المقال الأكثر شمولاً حول الفرن الدوار على شبكة الإنترنت العالمية

 

كان فريدريك رانسوم هو أول من أدخل الفرن الدوار إلى صناعة الأسمنت. وحصل رانسوم على براءة اختراع لأول مرة في إنجلترا (براءة الاختراع الإنجليزية رقم 5442 المؤرخة في 2 مايو 1885، بعنوان: تحسينات في تصنيع الأسمنت، إلخ)، ثم في الولايات المتحدة (براءة الاختراع الأمريكية رقم 340,357 بتاريخ 20 أبريل 1886 تحت عنوان: «تصنيع الأسمنت، إلخ»). يُظهر الشكل 19.1 نسخة طبق الأصل من رسم براءة اختراع رانسوم لفرن دوار للأسمنت. كان هذا الفرن الدوار يعمل بالغاز، حيث لم يكن استخدام غبار الفحم في الحرق معروفًا في ذلك الوقت. وفي وقت لاحق، تم استخدام زيت الوقود قبل أن يتم إدخال غبار الفحم في الاستخدام بشكل نهائي.

لتنزيل ملف إكسل وجميع الكتب والموارد المفيدة الأخرى، يرجى النقر هنا 

 

 

كانت أبعاد الأفران الدوارة الأولى لصناعة الأسمنت تقريبًا: قطر يتراوح بين 1.8 و2.0 متر، وطول يتراوح بين 20 و25 مترًا تقريبًا، مع قدرات إنتاجية تبلغ حوالي 30-50 طنًا في 24 ساعة.

وكما يظهر في المقطع العرضي، استخدمت شركة «رانسوم» بالفعل ما يُعرف بـ«الطوب الرافع» لتحسين نقل الحرارة من غاز الفرن إلى المواد المُغذية للفرن. ولم يتم استخدام الطوب الرافع مرة أخرى في الأفران الدوارة إلا بعد عدة عقود.

أنواع الأفران الدوارة

فيما يلي الأنواع السائدة من أسطوانات الأفران الدوارة (انظر الشكل 19.2.):

الشكل 19.2. أ. الفرن الدوار المستقيم؛ ب. الفرن الدوار ذو منطقة الاحتراق الموسعة؛ ج. الفرن الدوار ذو منطقة التكليس الموسعة؛ د. الفرن الدوار ذو منطقتي التكليس والاحتراق الموسعتين؛ هـ. الفرن الدوار ذو مناطق التجفيف والتكليس والاحتراق الموسعة (فرن العملية الرطبة)؛ و. الفرن الدوار ذو منطقة تجفيف أو تسخين مسبقة موسعة (فرن العملية الجافة الطويلة أو فرن العملية الرطبة)

الهدف من توسيع المنطقة هو إطالة مدة بقاء المادة في منطقة معينة من الفرن؛ وفي الوقت نفسه، يُقصد من ذلك تقليل سرعة الغاز لتحسين نقل الحرارة من غاز الفرن إلى المادة. ومع ذلك، يؤدي هذا إلى اختلاف أوقات النقل، مما ينتج عنه مرور غير منتظم للمادة، وبالتالي يضعف تشغيل الفرن. في المناطق الانتقالية من المقاطع العرضية الكبيرة إلى الأصغر، يحدث تراكم للمواد، مما يتسبب في التآكل والغبار. وتكون تكلفة تصنيع القطع الانتقالية أعلى من تكلفة تصنيع المقاطع المستقيمة للفرن. كما أن تبطين المقاطع المدببة عملية معقدة وتستهلك عمالة كبيرة، وتتطلب طوبًا حراريًّا ذي شكل خاص. ومن أشكال هيكل الفرن التي تعتبر غير مواتية بشكل خاص تضييق طرف تفريغ الفرن؛ مما يؤدي إلى تبريد جزئي للكلنكر داخل الفرن وتآكل سريع للمواد المقاومة للحرارة في هذا المقطع.

تؤدي التجربة العملية، فضلاً عن المناقشات النظرية، إلى ملاحظة أن الأفران الدوارة التي لا تحتوي على تضييقات أو توسعات تمثل حالياً التصميم الأكثر فائدة للأفران. تُظهر أغلفة أفران التسخين المسبقة الحديثة بالفعل تجانسًا في جميع المقاطع العرضية. وقد دفعت التجارب غير المواتية مع الأفران الدوارة ذات المقاطع العرضية المختلفة صناعة الأسمنت في الاتحاد السوفيتي إلى بناء أفران دوارة ذات قطر ثابت حصريًّا.

