کوره

کوره صنعتی چیست؟ اکثریت قریب به اتفاق موادی که روزانه استفاده می کنیم، از جمله غذا و نوشیدنی مصرفی ما، در مرحله ای از فرآیند تولید مورد گرمایش قرار گرفته‌اند. فرآیند های احتراق به دو دسته فرآیند های با دمای بالا و پایین تقسیم می شوند. اگرچه هیچ خط جدایش دقیقی بین این دو وجود ندارد، با این حال می‌توان گفت، فرآیند هایی با دمای کمتر از 400 تا 500 درجه سانتیگراد اغلب فرآیند های دما پایین و فرآیند های با دمای بالای 500 تا 800 درجه سانتیگراد فرآیند های دما بالا در نظر گرفته می‌ شوند. فرآیند های دما بالا شامل تولید سیمان و آهک، ساخت آجر و سرامیک، عملیات حرارتی فلزات، شیشه‌‌ سازی و فرآیندهای دما پایین شامل فرآیندهای خشک کردن، فرآوری مواد غذایی و استریل‌سازی، پالایش روغن و غیره است.

اطمینان از راندمان بالای انرژی سوخت در فرآیند های دما بالا بسیار مشکل‌ تر از فرآیند های دما پایین است. برای فرآیندهای با دمای پایین، مانند تولید بخار، راندمان معمولاً بیش از 80% است. در حالی که برای فرآیند های با دمای بالا، راندمان به ندرت بالای 50% می‌شود. در آینده مهندسان طراح انواع کوره های صنعتی، ملزم خواهند بود که با افزایش بازدهی انواع کوره‌ های صنعتی علاوه بر کاهش هزینه‌ های تامین سوخت، انتشار گازهای گلخانه‌ ای را کاهش دهند.

کوره صنعتی چیست؟

در فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد، کوره (Furnace) به صورت «ساختاری محصور برای گرمایش شدید با آتش، به ویژه از فلزات یا آب» اطلاق می‌شود. در حالی که کیلن (Kiln) به عنوان «کوره ای برای سوزاندن، پختن یا خشک کردن برای کلسینه کردن آهک یا پخت سرامیک» توصیف می‌شود. در واقعیت تفاوت کمی بین این دو واژه وجود دارد و هر دو در محدوده دمایی مشابهی کار می کنند.

در پاسخ به سوال کوره چیست، می توان به زبان ساده گفت: «کوره ها سنگ بنای اساسی جامعه صنعتی هستند». هدف اصلی انواع کوره های صنعتی دستیابی به دمایی بالاتر نسبت به آن چه که می‌توان در هوای آزاد به دست آورد، است. اگرچه برخی از فرآیند ها را می‌توان در هوای آزاد انجام داد اما این امر موجب کاهش راندمان و بهره‌وری و همچنین افزایش مصرف سوخت خواهد شد. قابل ذکر است که کنترل فرآیند گرمایش در هوای آزاد بسیار دشوار تر خواهد بود.

اجزای یک کوره صنعتی چیست؟

مفهوم اساسی یک کوره به صورت شماتیک در شکل زیر آورده شده است. گرما طی واکنش سوخت با اکسیژن موجود در هوا یا به وسیله انرژی الکتریکی آزاد شده و قسمتی از آن به محصول وارد می‌شود. مابقی انرژی به همراه محصولات احتراق از دودکش خارج می‌شود.

اجزای اصلی در انواع کوره های صنعتی

دسته‌بندی انواع کوره های صنعتی

روش‌‌ های زیادی برای طبقه‌ بندی کوره‌ها وجود دارد به عنوان مثال کوره‌ ها بر اساس شکل، صنعت، محصول طبقه‌بندی می‌شوند. اما یک طبقه‌بندی بسیار ساده بر اساس مفاهیم انتقال حرارت شامل نوع منبع حرارتی (نوع سوخت) و نوع چاه حرارتی (بار کوره یا محصولات کوره) در شکل زیر نشان داده شده است. این سیستم طبقه‌ بندی در عین ساده بودن بسیار مفید است، زیرا ماهیت محصول، نوع سوخت و مکانیسم انتقال حرارت که همگی تأثیر به سزایی بر آرایش فیزیکی کوره دارند، را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است که بسیاری از کوره‌ها دارای انواع مختلف بار کوره هستند و از چندین سوخت به طور همزمان یا به صورت متناوب استفاده می‌کنند، که بر طراحی کوره نیز تأثیر می‌گذارند. در شکل زیر کوره‌ های صنعتی به صورت طبقه‌بندی شده ارائه شده اند.

