب بیشتر شود( شکل 10 را ببینید).

 

[spow 44197]

در کوره های برج مانند به دلیل ساختار عمودی فضای زمین کمتری نیاز است.این نوع کوره ی با ساختار بلند می تواند برای خشک کردن، پوشش دهی، عمل آوری و عملیات حرارتی( مخصوصا آنیلینگ) استفاده شود. در برخی موارد بار ممکن است بوسیله ی اتمسفر خاصی محافظت گردد و یا بوسیله ی تیوب های تشعشع کننده ی حرارتی و یا بخش های الکتریکی گرم شود.

 

 

کوره های ستونی معمولا استوانه های عمودی آسترکاری شده با مواد دیرگدازی هستند که در آنها مواد جامد و مایع به دلیل وزن شان به سمت پایین هدایت می شوند و فراورده های فرعی گازی به سمت بالا می روند. مثال هایی از این نوع کوره ها عبارتند از کوره های گنبدی( cupolas)، کوره بلند( blast furnace) و کوره های آهک پزی ( lime kilns).

 

 

کوره های بستر مایع بوسیله ی جریان با سرعت بالای گاز و بمباران فیزیکی سطوح تماس مواد جامد بوسیله ی لرزاندن میلیون ها ذره ی جامد، باعث انتقال حرارت به ذرات می شوند. این کوره ها دارای چندین شکل هستند.

 

1. یک محفظه ی آسترکاری شده با مواد دیرگداز که بوسیله ی گلوله ها ، ساچمه ها و یا گرانول های خنثی ( معمولا از جنس مواد دیرگداز ) پر شده اند. این گلوله ها بوسیله ی محصولات احتراق که بوسیله ی یک اتاقک احتراق تولید می شوند، گرم می شوند. باری که می خواهیم آن را حرارت دهیم به داخل بستر مایع و در داخل کوره قرار می گیرد و عملیات حرارت دهی انجام می شود. علاوه بر بار می توان یک بویلر به جای بستر مایع قرار داد واز آن برای تولید بخار استفاده کرد.

2. مانند بخش قبل است اما گرانول ها در آن ذرات مواد سوختی و یا رسوبات فاضلاب هستند که سوزانده می شوند. در بخشی از این کوره هوا فشرده می شود و به بخش احتراق هدایت می شود. ذرات سوخت در بخش بالایی کوره محترق شده و در داخل سوسپانسیون مایع می سوزد در حالی که محفظه ی بالایی بوسیله ی آب موجود در دیواره گرم می شود.

3. بستر مایع با گرانول های سرد از ماده ای پوششی ( مانند پلیمر) پرشده است. و بار پوشش داده شده در یک آون مجزا تا دمایی بالاتر از دمای ذوب گرانول ها حرارت دهی می شوند. بار گرم شده سپس برای پوشش دهی به بستر مایع سرباز فرستاده می شوند.

[spow 44197]

طبقه بندی کوره ها بر اساس نوع سوخت

 

 

در کوره هایی که با احتراق سوخت گرم می شوند، طبیعت سوخت مصرفی ممکن است تا حدودی طراحی کوره را تغییر دهد اما این مسئله با طراحی و ساخت کوره ها و مشعل های صنعتی مدرن به عنوان یک مشکل بزرگ تلقی نمی گردد مگر آنکه از سوخت های جامد مورد استفاده قرار گیرد. مبناهای تشابه برای طبقه بندی، کوره های هوایی( air furnaces)، کوره های اکسیژنی( oxygen furnaces) و کوره های اتمسفری( atmosphere furnaces) است. مبناهای وابسته برای طبقه بندی ممکن است وضعیت محفظه ی شروع احتراق و یا این باشد که آیا محصولات حاصل از احتراق با مواد اولیه تماس دارند یا نه!

کوره های الکتریکی( electric furnaces) برای حرارت دهی در فرایند های صنعتی ممکن است از طریق ایجاد مقاومت و یا القا حرارت تولید کنند. از لحاظ تئوری اگر هیچ گاز و یا هوای خروجی وجود نداشته باشد، حرارت دهی الکتریکی هیچ تولید گازی ندارد اما استفاده کنندگان باید بدانند که هزینه ی بالاتر الکتریسیته نسبت به سوخت بدین علت است که تولید گازهای خروجی حاصل از احتراق در نیروگاه برق انجام شده است.

