شرح محولات الأفران القوسية: كيفية تحديد المواصفات الخاصة بها لأغراض صهر الفولاذ باستخدام الأفران القوسية الكهربائية (EAF) والصهر القوسي المباشر (DC Arc)

أرسل فريق هندسة مصهر في جنوب شرق آسيا إلينا لوحة اسمية لمحول فرن الانصهار في ربيع العام الماضي: سعة ٦٠ ميغا فولت أمبير، وفولتية أولية تبلغ ٣٣ كيلوفولت، وفولتية ثانوية تبلغ ٦٥٠ فولت، ومقاومة داخلية نسبتها ٨٪، وجدول تبديل التوصيلات يحتوي على ٢٣ موضعًا. وكان سؤالهم مباشرًا: هل يمكننا تصنيع نفس الجهاز لمصهر انصهار ثانٍ؟ وتبين أن اللوحة الاسمية كانت أقل الصفحات فائدةً في المجموعة بأكملها. أما ما يميّز محول فرن القوس عن أي جهاز آخر موجود في كتالوجات التوزيع فهو أمرٌ لا يُذكر أصلًا على اللوحة. بل هو الواجب التشغيلي الذي يقع تحتها.

إن صناعة الفولاذ تتجه نحو الطريق الكهربائي، ويظهر هذا التسارع في الأرقام. ففي منشور «وورلدستيل» المعنون الفولاذ العالمي بالأرقام ٢٠٢٥ يُقدَّر إنتاج أفران القوس الكهربائي بنسبة ٢٩,١٪ من إجمالي إنتاج الفولاذ الخام عالميًّا في عام ٢٠٢٤ . أما التوزيع الإقليمي فهو ما يهم المشترين حقًّا: ففي الشرق الأوسط، يشكّل الطريق الكهربائي بالفعل 95.4%من الفولاذ الخام، وتبلغ نسبته ١٠٠٪ في مصر والمملكة العربية السعودية، و٧١,٨٪ في الولايات المتحدة الأمريكية. وكل طنٍّ من هذه الكميات يُنصهر بواسطة محول فرن القوس الكهربائي قبل أن يتحول إلى معدن. والـ صفحة وكالة الطاقة الدولية المخصصة لقطاع الحديد والصلب يرصد نفس التحوُّل من الجانب الطاقي.

 

لماذا لا يُعَدُّ محول فرن القوس الكهربائي محولاً توزيعياً كبيراً؟

يُصمَّم محول التوزيع ليحمِل الحمل ويصمد أمام العطل. أما محول الفرن فيُصمَّم ليَعمل داخل عطلٍ مُتحكَّمٍ فيه. فالقوس الكهربائي هو قصرٌ كهربائي مُتحكَّمٌ: فهو ينطفئ ويُعاد إشعاله عشرات المرات في كل دورة صهر، كما أن عمود الخردة ينهار فيُحدث قصراً بين الأقطاب الكهربائية، وتسحب عملية الحفر العميق تياراً تراه وحدة التوزيع عادةً فقط أثناء حدوث عطل. وفي ورشة الصهر، لا يُعَدُّ هذا الحدث استثناءً؛ بل هو الوضع التشغيلي الطبيعي، ويحدث آلاف المرات في كل حمل تشغيلي.

كما يختلف الملف الحراري اختلافاً جذرياً. إذ تستغرق دورة الصهر من ٣٥ إلى ٦٠ دقيقة، وتتقلَّب القدرة بين نحو ٢٠٪ والحد الأقصى للطاقة خلال ثوانٍ معدودة، وبالتالي تتبع درجة حرارة النقطة الساخنة في اللفائف هذه التقلبات. ويعالج المعيار الدولي آي إي سي ٦٠٠٧٦-٧، وهو الدليل الإرشادي الخاص بتحميل المحولات الزيتية، هذه المهمة التشغيلية باعتبارها حالة تحميل مستقلة، وليس مجرد تنوُّع عن الخدمة العادية.

