إجراءات تشغيل فرن هوفمان واستكشاف الأخطاء وإصلاحها (قراءة ضرورية للمبتدئين)

فرن هوفمان (المعروف باسم فرن العجلة في الصين) هو نوع من الأفران اخترعه المهندس الألماني غوستاف هوفمان في عام 1856 لإطلاق النار المستمر للطوب والبلاط. يتكون الهيكل الرئيسي من نفق دائري مغلق، مبني عادةً من الطوب المحروق. لتسهيل الإنتاج، يتم تثبيت أبواب فرن متعددة متباعدة بالتساوي على جدران الفرن. تتطلب دورة إطلاق واحدة (رأس نار واحد) 18 بابًا. لتحسين ظروف العمل والسماح للطوب النهائي بمزيد من الوقت ليبرد، تم بناء أفران ذات 22 أو 24 بابًا، كما تم بناء أفران ذات نارين مع 36 بابًا. من خلال التحكم في مخمدات الهواء، يمكن توجيه رأس النار للتحرك، مما يتيح الإنتاج المستمر. كنوع من أفران الهندسة الحرارية، ينقسم فرن هوفمان أيضًا إلى مناطق التسخين المسبق والإطلاق والتبريد. ومع ذلك، على عكس أفران النفق، حيث توضع قطع الطوب الخام على عربات الفرن المتحركة، يعمل فرن هوفمان على مبدأ "تحرك القطعة الخام، وتبقى النار ثابتة". تظل مناطق العمل الثلاث - التسخين المسبق، والإشعال، والتبريد - ثابتة، بينما تتحرك قطع الطوب الخام عبر المناطق الثلاث لإكمال عملية الإشعال. يعمل فرن هوفمان بشكل مختلف: تُكدس قطع الطوب الخام داخل الفرن وتبقى ثابتة، بينما يتم توجيه رأس النار بواسطة مخمدات الهواء للتحرك، وفقًا لمبدأ "تحرك النار، وتبقى القطع الخام ثابتة". لذلك، تتغير مواقع مناطق التسخين المسبق والإشعال والتبريد في فرن هوفمان باستمرار مع تحرك رأس النار. المنطقة أمام اللهب مخصصة للتسخين المسبق، واللهب نفسه للإشعال، والمنطقة خلف اللهب للتبريد. يتضمن مبدأ العمل ضبط مخمد الهواء لتوجيه اللهب لإشعال الطوب المكدس داخل الفرن بالتتابع.

أولا: إجراءات التشغيل:

التحضير المسبق للاشتعال: مواد الاشتعال مثل الحطب والفحم. في حالة استخدام طوب الاحتراق الداخلي، يلزم ما يقارب 1100-1600 كيلو كالوري/كجم من الحرارة لحرق كيلوغرام واحد من المواد الخام إلى درجة حرارة تتراوح بين 800 و950 درجة مئوية. يمكن أن تكون طوب الاحتراق أطول قليلاً، مع نسبة رطوبة ≤6%. يجب تكديس الطوب المؤهل في ثلاثة أو أربعة أبواب للفرن. يتبع تكديس الطوب مبدأ "أشد في الأعلى وأكثر ارتخاءً في الأسفل، وأشد في الجانبين وأكثر ارتخاءً في المنتصف". اترك قناة نار بطول 15-20 سم بين أكوام الطوب. تُجرى عمليات الاشتعال بشكل أفضل على المقاطع المستقيمة، لذا يجب بناء موقد الاشتعال بعد الانحناء، عند باب الفرن الثاني أو الثالث. يحتوي موقد الاشتعال على حجرة فرن ومنفذ لإزالة الرماد. يجب سد فتحات تغذية الفحم والجدران العازلة للرياح في قنوات النار لمنع دخول الهواء البارد.

الإشعال والتسخين: قبل الإشعال، افحص هيكل الفرن ومخمدات الهواء بحثًا عن أي تسريبات. شغّل المروحة واضبطها لخلق ضغط سلبي طفيف في موقد الإشعال. أشعل الخشب والفحم في صندوق الاحتراق للتحكم في معدل التسخين. استخدم نارًا صغيرة للخبز لمدة 24-48 ساعة، مع تجفيف قطع الطوب مع إزالة الرطوبة من الفرن. بعد ذلك، زد تدفق الهواء قليلاً لتسريع معدل التسخين. تختلف نقاط اشتعال أنواع الفحم المختلفة: الفحم البني عند 300-400 درجة مئوية، والفحم البيتوميني عند 400-550 درجة مئوية، والأنثراسايت عند 550-700 درجة مئوية. عندما تتجاوز درجة الحرارة 400 درجة مئوية، يبدأ الفحم داخل الطوب في الاحتراق، ويصبح كل طوبة مصدرًا للحرارة مثل كرة الفحم. بمجرد أن يبدأ الطوب في الاحتراق، يمكن زيادة تدفق الهواء بشكل أكبر للوصول إلى درجة حرارة الاحتراق الطبيعية. عندما تصل درجة حرارة الفرن إلى 600 درجة مئوية، يمكن تعديل مخمد الهواء لإعادة توجيه اللهب إلى الغرفة التالية، لإكمال عملية الاشتعال.