حرارت دهی مقاومتی معمولا مصرف برق بالاتری دارد و ممکن است نیازمند فن هایی باشد تا بوسیله ی آنها دما در داخل کوره یکنواخت گردد. در صورتی که از کوره هایی استفاده کنیم که سوخت مصرف می کنند دیگر نیازی به این فن ها نیست و محصولات احتراق دمای کوره را یکنواخت می کنند. استفاده از رکتیفایرهای سیلیکونی می تواند در هنگام حرارت دهی مقاومتی میزان مصرف را کاهش دهد. مواد مختلفی به عنوان مقاومت در کوره های الکتریکی مصرف می شوند. بیشتر آنها از جنس آلیاژ کروم-نیکل است که به صورت سیم یا نوارهای نورد شده و یا به صورت اشکال زیک زاکی ( برای انتقال بهتر حرارت) استفاده می شوند. سایر مواد مورد استفاده در مقاومت ها عبارتند از: شیشه ی ذوب شده، کربن گرانولی، کربن جامد، گرافیت و یا سیلیکون کاربید( میله های ملتهب که از آنها بیشتر در گرمایش تابشی مصرف می شود). این مسئله برخی اوقات امکان پذیر است که از بار شارژ شده به کوره به عنوان مقاومت استفاده کرد.

در حرارت دهی القایی جریانی از داخل یک پیچه عبور می کند. این پیچه دور قطعه ای قرار دارد که می خواهیم آن را گرم کنیم. فرکانس جریان مورد استفاده به جرم قطعه ای که می خواهیم آن را حرارت دهیم بستگی دارد. پیچه ی القا ( و یا سری های القا برای قطعات بار مختلف) باید بوسیله ی آب خنک سازی شوند تا از بالارفتن بیش از حد دمایشان جلوگیری شود.اگرچه حرارت دهی القایی معمولا الکتریسیته ی کمتری نسبت به حرارت دهی مقاومتی استفاده می کند، مقداری از آن منفعت ممکن است به دلیل هزینه ی خنک سازی با آب و هزینه های فاضلاب کشی از بین برود.

حرارت دهی القایی می تواند به آسانی برای حرارت دهی نقاط مشخصی از هر قطعه و روش های تولید جرمی( mass-production methods) استفاده شود. در کاربردهای مشابه که در زمینه ی تکنیک های مدرن تولید است، حرارت دهی سریع با استفاده از مشعل های گازی انجام می شود که با استفاده ازاین روش ها می توان دندانه های چرخ دنده ها را با موفقیت سخت کرد و فنرهای تخت وسایل را گرم کرد.

اخیرا توسعه های بسیاری در زمینه ی روش های حرارت دهی الکتریکی و الکترونیکی انجام شده است که این روش ها راه هایی را برای حرارت دهی صنعتی با استفاده از قوس پلاسما، لیزرها، فرکانس های رادیویی، میکرو ویو و حرارت دهی الکترومغناطیس و ترکیبی از این روش ها با احتراق سوخت پیشنهاد کرده اند.

طبقه بندی کوره ها بر اساس گردش هوا

برای کوره ها، خشک کن ها، آون های دما پایین و متوسط که در زیر دمای c° 760 (F 1400) کار می کنند، یک کوره ی یا آون با گردش هوا ی داخلی یکنواختی دمایی بهتری را در کوره ایجاد می کند و مصرف سوخت کمتری هم دارند. گردش هوا می تواند بوسیله ی فن، تعبیه ی کانال، فن های درپوشی سقفی( ceiling plug fans) و یا مشعل های جتی( jet momentum of burners) انجام شود.

طبقه بندی کوره ها بر اساس آتش مستقیم و غیر مستقیم

اگر شعله به طور مستقیم در محفظه ی مواد باشد و یا محصولات حاصل از احتراق بر بالای سطح مواد حرکت کنند، به این کوره کوره ی با آتش مستقیم می گویند.در بسیاری از کوره ها، خشک کن ها و آون هایی که در بخش های قبلی این مقاله دیدید، بار با تماس مستقیم با محصولات احتراق گرم نمی شد.

کوره های با آتش غیر مستقیم برای حرارت دهی مواد و محصولاتی است که کیفیت محصول نهایی در صورت تماس مستقیم شعله با این محصولات در معرض خطر باشد. در چنین مواردی مواد و یا بار ممکن به دو شکل حرارت دهی شوند:

1) مواد و یا بار در یک مافل ( muffle( یک ظرف رسانا)) حرارت دهی شوند به گونه ای که بیرون ظرف رسانا بوسیله ی تماس محصولات حاصل از احتراق مشعل ها گرم شود.

