فرن لافح

الفرن اللافح أو الفرن العالي أو فرن الصَهْر هو فرن لاختزال أو استخلاص الفلزات من خاماتها. يستخدم بصفة أساسية لإنتاج الحديد والصلب كما يستخدم لغيرها من الفلزات.
الفرن اللافح يسمى أيضا في مصر ب""الفرن العالى "" كما يسمي ايضا ""فرن السفع الهوائى"" لأنه يتميز بهيكل ضخم عال بخلاف الأفران الصناعية والميتالورجية الأخرى وهى تسمية شكلية. قد يصل ارتفاعه الفرن العالي نحو 30 متر . التسمية الأولى الموافق عليها أيضا من مجمع اللغة العربية بالقاهرة أدق وأفضل لأنها تسمية وظيفية حيث تختزل الخامات باستخدام تيار من غازات مختزلة (بكسر الزاي ) تلفح كتل الخام داخل الفرن. ورغم ذلك فإنه بالألمانية يسمى أيضا "الفرن العالي" .
الفرن العالي هو نوع من الأفران الميتالورجية تستعمل للصهر لإنتاج الفلزات، وعموماً الحديد. تسميته بالألمانية معناها "الفرن العالي" Hochofen.
في الفرن اللافح، يتم امداد الوقود في صورة الفحم الحجري وحديد خام بصفة مستمرة من أعلى الفرن. بينما يـُنفخ الهواء (أحياناً مدعوم بأكسجين اضافي) في قاع الفرن، لكي تحدث التفاعلات الكيميائية في جميع أنحاء الفرن بينما المواد تتحرك للأسفل. المنتجات النهائية هي عادة معدن مصهور وخبث تسحب من أسفل الفرن، وغازات العادم تخرج من أعلى الفرن.
الأفران اللافحة تتناقض في أسلوب التسخين مع الأفران الهوائية (مثل الأفران العاكسة)، التي تنقل الغازات الساخنة في أنبوب المدخنة بواسطة الحمل الحراري. وحسب هذا التعريف العريض bloomery للحديد، blowing house للقصدير وsmelt mill للرصاص يـُصنـَفوا على أنهم أفران لافحة. إلا أن، التعبير قد اقتصر مؤخراً على الأفران المستخدمة لصهر خام الحديد لإنتاج حديد غفل، وهي مادة وسيطة تستخدم في إنتاج الحديد والصلب التجاريين.
بعض الأفران المعاصرة المستخدمة لعمليات صهر الفلزات غير الحديدية تـُعرف كذلك بالأفران اللافحة، ويحدث ذلك بالتحديد في إنتاج الرصاص والنحاس. إلا أن هذه المقالة (فيما عدا آخر جزء) ستركز على الأفران المستخدمة في إنتاج الحديد الغفل.