طبقه‌بندی انواع کوره های صنعتی بر اساس نوع سوخت، چاه حرارتی (محصول یا بار کوره)

انواع کوره های صنعتی

کوره پخت سیمان

فرآیند پختن سیمان شامل چندین مرحله اصلی به این شرح است: در ابتدا سنگ آهک طی دو مرحله خرد شده و با خاک رس و شن مخلوط می شود. مواد حاصل به سمت برج پیش گرم هدایت شده و وارد کوره دوار می شوند. پس از پخت مواد حاصله به صورت کلینکر به سردکن وارد می شود. مراحل آماده سازی تا پخت سیمان در شکل زیر نشان داده شده است.

مراحل آماده سازی سیمان

کوره دوار سیمان به صورت یک استوانه بزرگ است که تحت زاویه یک تا چهار درجه نسبت به افق قرار گرفته است. این شیب جهت حرکت مواد به سمت پایین در نظر گرفته می شود.

کوره روتاری کیلن (Rotary Kiln)

همچنین این کوره با سرعت 30 تا 250 دور در ساعت در حال چرخش است. با چرخش کوره مواد از قسمت بالایی استوانه به سمت پایین ریزش پیدا کرده و این فرآیند به پخت یکنواخت آن ها کمک می کند. دمای کوره در حدود 1400 درجه سانتی گراد است.  

ریزش مواد در چرخش کوره های روتاری کیلن در فرآیند پخت سیمان

شعله مشعل کوره سیمان

کوره های دوار (Rotary Kiln) یکی از اجزای مهم در فرآیند حرارتی پیشرفته هستند که برای فرآیند مواد جامد در دما های بسیار بالا، به منظور ایجاد یک واکنش شیمیایی یا تغییر فیزیکی، استفاده می شوند. این تجهیزات به طور متداول برای استفاده در صنعت سیمان و نیز در کاربرد های زیر مورد استفاده قرار می گیرند:

• پخت مواد معدنی
• سوزاندن زباله
• تولید کربن فعال
• فرآیند تولید سرامیک

یک نمونه کوره روتاری کیلن برای پخت سیمان

کوره تولید شیشه

به کوره های تولید شیشه، مخزن یا تانک شیشه نیز گفته می شود، زیرا حاوی حمام مذاب شیشه هستند. دمای کوره های تولید شیشه در حدود 1400 تا 1600 درجه سانتی گراد است. امروزه جهت کاهش آلاینده ناکس در این نوع از کوره ها از مشعل های رکوپراتیو (Recuperative Burners) که در آن به منظور حذف اتم های نیتروژن از اکسیژن به جای هوا استفاده می شود، بهره گرفته می شود. این نوع از مشعل ها در صفحه مشعل به طور مفصل توضیح داده شده اند.

کوره تولید شیشه

به طور کلی مراحل تولید شیشه به صورت زیر است:

1. برای تولید شیشه شفاف مواد زیر به مقدار مناسب با یکدیگر مخلوط شده و به کوره که تا دمای 1500 درجه سانتی گراد گرم شده است وارد می شود:

ماسه سیلیسی (SiO2)، اکسید سدیم (Na2O)، اکسید کلسیم (CaO)، از سنگ آهک/دولومیت، دولومیت (MgO)، اکسید آلومینیوم(Al2O3)

ذوب مواد در فرآیند تولید شیشه

2. ذوب و تصفیه

به منظور افزودن رنگ به شیشه از اکسیدهای فلزی خاصی استفاده می شود.