2) مواد و یا بار بوسیله ی تیوب های تشعشعی( radiant tubes) و بدون استفاده از مشعل و محصولات حاصل از احتراق حرارت دهی شوند.

 

مافل ها

 

قاعده ی کلی کوره های مافلی در شکل 1 نشان داده شده است. یک کوره ی کتری و یا یک کوره ی بوته ای ( شکل 2) انواعی از کوره های مافلی هستند که در آنها محصولات احتراق به طور مستقیم با بار در تماس نیستند.

 

 

[spow 44197]

یک آرایش مافلی مضاعف در شکل 3 نشان داده شده است. دراین کوره نه تنها بار در یک مافل قرار می گیرد بلکه محصولات حاصل از احتراق نیز داخل مافل هایی محبوس می شوند که به آنها تیوب های پخش کننده ی حرارتی( radiant tubes) می گویند. این استفاده از تیوب های پخش کننده ی حرارتی برای محافظت پوسته ی داخلی از گرم شدن نا متقارن است و جایگزین سیستم های حرارتی مشعل های نوع E و H هستند که برای حرارت دهی پوسته ی مافل از آنها استفاده می شود. نتیجه ی استفاده از این نوع سیستم صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش زمان لازم جهت حرارت دهی است.

 

تیوب های تشعشعی

 

 

برای بارهایی که حرارت دهی آنها نیازمند استفاده از اتمسفر های خاص برای جلوگیری از اکسیداسیون، دکربوره شدن بار و یا سایر دلایل است، کوره های مدرن با آتش غیر مستقیم به گونه ای ساخته می شوند که پیرامون آنها را یک لایه ی خارجی فراگرفته است. این لایه به گونه ای است که گاز از آن به سختی عبور می کند از این رو کل کوره را می توان با اتمسفر مناسب پر کرد. در این کوره ها حرارت دهی بوسیله ی تیوب های تشعشعی و یا مقاومت های الکتریکی انجام می شود.

طبقه بندی بر اساس نوع سیستم بازیابی حرارتی

اکثر سیستم های بازیابی حرارتی کمک می کنند تا حرارت هدررفته در گازهای موجود در دودکش کوره را بازیابی و استفاده ی مجدد گردد. برخی از شکل های بازیابی حرارتی عبارتند از: بازیابی حرارتی هوا و پیش گرم کردن آن، پیش گرم کردن سوخت، پیش گرم کردن بار( ماده ی مورد نظر برای حرارت دهی- شکل 4)، بهبود بخشی( recuperative)، استفاده از ری ژنراتور( regenerative) و استفاده از بویلرهای حرارتی مخصوص گرمای تلف شده.

 

 

پیش گرم کردن هوای احتراق بوسیله ی بهبود بخش ها و یا ری ژنراتور انجام می شود. بهبود بخش ها تبادل گرهای حرارتی حالت پایا هستند که گرما را از گازهای داغ خروجی از دودکش کوره به هوای مورد نیاز برای احتراق انتقال می دهند. ری ژنراتور ها وسایل غیر پایایی هستند که بطور موقت حرارت را از گازهای خروجی کوره گرفته و در تعداد زیادی قطعه ی کوچک ( از جنس دیرگداز یا فلز) ذخیره می کنند( هر یک از این قطعات دارای ظرفیت جذب مشخصی هستند). سپس هوای سرد به داخل این بخش ها وارد شده تا پیش گرم شود. کوره های مجهز به این سیستم گاهی اوقات کوره های ری ژنراتوری یا کوره های دارای سیستم بهبود بخش نامیده می شوند.

کوره های ری ژنراتوری در گذشته بسیار بزرگ بوده اند و دارای ساختار دیرگداز هم در کوره و هم در ری ژنراتور بوده اند. کوره هایی که در سال های بعد نیز ساخته شد دارای ری ژنراتورهای بزرگتری در مقایسه با کوره بودند.به استثنای کوره های بزرگ ذوب شیشه، اکثر این نوع ری ژنراتورها امروزه با ساختارهای ری ژنراتور/ مشعل داخلی جایگزین شده اند که به صورت جفت استفاده می شوند.