مقدمة

يتكون مجمع الفرن الافح لإنتاج الحديد الغفل من عدة بنايات التي تساعد عل استمرار عملية الإنتاج. منها مخزن المواد الأولية من خام الحديد والمواد المضافة، ومخزن فحم الكوك لتشغيل الفرن ويوصلا بأنابيب لنقل تلك المواد إلي قمة الفرن . كما تخدم منشآت أخرى لجمع الغاز المتكون في قمة الفرن ، ومنشآت لضخ الهواء الساخن في المنطقة الوسطية للفرع وأخرى لإخراج والحديد الغفل الناتج وخبث الحديد عند قاع الفرن .
من الإضافات المستخدمة في انتاج الحديد اكسيد السيليكون (رمل الكوارز) والجير (أكسيد الكالسيوم) وغيرها فهي تعمل على فصل المواد الغير مرغوب فيها في الحديد وتكوين خبث منها ، وهي تخفض في نفس الوقت من درجة انصهار الحديد.
يوزع فحم الكوك على طبقات وهو يمد الفرن بالحرارة وهو في نفس الوقت عامل اختزال (أي نزع الأكسجين من الحديد الخام) . كما تقوم عدة نفاثات بمد الفرن بالهواء الساخن اللازم لإحتراق فحم الكوك وبالتالي الأكسجين .
الحديد الغفل الناتج من الفرن العالي يمر بعملية "تنظيف" لانتزاع جزء من الكربون ومعظم الفسفور والكبريت من الحديد الناتج . بعد ذلك فإما يصبح الناتج حديد زهر أو يعامل ويحول إلى عدة أنواع من الحديد الصلب (الفولاذ). كما أن خبث الحديد والغازات الناتجة من الفرن العالي تعتبر ذات قيمة ، حيث تستخدم بعد معالجتها لانتاج مواد بناء وغاز لإنتاج الطاقة .
تطورت تقنية الفرن العالي عبر نحو 5000 سنة ، حيث بدأ الإنسان القديم باستخدام الفحم النباتي في كور ، ثم ضح الهواء فيها منذ نحو 3000 سنة واستخدام مجمرات الفرن حتى مطلع القرن 18 حيث بدأ استخدام فحم الكوك ، ثم ضخ الهواء الساخن أبتداء من 1828 .
ينتج الفرن الافح الحديد الغفل الذي يحتوي عادة على نسبة كربون أعلى من 1و2 % ، مما يجعله هشا (حديد زهر). وللحصول على الحديد الصلب والانواع الأخرى من الحديد المظاوع ، فتجرى إحدى الطرق التالية لخفض نسبة الكربون في الحديد والتي تسبب هشاشته ، وكذلك لإضافة مواد أخرى تعطي الناتج مواصفات مطلوبة : فرن أكسجين قاعدي ، طريقة بسمر ، فرن القوس الكهربي.

تاريخ

تواجدت الأفران العالية في الصين منذ القرن الخامس قبل الميلاد، وفي الغرب منذ أواخر العصور الوسطى. فقد انتشروا من المنطقة المحيطة بنامور في بلجيكا في أواخر القرن الخامس عشر. ودخلت انجلترة في 1491. الوقود المستخدم في تلك الأفران كان على الدوام الفحم. الاستبدال الناجح للفحم بفحم الكوك يـُنسـَب إلى ابراهام داربي في 1709. فعالية العملية تحسنت أكثر باتباع التسخين المسبق للفرن، والذي صدرت به براءة اختراع لصالح جيمس بومونت نيلسون في 1828.
ويجب تمييز الفرن العالي من فرن bloomery في كون الغرض من الفرن العالي هو إنتاج
معدن مصهور يمكن صبه من الفرن، بينما الغرض من bloomery هو تجنب الانصهار لكي لا يذوب الكربون في الحديد. Bloomeries كان يتم النفخ فيهم اصطناعياً باستخدام منافيخ، إلا أن تعبير 'فرن لافح' عادة ما يخص الأفران التي يـُستخلص فيها الحديد (أو معادن أخرى) من خامه.