3. حمام شناور

مواد مذاب از کوره ذوب شیشه به داخل حمام شناور جریان می یابد که از سطح آینه مانند ساخته شده از قلع مذاب، در دمای 1100 درجه سانتیگراد، تشکیل شده است. این مواد در دمای 1500 درجه سانتیگراد وارد حمام شده و در دمای 650 درجه سانتیگراد خارج می شود. شکل آن در خروجی شبیه به روبان جامد است.

4. پوشش برای شیشه های بازتابنده

شیشه های بازتابنده به خنک تر نگه داشتن محیط کمک می کنند. برای تولید این شیشه ها یک پوشش سخت یا نرم روی سطح روبان خنک شده در دمای بالا اعمال می شود.

5. آنیل کردن (Annealing)

برای حذف تنش های داخلی ایجاد شده در شیشه، فرآیندی به نام آنیل انجام می شود. این فرآیند به روبان شیشه ای اجازه می دهد تا از لایه ای عبور کند که هر گونه تنش روی سطح شیشه را از بین می برد و به تدریج آن را خنک می کند تا فرم سخت شده نهایی را به آن بدهد. به این ترتیب برش شیشه و شکل دادن به آن آسان تر می شود.

مراحل فرآیند تولید شیشه

6. بازرسی

با استفاده از فناوری های پیشرفته می توان در سراسر فرآیند تولید شیشه، حباب های هوا و تنش ها یا دانه های شنی را که از ذوب شدن خودداری می کنند، شناسایی کرد.

7. برش

 در نهایت از فولادهای الماسی برای تراش و برش نواری شیشه ای به شکل مربع استفاده می شود.  

مرحله نهایی در تولید شیشه

انواع کوره های صنعتی برای تولید شیشه

در کوره های تولید شیشه بخش عمده انتقال حرارت از طریق شعله و نیز تشعشع سوپر استراکچر های نسوز (Refractories Superstructure) که به کمک شعله تا دمای 1650 درجه سانتی گراد گرم شده است، تامین می شود. زمان نگهداری شیشه درون کوره برای شیشه مورد استفاده در ساخت ظروف تا 24 ساعت و برای شیشه های تخت تا 72 ساعت است. مرسوم ترین کوره های مورد استفاده در صنعت تولید شیشه ریجنراتیو، ریکوپراتیو، الکتریکی، اکسی فیول ها و کوره های سوخت ترکیبی هستند. در ادامه به بررسی انواع کوره های صنعتی مورد استفاده برای تولید شیشه پرداخته شده است.

• کوره های ریجنراتیو (Regenerative Furnaces)

در کوره های ریجنراتیو، دو اطاقک (Chamber) جهت جذب حرارت از گازهای حاصل از احتراق تعبیه شده است. گازهای حاصل از احتراق یکی از این اطاقک ها را گرم نموده و در اطاقک دیگر هوای احتراق توسط محصولات احتراق پیش گرم می شود. بازده این کوره ها در بهترین حالت 40 درصد برآورد شده است. به طور کلی این کوره ها به دو دسته پشت گذر (End Fired Regenerative Furnaces) و پهلو گذر (Cross Fired Regenerative Furnaces) دسته بندی می شوند.

کوره های ریجنراتیو پشت گذر: در این نوع کوره، اطاقک های ریجنراتیو یک دیوار مشترک دارند. در این نوع از کوره ها، شعله از یک سمت کوره وارد شده، 180 درجه چرخیده و خارج می شود، در نتیجه زمان کافی برای انتقال حرارت از شعله به بار کوره افزایش می یابد.

کوره های ریجنراتیو پشت گذر

کوره های ریجنراتیو پهلو گذر: شعله از یک سمت کوره به سمت دیگر حرکت کرده و محصولات احتراق از سمت مخالف خارج می شوند. راندمان کوره های پهلو گذر کمتر از راندمان کوره های پشت گذر است. به طور کلی شیشه های ریجنراتیو پشت گذر برای ظرفیت ها و ابعاد پایین تر مورد استفاده قرار گرفته و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر است. کوره های پهلو گذر فرسودگی کمتر و طول عمر بیشتری دارند.