المعلَّمة	التوزيع / المحول الكهربائي القياسي	محول فرن القوس
جهد ثانوي	جهد تصميم ثابت، مع تفرعات ±2 × 2.5%	نطاق واسع من الجهد، يتراوح تقريباً بين ٣٠٠–١١٠٠ فولت عبر ١٥–٢٥ موضعًا
التيار الثانوي	عادةً أقل من ٣ كيلوأمبير	٢٠–١٠٠ كيلوأمبير عند الحافلة
قصور دائري ثانوي	حدث تصميمي، تم إثباته مرة واحدة فقط	تشغيل عادي، يحدث آلاف المرات في كل حملة
النسبة المئوية للمقاومة الداخلية	4–6%	٦–١٢٪، تُحدَّد وفقًا لحدود تيار الخطأ واستقرار القوس الكهربائي
جهاز تغيير الطور	خارج الدائرة، أو مُنظِّم جهد ذو حمل منخفض (OLTC)	مُنظِّم جهد عالي الأداء (OLTC)، يُستخدم عشرات الآلاف من المرات
التبريد	ONAN أو ONAF	OFAF أو OFWF، غالبًا مع مضخات زيت احتياطية

 

 

الأرقام التي تُقرِّر المواصفات فعليًّا

خمس قيم تقوم بالعمل الحقيقي: القدرة الظاهرية (MVA) والجهد الابتدائي، نطاق الجهد الثانوي، التيار الثانوي، المقاومة التحتية (أو المفاعلة الكلية للدائرة)، وارتفاع درجة الحرارة مع فئة التبريد المُرتبطة بها.

جدول التبديل (tap table) يوفِّره مورِّد الفرن وليس مورِّد المحول، وهو يرمِّز منحنى الصهر. وتتم عملية الحفر الداخلي (bore-in) عند جهد منخفض والتيار مرتفع لأن الأقطاب الكهربائية تكون مدفونة في الخردة، ويكون القوس الكهربائي فعليًّا قصيرًا. ومع استقرار القوس، يرفع المشغِّل تدريجيًّا إلى قوس أطول وأعلى جهدًا، ما يحسِّن الكفاءة الحرارية. وقد يبدو اختلاف ٥ فولت على جهد ثانوي قدره ٦٠٠ فولت أمرًا تافهًا — أي أقل من ١٪ من الجهد — لكنه يعادل عدة مئات من الأمبيرات من التيار الثانوي عند لوحة التوزيع، ويجب أن يقدِّم المحول كل نقطة على هذا المنحنى عند القدرة الظاهرية المحددة (MVA).

تختلف قيم المعاوقة في العروض السعرية أكثر من أي عنصر آخر. وعادةً ما تُحدَّد وحدة الفرن بنسبة معاوقة تتراوح بين ٦٪ و١٢٪، وهي نسبة أعلى من تلك الخاصة بمحولات التوزيع، لأن الأعطال الثانوية تحدث بشكل متكرر، ويكون اللفاف أول عنصرٍ يُلزم بتقييدها. ومع ذلك، فإن النسبة المئوية للمعاوقة لا تمثِّل سوى حصة المحول من الدائرة الكلية. أما مصمِّم الفرن فيتعامل مع المقاومة التحريضية الكلية للدائرة — أي مجموع مقاومة المحول وقضيب التوصيل (البسبار)، والكابل المرن، وذراع القطب الكهربائي، والقطب نفسه — لأن هذه القيمة الكلية تُقرِّر استقرار القوس الكهربائي ومعامل القدرة الخاص بالفرن. فإذا غيَّرت طول قضيب التوصيل بعد طلب المحول، فحينها تكون قد غيَّرت نقطة تشغيل الفرن.

 

المهمة المتعلقة بالتيار القصيري هي العامل الحقيقي الذي يُوجِّه عملية التصميم.

هذه هي الحسابات التي تُقرِّر مدى ثقل الجهاز المطلوب. فعند معاوقة نسبتها ٨٪، يؤدي حدوث قصرٍ مباشر على الطرف الثانوي إلى سحب تيارٍ ثانوي يساوي تقريبًا ١٢٫٥ ضعف التيار الثانوي المُصنَّف وعلى وحدةٍ قدرتها ٤٠ كيلوأمبير، يكون هذا التيار عند قضيب التوصيل ٥٠٠ كيلوأمبير. وبما أن القوى الكهرومغناطيسية تتناسب مع مربع التيار، فإن نفس العطل يولِّد قوىً كهرومغناطيسية تبلغ تقريبًا ١٥٠ ضعف الحمل الميكانيكي الاسمي إلى اللفّة ومسافاتها الفاصلة وأطرافها الموصلة.