تصميم الفرن العالي

يشابه الفرن اللافح شكل المدخنة الكبيرة حيث يستغل الحمل الحراري الطبيعي في المرور فيما بين المواد الخام التي يزود بها من أعلى . ويعتمد ارتفاع قلب الفرن على قدرته الإنتاجية وقد يصل ارتفاعه إلى نحو 30 متر. ويكون الجزء العلوي منه شكل القمع وهو يمثل 3/5 الفرن . .
مثبت فيه حلقة قصيرة عند أقصى اتساع للفرن ، وهو يسمى وعاء الفحم . تحت الحلقة المحتوية على الفحم يوجد قمع آخر يسمى "راست" وهو موصول بالحلقة (وعاء الفحم) من أعلى وبالحامل (القاعدة) من اسفل . تلك الثلاثة أجزاء: وعاء الفحم والراست والقاعدة يشكلان نحو 1/5 ارتفاع الفرن . فإذا كان ارتفاع الفرن بالكامل 30 متر فإن وعاء الفحم والراست يكون ارتفاعهما نحو 6 متر والقاعدة أو "الحامل" نحو 6 متر. وبالباقي العلوي للفرن نحو 18 متر .
تتكون بنية الفرن العالي عادة من الحديد وتحوطها منصات وأعمدة جديدية تستخدم للتشغيل والتركيبات وهي تحمل أجهزة مساعدة ولتصويل المواد إلى أعلى وأجزة لجمع الغازات المتكونة على القمة ، وعلاوة على ذلك فهي تحمل الفرن من الخارج . ويمكن تقسيم تلك الحوامل حول الفرن إلى نوعين:
في الأفران العالية القديمة والأفران الأمريكية فهي تحتوي على حلقة حاملة عن مستوي حلقة الفحم وتكون متكئة على أعمدة . بحيث تقوم بحمل الجزء العلوي من الفرن وقمة الفرن . ولكن بسبب الأعمدة السفلية المحيطة تجعل مكان مخرج الحديد المنصهر (بزل الحديد) ضيقا . ولهذا فيتبع في الأفران الحديثة النوع الثاني.
طور هذا النوع الثاني في ألمانيا وهو نوع يسمى "الفرن الواقف مستقلا" . وفيه يتكون الفرن العالي من الحديد المقوى المحصن تجعله يحمل نفسه ، وتحيطه المنصات اللازمة لحمل الأجهزة المساعدة ومتصلة به مباشرة . ومن ضمنها أنبوب كومبنساتور متصل بقمة الفرن .
يبلغ الارتفاع الكلي لتلك المنشأة نحو 90 متر ، ويبلغ قطر حامل القاعدة نحو 15 متر وتبلغ سعته نحو 4.800 متر مكعب .. أكبر الأفران العالية تبلغ سعتها 6000 متر مكعب ويوجد في مصنع حديد وصلب "جوانجيانج" التابع لشركة "بوسكو" POSCO بكوبيا الجنوبية .
توجد في الجزء " السفلي للراست " فتحة البزل وهي تسد بسدادة من السيراميك ، ومنها يمكن إخراج الحديد المنصهر (حديد غفل) وكذلك اخراج حبث الحديد. كما توجد فتجة في قاع الفرن لتفريغ "الغبار" عقبل بدء عملية شحن جديدة للفرن .
وتوجد نفاثات أنابيب الهواء الساخن بين "الراست" والحامل (القاعدة) وتمتد إليها الأنابيب الآتية من مسخنات الهواء لضخ الهواء الساخن في الفرن.

غاز الفرن العالي

يخرج عاز الفرن اللافح عند قمة الفرن عند درجة حرارة بين 150 و200 درجة مئوية ، وهو يحتوي على 
22–24 % ثاني أكسيد الكربون (CO₂),و 18–21 % أول أكسيد الكربون (CO),و 52–59 % نيتروجين (N₂), 1–3 % هيدروجين (H₂) وبخار ماء وقليل من الميثان 
وهو يستخدم كمصدر للطاقة لتسخين أبراج الهواء وكغاز لتسخين ورشة الدرفلة والغلايات وغرفة الكوك ، وعلاوة على ذلك في شبكة تدفئة المدينة وكمادة دافعة في المحركات الغازية.
ينتج الفرن العالي من 1500 إلى 2000 متر مكعب من الغاز يتراوح محتواها الحراري بين 3150 إلى 3570 كيلو جول/متر المكعب . 
وعن طريق خلطه بالغاز الطبيعي فيمكن رفع سعته الحرارية إلى 4500 كيلوجول/متر المكعب .
كما ينتج من انتاج كل طن حديد نفل نحو 25 كيلوجرام من غبار الفرن العالي مما يمثل نحو 20-30 جرام/ متر مكعب من غاز الفرن العالي.