کوره های ریجنراتیو پهلو گذر

• کوره های ریکوپراتیو (Recuperative Furnaces)

در این نوع از کوره ها، هوای احتراق توسط محصولات احتراق تا دمایی در حدود 750 درجه سانتی گراد پیش گرم می شود. پیش گرم کردن هوا به کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان کوره کمک خواهد کرد. این نوع از کوره ها در دو نوع کوره های ریکوپراتیو دو پوسته ای (Double Shell Recuperator) و همرفتی (Tube Cage Recuperator) تقسیم می شوند.

در کوره های ریکوپراتیو دو لوله ای، دو لوله فولادی هم مرکز تعبیه شده است که محصولات احتراق از داخل و هوای احتراق از ناحیه بیرونی به صورت هم جهت یا مخالف جهت عبور کرده و تا دمایی در حدود 450 تا 650 درجه سانتی گراد پیش گرم می شود. این نوع از کوره برای ظرفیت های پایین مورد استفاده قرار می گیرند. هوای احتراق در کوره های ریکوپراتیو همرفتی از درون تعداد زیادی لوله با قطر کم عبور داده می شود، که محیط خارجی لوله ها توسط محصولات احتراق احاطه شده است. دمای هوای پیش گرم در حدود 750 درجه سانتی گراد بوده و برای ظرفیت های بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

کوره های ریکوپراتیو

• کوره های اکسی فیول (Oxy-Fuel Furnace)

در این نوع از کوره ها اکسیژن خالص، به عنوان اکسید کننده، جایگزین هوا می شود. در نتیجه با حذف نیتروژن مصرف انرژی جهت گرمایش اکسید کننده در فرآیند احتراق کاهش یافته و از طرفی حجم گاز های داغ خروجی نیز کاهش خواهد یافت. راندمان این نوع از کوره ها نسبت به انواع قبلی بالا بوده و با حذف ریجنراتور فضای بیشتری برای تجهیزات بازیاب حرارت فراهم می شود.

کوره های اکسی فیول

• کوره های الکتریکی (Electric Furance)

در این نوع از کوره ها از جریان الکتریکی جهت تامین انرژی استفاده می شود. این نوع از کوره های صنعتی قادر به تولید شیشه های با کیفیت بالا بوده و آلایندگی زیست محیطی به همراه ندارد.

کوره های الکتریکی

• کوره های سوخت ترکیبی (Hybrid Furnaces)

تقویت الکتریکی در کوره هایی که از احتراق سوخت های فسیلی بهره می گیرند، موجب افزایش راندمان آن ها می شود. در این روش با قرار دادن الکترودهایی در زیر مخزن ذوب و عبور جریان از الکترود ها، انتقال حرارت به بار کوره افزایش می یابد. انرژی تولیدی حاصل از جریان الکتریکی در این حالت 2 تا 20 درصد انرژی ورودی است و به این ترتیب ظرفیت کوره در عین ثابت ماندن ابعاد آن افزایش خواهد یافت.

کوره های سوخت ترکیبی

کوره در صنعت فلزات

در صنعت آماده سازی فلزات از کوره های متنوعی استفاده می شود. مراحل آماده سازی فلزات شامل گدازش (استخراج فلز از سنگ معدنی)، تصفیه، عملیات نهایی و بازیافت است.  جالب است بدانید ساخت اولین کوره ذوب مس به 3500 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد. در ادامه به بررسی مرسوم ترین کوره های صنعتی مورد استفاده در صنعت فلزات می پردازیم.

کوره ذوب بوته ای (Crucible Furnace)

این نوع از کوره ها در فرآیند ذوب فلزات با نقطه ذوب پایین همانند فلزات غیر آهنی مورد استفاده قرار می گیرند. متناسب با نقطه ذوب فلز مورد استفاده به عنوان بار کوره، جنس بوته از فلز با نقطه ذوب بالاتر انتخاب می شود. جنس بوته ها از چدن، فولاد، شاموتی، گرافیت، سیلیکون کاربید، آهن خالص و … است. سوخت کوره بوته ای از سوخت های مایع، گاز و یا برق تامین می شود. این نوع از کوره ها ساختاری ساده و قدیمی دارند و از کیفیت مذاب تولیدی خوبی برخوردار هستند. اصولا برای ریخته گری در کارگاه های کوچک مورد استفاده قرار می گیرند و دارای تلفات حرارتی بالایی هستند.