تشغيل الفرن: يُستخدم فرن هوفمان لحرق الطوب الطيني، بمعدل حرق يتراوح بين 4 و6 غرف يوميًا. ونظرًا لحركة رأس النار المستمرة، تتغير وظيفة كل غرفة فرن باستمرار. عند وضع الفرن أمام رأس النار، تكون وظيفته منطقة التسخين المسبق، مع درجات حرارة أقل من 600 درجة مئوية، ويكون مخمد الهواء مفتوحًا عادةً بنسبة 60-70%، وضغط سلبي يتراوح بين -20 و50 باسكال. عند إزالة الرطوبة، يجب اتخاذ احتياطات صارمة لمنع تشقق قطع الطوب. منطقة الحرق هي منطقة درجة الحرارة بين 600 و1050 درجة مئوية، حيث تخضع قطع الطوب للتحول. في درجات الحرارة المرتفعة، يخضع الطين لتغيرات فيزيائية وكيميائية، ويتحول إلى طوب نهائي ذي خصائص خزفية. إذا لم يتم الوصول إلى درجة حرارة الحرق بسبب نقص الوقود، فيجب إضافة الوقود على دفعات (مسحوق الفحم ≤2 كجم لكل حفرة في كل مرة)، مع ضمان إمداد كافٍ من الأكسجين (≥5٪) للاحتراق، مع الحفاظ على ضغط الفرن عند ضغط سلبي طفيف (-5 إلى -10 باسكال). حافظ على درجة حرارة عالية ثابتة لمدة 4-6 ساعات لإشعال الطوب بالكامل. بعد المرور عبر منطقة الحرق، تتحول الطوب الخام إلى طوب نهائي. ثم تُغلق فتحات تغذية الفحم، ويدخل الطوب إلى منطقة العزل والتبريد. يجب ألا يتجاوز معدل التبريد 50 درجة مئوية/ساعة لمنع التشقق بسبب التبريد السريع. عندما تنخفض درجة الحرارة عن 200 درجة مئوية، يمكن فتح باب الفرن القريب، وبعد التهوية والتبريد، تُخرج الطوب النهائي من الفرن، لتكتمل عملية الحرق.

II. ملاحظات هامة

تكديس الطوب: "ثلاثة أجزاء من الحرق، سبعة أجزاء من التكديس". يُعد تكديس الطوب أمرًا بالغ الأهمية في عملية الحرق. من المهم تحقيق "كثافة معقولة"، وإيجاد التوازن الأمثل بين عدد الطوب والفجوات بينها. وفقًا للمعايير الوطنية الصينية، تبلغ الكثافة المثلى للتكديس للطوب 260 قطعة لكل متر مكعب. يجب أن يلتزم تكديس الطوب بمبادئ "كثيفة في الأعلى، متناثرة في الأسفل"، و"كثيفة على الجانبين، متناثرة في المنتصف"، و"ترك مساحة لتدفق الهواء"، مع تجنب أي خلل في التوازن حيث يكون الجزء العلوي ثقيلًا والجزء السفلي خفيفًا. يجب أن يكون مجرى الهواء الأفقي محاذيًا لفتحة التهوية، بعرض 15-20 سم. يجب ألا يتجاوز الانحراف الرأسي للكومة 2%، ويجب اتخاذ تدابير صارمة لمنع انهيار الكومة.

التحكم في درجة الحرارة: يجب تسخين منطقة التسخين المسبق ببطء؛ ويُمنع منعًا باتًا أي ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة (فقد يؤدي الارتفاع المفاجئ في درجة الحرارة إلى تسرب الرطوبة وتشقق قوالب الطوب). خلال مرحلة تحول الكوارتز، يجب الحفاظ على درجة الحرارة مستقرة. في حال انخفاض درجة الحرارة عن الحد المطلوب، واضطرار إضافة الفحم خارجيًا، يُمنع إضافة الفحم المركز (لمنع الاحتراق الموضعي). يجب إضافة الفحم بكميات صغيرة عدة مرات عبر فتحة واحدة، بحيث تكون كل إضافة ٢ كجم لكل دفعة، وبفاصل ١٥ دقيقة على الأقل بين كل دفعة.