عادةً ما يُختبر محول التوزيع لإثبات قدرته على تحمل حدوث قصر كهربائي مرة واحدة. أما محول الأفران فيجب أن يتحمّل ذلك كجزء روتيني من واجباته التشغيلية، لذا تصبح التصميمات الميكانيكية هي المحور الأساسي للمشروع: تطبيق ضغط تثبيت متجانس عبر حزمة اللفّات، واستخدام مسافات فاصلة مشدودة مسبقًا، ونحاس مُصلّب بالتشويه، وأطراف توصيل للمنزلقات مدعّمة بشكل جيد، وإطار لبّي لا يزيح تحت تأثير القوة المحورية الناتجة عن عطل غير متناظر. ويحدّد المعيار الدولي آي إي سي ٦٠٠٧٦-٥ متطلبات تحمل القصر الكهربائي، بينما يعرّف معيار الآي إي إي إي سي ٥٧.١٢.٩٠ إجراء الاختبار. وعندما يعجز المورّد عن إظهار كلٍّ من أساس التصميم وسجل الاختبار، فإن قيمة المعاوقة وحدها لا تُعطيك فكرةً واضحةً عن المدة التي سيبقى فيها الجهاز صالحًا للعمل.

في مراجعات التصميم الخاصة بنا، فإن الوثيقة التي تؤدي عادةً إلى إعادة العمل ليست رسم مقاومة التيار الكهربائي، بل هي رسم التوصيل الثانوي — حيث يمر تيارٌ شدته ٤٠ كيلوأمبير أو أكثر عبر موصل شريطي طبقي أو كابل مبرَّد بالماء، والمسافات بين نقاط الدعم المُقرَّرة في هذا الرسم هي ما يمنع حدوث قوى مؤثرة على أطراف اللفات أثناء وقوع صاعقة.

 

مهمة التبريد ومهمة جهاز تغيير التوصيلات في ورشة الصهر

يتم تحديد متطلبات التبريد استنادًا إلى أسوأ ساعةٍ من التشغيل، وليس المتوسط. وتُعد طريقة التبريد بالزيت المُجبر مع مضخات زيت احتياطية ومؤشرات لتدفق الزيت ممارسةً اعتياديةً في وحدات الأفران، بينما تنتقل التصنيفات الأكبر إلى طريقة التبريد بالزيت المُجبر مع الماء. ويتأخر ارتفاع درجة حرارة الزيت في الجزء العلوي عن قوس التفريغ بعدة دقائق، ولذلك تضيف مواصفات الأفران عادةً مجسات ألياف بصرية لاكتشاف أشد النقاط سخونةً داخل اللفات.

يوجد مُغيِّر التوصيلات في عالمٍ مختلفٍ تمامًا عن الممارسات المستخدمة في شركات توزيع الكهرباء. فقد يقوم المشغِّل بتحريك مُغيِّر التوصيلات من خمس إلى خمس عشرة مرة خلال دورة واحدة من عمليات الصهر، وتُدار ورشة الصهر بنظام ورديتين يوميًّا ما يُنتج من ثمانٍ إلى اثنتي عشرة دورة صهر يوميًّا — وبذلك تصل عدد العمليات السنوية إلى ما بين ١٠٠٠٠ و٣٠٠٠٠ عملية، وهي أرقامٌ اعتيادية. ولذلك، تُصمَّم وحدات الأفران باستخدام مُغيِّرات توصيلات عالية القدرة، وغالبًا ما تكون من النوع الفراغي، ويُبنى جدول الصيانة على أساس عدّاد العمليات لا على أساس التقويم. أما المعيار الذي تُصنع وتُختبر وفقه هذه المعدات فهو الآي إي سي ٦٠٢١٤-١.

إن آليات التآكل التي تؤثر في مُغيِّر التوصيلات هي نفسها التي وضَّحناها في دليلنا الخاص بمُغيِّرات التوصيلات أثناء التحميل ومُغيِّرات التوصيلات خارج الدائرة ، مع فارقٍ واحدٍ هو أن عقارب الساعة في ورشة الصهر تدور بسرعة تبلغ نحو عشرة أضعاف السرعة العادية، وبالتالي فإن أي مُغيِّر توصيلات فراغي لا يخضع للفحص الدوري يُعتبر عطلًا مجدولًا ينتظر فقط تحديد موعد حدوثه.