کوره بوته ای

کوره های بوته ای از سه قسمت بدنه خارجی، بوته که محل قرار گیری فلزات مذاب است و جداره ای از مواد نسوز تشکیل می گردد. کوره بوته ای ثابت (بدنه و بوته ثابت)، کوره بوته ای ثابت با بوته گردان (بدنه ثابت و بوته گردان) و کوره بوته ای گردان (بدنه و بوته هر دو گردان) سه دسته این نوع از کوره ها هستند.

ساختار کوره بوته ای

کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace = EAF)

حدود یک چهارم فولاد جهان با روش قوس الکتریکی تولید می‌شود. از قوس الکتریکی با جریان بالا برای ذوب ضایعات فلزی و تبدیل آن به فولاد مایع با ترکیب شیمیایی و دمای مشخص استفاده می‌شود. گرمایش با قوس خارجی کنترل حرارتی بهتری را نسبت به فرآیند احتراق های معمول ( که در آن ها اکسیژن با بار کوره وارد فرآیند اکسیداسیون می شود) ارائه می دهد. این موضوع به نوبه خود امکان استفاده از افزودنی های آلیاژی بیشتری را فراهم می کند.

کوره قوس الکتریکی

کوره قوس الکتریکی یک حمام بزرگ متشکل از صفحات فولادی سنگین است و دارای یک پوشش نسوز و سه الکترود عمودی است که از طریق یک سقف گنبدی شکل قابلیت جا به جایی به سمت بالا و پایین جهت شارژ دارد. این استوانه بر روی یک بستر هیدرولیکی قرار گرفته است که برای ضربه زدن به جلو و برای حذف سرباره به سمت عقب کج می شود. بار کوره با دریافت حرارت ناشی از قوس ایجاد شده بین الکترودها (قوس مستقیم) و یا بین الکترود و بار کوره (قوس غیرمستقیم) ذوب می شود. اکثر دیواره های کوره از پنل های قابل تعویض و خنک شونده با آب ساخته شده است. سقف نیز از این پنل های خنک کننده بهره می برد و دارای سه دهانه دایره ای با فاصله مساوی برای قرارگیری الکترودهای استوانه ای است. یکی دیگر از از دهانه های تعبیه شده در سقف جهت حذف گازها در نظر گرفته شده است. دهانه های دیگری جهت نمونه برداری، آزمایش، بازرسی و تعمیر در نظر گرفته شده است.

الکترودهای گرافیکی که با استانداردهای بالا و به طور تخصصی تولید می شوند به کمک بازوهایی به دکل متحرک عمودی در کنار کوره پیچ شده اند. این دکل فاصله بین سر هر الکترود با ضایعات مذاب را کنترل می کند و در نتیجه طول قوس و جریان تنظیم می شود.

الکترودها در کوره قوس الکتریکی

کوره در صنعت سرامیک

کوره‌های تونلی (Tunnel Kiln)

از پیشرفته ترین کوره های مورد استفاده در صنعت سرامیک، کوره های تونلی (Tunnel Kiln) است.

کوره‌های تونلی (Tunnel Kiln)

در این نوع از کوره ها، بار کوره متحرک و شعله ثابت است.

نمای داخلی کوره‌های تونلی (Tunnel Kiln)

کوره های تونلی از سه مرحله پیش گرمایش، پخت و خنکسازی تشکیل می شوند. بار کوره که همان محصولاتی از قبیل سرامیک، چینی، سفال، آجر و … است از طریق واگن های مخصوص وارد کوره می شوند. هوای گرم ناشی از احتراق در بخش پخت، به سمت ورودی کوره حرکت می کند و موجب پیش گرمایش (تا دمای 350 درجه سانتی گراد) محصولات می گردد همچنین هوای خنک از خروجی تونل به سمت بخش پخت حرکت می کند و در مسیر با گرفتن گرما از محصولات به خنکسازی آن ها کمک  می کند. دمای پخت محصولات در حدود 800 تا 1100 درجه سانتی گراد است.

طرز کار کوره‌های تونلی (Tunnel Kiln)