السلامة: فرن هوفمان أيضًا مكان مغلق نسبيًا. عندما يتجاوز تركيز أول أكسيد الكربون 24 جزءًا في المليون، يجب إخلاء العاملين، ويجب تحسين التهوية. بعد التلبيد، يجب إزالة الطوب النهائي يدويًا. بعد فتح باب الفرن، يجب أولًا قياس محتوى الأكسجين (محتوى الأكسجين > 18%) قبل الدخول إلى العمل.

ثالثًا: الأعطال الشائعة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

المشاكل الشائعة في إنتاج فرن هوفمان: تراكم الرطوبة في منطقة التسخين المسبق وانهيار مداخن الطوب الرطب، ويرجع ذلك أساسًا إلى ارتفاع نسبة الرطوبة في الطوب الرطب وسوء تصريف الرطوبة. طريقة تصريف الرطوبة: استخدام قطع الطوب الجافة (بمحتوى رطوبة متبقية أقل من 6%) وضبط مخمد الهواء لزيادة تدفق الهواء، مما يرفع درجة الحرارة إلى حوالي 120 درجة مئوية. سرعة الاشتعال البطيئة: يُشار إليها عادةً باسم "لن تشتعل النار"، ويرجع ذلك أساسًا إلى نقص الأكسجين في الاحتراق. حلول لنقص تدفق الهواء: زيادة فتحة المخمد، وزيادة سرعة المروحة، وإصلاح فجوات هيكل الفرن، وتنظيف الحطام المتراكم من المدخنة. باختصار، تأكد من توفير كمية كافية من الأكسجين لغرفة الاحتراق لتحقيق احتراق غني بالأكسجين وظروف ارتفاع درجة الحرارة السريع. تغير لون هيكل الطوب (اصفراره) بسبب عدم كفاية درجة حرارة التلبيد: الحل: زيادة كمية الوقود بشكل مناسب ورفع درجة حرارة الاحتراق. يمكن أن يتشكل الطوب ذو القلب الأسود لعدة أسباب: زيادة إضافات الاحتراق الداخلي، أو نقص الأكسجين في الفرن مما يخلق جوًا مختزلًا (O₂ < 3%)، أو عدم اكتمال احتراق الطوب. الحلول: تقليل محتوى الوقود الداخلي، وزيادة التهوية لضمان احتراق كافٍ للأكسجين، وإطالة مدة درجة الحرارة الثابتة المرتفعة بشكل مناسب لضمان اكتمال احتراق الطوب. يحدث تشوه الطوب (الإفراط في الاحتراق) بشكل رئيسي بسبب ارتفاع درجات الحرارة الموضعية. تشمل الحلول فتح مخمد الهواء الأمامي لتحريك اللهب للأمام، وفتح غطاء النار الخلفي لإدخال هواء بارد إلى الفرن لخفض درجة الحرارة.

يُستخدم فرن هوفمان منذ اختراعه منذ 169 عامًا، وقد شهد العديد من التحسينات والابتكارات. ومن هذه الابتكارات إضافة مجرى هواء في قاع الفرن لإدخال هواء ساخن جاف (100-300 درجة مئوية) إلى حجرة التجفيف أثناء عملية فرن العجلة الواحدة. ومن الابتكارات الأخرى استخدام الطوب المحروق داخليًا، والذي اخترعه الصينيون. بعد سحق الفحم، يُضاف إلى المواد الخام وفقًا للقيمة الحرارية المطلوبة (يلزم حوالي 1240 كيلو كالوري/كجم من المواد الخام لرفع درجة الحرارة بمقدار درجة مئوية واحدة، أي ما يعادل 0.3 كيلو كالوري). تستطيع آلة التغذية في مصنع الطوب "واندا" خلط الفحم والمواد الخام بالنسب الصحيحة. يمزج الخلاط مسحوق الفحم جيدًا مع المواد الخام، مما يضمن التحكم في انحراف القيمة الحرارية في حدود ±200 كيلو جول/كجم. بالإضافة إلى ذلك، تم تركيب أنظمة التحكم في درجة الحرارة وأنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) لضبط معدل تدفق مخمد الهواء ومعدل تغذية الفحم تلقائيًا. يُعزز هذا مستوى الأتمتة، ويضمن بشكل أفضل مبادئ الاستقرار الثلاثة لتشغيل فرن هوفمان: "ضغط هواء ثابت، ودرجة حرارة ثابتة، وحركة لهب ثابتة". يتطلب التشغيل العادي تعديلات مرنة بناءً على الظروف داخل الفرن، ويمكن للتشغيل الدقيق إنتاج طوب نهائي عالي الجودة.