 

 

التوافقيات والوميض وما لا يستطيع المحول إصلاحه

القوس الكهربائي هو حملٌ غير خطيٍّ يتغيَّر باستمرار. وهو يُدخل ترددات توافقيَّة من الرتبة الثانية والثالثة والخامسة والسابعة، بالإضافة إلى ترددات توافقيَّة بينيَّة، ويُعدِّل جهد الحافلة عند ترددات يدركها العين على أنها وميض. ويساعد تصميم المحول في الحدود الدنيا — فلفة الدلتا تحبس التوافقيات الثلاثيَّة، بينما يضمن هامش كثافة التدفق المغناطيسي إبقاء الخسائر الإضافيَّة والضجيج تحت السيطرة — لكن لا مواصفةً لأي محول تزيل الوميض تمامًا. وهذه المهمة تقع على عاتق جهاز تحكُّم في الطاقة (SVC) أو جهاز تحكُّم في الطاقة الثابت المتعدد (STATCOM) الموصول بالحافلة الخاصة بالفرن، وعلى دراسة جودة الطاقة التي تُجرى قبل طلب المحول وليس بعد تشغيله.

تُحوِّل أفران القوس الكهربائي المستمر (DC) المشكلة بدلًا من إزالتها. ويُغذَّى القوس عبر مُصحِّح ثايرستور. محول غاطس في الزيت ويُبنى المحول على شكل محول مُصحِّح، لذا يصبح الطيف التوافقي نمطًا مميَّزًا ذا ٦ نبضات أو ١٢ نبضة، وهو النمط الذي صُمِّمت الفلاتر لمعالجته. وبذلك تُحدَّد مواصفات المحول استنادًا إلى طيف تيار توافقي مُعرَّف مسبقًا، بدلًا من أن تُحدَّد استنادًا إلى حدود الوميض.

 

ما الذي نتحقق منه قبل خروج محول الأفران من المصنع

تُصنّع شركة ريان إلكترك المحولات منذ عام ٢٠٠٧ في مصنعٍ تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ متر مربع، ومزودٍ بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار و٣٧ براءة اختراع، كما أننا شريك مشروع مشترك مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣. وتم تصميم وحدات فئة الأفران محول غاطس في الزيت بتصاميم مبنية وفق جدول التوصيلات الخاص بالعميل بدلًا من التصنيف القياسي المذكور في الكتالوج، ولذلك يطلب مهندسونا مجموعة الوثائق الخاصة بمورِّد الفرن قبل إصدار العرض السعري.

تَمتد تسلسل الاختبارات إلى ما وراء القائمة الروتينية: قياس نسبة التحويل عند كل موضع للتبديل، ومقاومة اللفّة لكل طور، ومقاومة العزل ومؤشر الاستقطاب، واختبار تحمل الجهد المُطبَّق والجهد المُستحث، وقياس التفريغ الجزئي، وقياس الممانعة عند كل موضع للتبديل وليس فقط عند القيمة الاسمية، واختبار الزيت لجهد الانهيار والرطوبة والغازات المذابة. وعندما يشترط المواصفة ذلك، يُثبت ارتفاع درجة الحرارة عند موضع التبديل الحاكم مع تسجيل درجات حرارة القلب واللفّة، وليس فقط ارتفاع درجة حرارة الزيت العلوي. أما بالنسبة للمشاريع المُوجَّهة إلى الولايات المتحدة وكندا، فتتم شهادة UL وCSA عبر مفتشٍ طرف ثالث بدلًا من قسم الجودة الخاص بنا، وتكون أعمال المختبر خاضعة لاعتماد CNAS.

أكثر المشكلة شيوعًا التي نراها في استفسارات الأفران ليست مسألة التصنيف على الإطلاق. بل هي جدول التبديل الذي لا يتوافق مع نظام تحكم الأقطاب الكهربائية، ويظل هذا الخلل غير مرئي حتى مرحلة التشغيل الحراري — حين يقف الفرن دون تشغيل بينما يكون الجدول الزمني بالفعل مشدودًا جدًّا.