درجة ملء الفرن

تشكل المواد المُغذية جزءًا من المقطع العرضي للفرن الدوار. وتُسمى نسبة مساحة هذا الجزء إلى مساحة المقطع العرضي للفرن، معبَّرًا عنها بالنُسب المئوية، بدرجة ملء الفرن أو النسبة المئوية للملء f (انظر الشكل 19.3).

تتراوح درجات ملء الفرن في حدود تتراوح بين 5 و17٪ تقريبًا. وبغض النظر عن قطر الفرن، فإن نسبة الملء للقيم المختلفة للزاوية المركزية a هي كما يلي:

يُظهر الشكل 19.4 تأثير درجة التعبئة على سعة الفرن الدوار. تمثل المنحنيات الثلاثة درجات ملء تبلغ 7 و10 و13٪، مع السعات المقابلة بالطن في الساعة للأفران الدوارة التي يتراوح قطرها بين 2 و3.5 م.

انحدار الفرن

لا توجد قاعدة عامة سارية المفعول بشأن الميل المناسب للأفران الدوارة. تتراوح زوايا ميل الأفران الدوارة بين 2 و6 0/o.

تتراوح معظم انحدارات الأفران بين 2 و4٪ بالنسبة للأفق. في الأصل، كانت الأفران الدوارة تتميز بانحدارات أعلى مع عدد دورات أقل يتراوح بين 0.5 و0.75 دورة في الدقيقة. تتطلب انحدارات الأفران الأقل عددًا أكبر من الدورات؛ وهذا له ميزة تحسين خلط المواد المُغذية للفرن، إلى جانب تبادل حراري أكثر كثافة. كما تسمح المنحدرات الأقل بدرجات أعلى من ملء الفرن أو حمولة الفرن. وتُظهر التجربة العملية الناتجة عن تشغيل الأفران أن منحدرات الأفران التالية تنتج أحمال الفرن المتوسطة المقابلة؛ انظر الجدول 19.1.

من ناحية أخرى، يُقال إن حمولة الفرن تعتمد على نسبة الطول (L) إلى القطر (D) للفرن. وتُظهر الأفران الدوارة التي تعمل بالطريقة الرطبة، والتي تبلغ نسبة LID فيها 40 أو أكثر، أحمالًا تصل إلى 17٪ [176]. وعلى أي حال، فإن ميل الفرن الدوار هو الذي يحدد حمولة الفرن في المقام الأول؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة نسبة LID تعد عاملاً يمكن أن يسهم في زيادة حمولة الفرن.

في التشغيل العملي للفرن، يجب ألا يتجاوز حمل الفرن 13٪، لأن الأحمال الأعلى للفرن تعيق انتقال الحرارة.

وقد وجد بومان [177] أن انحدارات الأفران الدوارة التالية صحيحة:

وكما هو الحال حتى الآن، أثبتت هذه التوصية صحتها، حيث تُظهر معظم الأفران الدوارة التي يزيد قطرها عن 3.4 م انحدارات تتراوح بين 3 و3.5٪ تقريبًا.

تُظهر الأفران الأمريكية الطويلة التي تعمل بالعمليات الجافة والرطبة، في معظم الحالات، انحدارات تتراوح بين 7/16 و11z بوصة لكل قدم طولي، وهو ما يعادل انحدارًا يبلغ حوالي 3.5٪. وهذا هو السبب في أن الأفران الدوارة الأمريكية تُشغَّل بسرعات دوران أعلى (من حوالي 80 إلى 110 دورة في الساعة).

حاول الاتحاد السوفيتي المضي خطوة إلى الأمام من خلال التشغيل التجريبي لفرن تسخين مسبق معلق أبعاده 3 × 35 مترًا بسرعة دوران تتراوح بين 19 و20 دورة في الدقيقة. عند هذا العدد من الدورات، تحولت مادة التغذية في الفرن إلى حالة شبيهة بالحالة المميعة. عند 20 دورة في الدقيقة، بلغت سرعة انتقال مادة التغذية في الفرن 260 م/ساعة. وبلغت مدة البقاء في منطقة الاحتراق 3 دقائق؛ وقد أفيد بأن هذه المدة كانت كافية لتكوين الكلنكر، نظرًا لاحتواء المزيج الخام على مواد معدنية. وبلغت إنتاجية الفرن 632 طنًا في 24 ساعة، وهو ما يعادل سعة محددة للفرن تبلغ 3.1 طن في 24 ساعة لكل متر مكعب من الحجم الفعال للفرن [178].