 

تحديد مواصفات محول فرن القوس: قائمة التحقق من طلب العروض الفنية

أدرج هذه البنود في الاستفسار لتصبح المقارنة الفنية عادلة:

• الجهد الابتدائي، وتكرار النظام (٥٠ أو ٦٠ هرتز)، والقدرة بالميجافولت أمبير عند كل وضعية تبديل

• جدول التبديل الخاص بمورِّد الفرن: الجهد والتيار عند كل وضعية

• قطر القطب الكهربائي، ومدى جهد القوس، وتصميم الدائرة الثانوية

• قيمة المعاوقة المستهدفة، أو المقاومة التحريضية الكلية التي يعمل المصمم وفقها لدائرة الفرن

• أقصى تيار عطل متوقع عند قاطع الدائرة الخاص بالفرن

• درجة حرارة الجو وارتفاع الموقع عن سطح البحر في ورشة الصهر — إذ تتراوح عادةً بين ٤٥ و٥٠ درجة مئوية في دول الخليج وبعض أجزاء جنوب شرق آسيا

• فئة التبريد (ONAN أو OFAF أو OFWF)، وما إذا كانت المضخات الاحتياطية للزيت مطلوبة أم لا

• نوع جهاز التحكم في الجهد وعدد العمليات المتوقعة سنويًّا

• التقييم الدوري: التيار الجذري المُربّع (RMS) لكل دورة تسخين وعدد دورات التسخين يوميًّا

• الاختبارات المطلوبة — اختبار التشغيل الحراري، واختبار التفريغ الجزئي، واختبار الأدلة على حدوث قصر كهربائي، واختبار تسلسل تشغيل أجهزة التحكم في الجهد

• الرسومات التوضيحية للواجهة: عوازل الجهد العالي أو صندوق الكابلات، وتوجيه صندوق الحافلات المنخفضة الجهد، وموقع صندوق التجميع، واتجاه دخول الكابلات

• أساس الامتثال: سلسلة المواصفات IEC 60076 أو معايير IEEE C57، بالإضافة إلى أي شهادة إضافية يشترطها السوق المستهدف

ملاحظة طلب شراء واحدة تحمل وزنًا أكبر من غيرها. فمحوّل الفرن وحدة هندسية مُصمَّمة خصيصًا، وبالتالي يقع على المسار النقدي الحرج بجانب غلاف الفرن ونظام التحكم في الأقطاب الكهربائية. وتثبيت جدول نقاط التحكم في الجهد مبكرًا لا يكلِّف شيئًا؛ أما التعجيل في تصنيع لفائف المحول بعد تحديد تاريخ تشغيل ورشة الصهر فهو ما يؤدي إلى فترات التوريد الطويلة للمحولات إلى تأخيرات في مرحلة التشغيل والتسليم، كما أن تحديد نطاق أنظمة الحماية يكون أقل تكلفة عند الاتفاق عليه وفقًا لـ مواصفات الحماية بدلاً من الاتفاق عليه بعد الانتهاء من تصنيع صندوق التجميع.

أرسل إلينا جدول نقاط التوصيل الخاص بمورد الأفران، وقطر الإلكترود والظروف المحيطة، وسيقدّم مهندسونا توصيةً تتضمّن: المقاومة الكهربائية، ومدى نقاط التوصيل، وفئة التبريد، وقيمة الفقد عند طرفي المدى، بالإضافة إلى مواضع نقاط التوصيل التي تضمن ارتفاع درجة الحرارة والمقاومة الكهربائية. محول فرن القوس تستغرق هذه المحادثة أسبوعًا كحدٍ أقصى، وهي أرخصُ بكثيرٍ من ترك الفرن دون تشغيل.

عن المؤلف: كتب هذه المقالة فريق الهندسة في شركة ريان إلكترك (شركة جيانغسو ريان إلكترك المحدودة)، وهي شركة مصنِّعة للمحولات تأسست عام ٢٠٠٧، وشريكٌ استراتيجيٌّ لشركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣. ويقدّم مهندسونا الدعم لمشاريع تتوافق مع معايير الـUL والـCSA والـIEEE في أمريكا الشمالية وجنوب شرق آسيا والشرق الأوسط وأفريقيا، كما يعمل مختبر الاختبارات لدينا وفق اعتماد الـCNAS. وللاستفسار عن اختيار محول الفرن أو مراجعة جدول نقاط التوصيل أو الحصول على عرض سعر، يُرجى التواصل مع مكتب الهندسة لدينا.