کوره کوپولا چیست؟
کوره کوپولا، که گاهی فقط «کوپولا» نامیده میشود، دستگاهی ذوب در ریختهگری است که برای ذوب چدن، چدن نایرزیست، یعنی چدن نیکلدار مقاوم به خوردگی، و برخی آلیاژهای برنز به کار میرود. شکل کلی آن استوانهای و عمودی است و معمولاً روی چهار پایه قرار میگیرد؛ از همین رو ظاهری شبیه دودکش بزرگ دارد. اندازه این کورهها بر پایه قطر بدنه بیان میشود و بسته به نیاز کارخانه، از نمونههای کوچک تا واحدهای صنعتی بزرگ ساخته میشود.
کف استوانه درهایی دارد که به سمت پایین و بیرون باز میشوند و امکان تخلیه کف ریزشی را فراهم میکنند. بخش بالایی، محل خروج گازها، ممکن است باز باشد یا با درپوشی برای جلوگیری از ورود باران پوشانده شود. در واحدهایی که کنترل آلایندگی مهم است، درپوش به سامانهای وصل میشود که گازها را میمکد، آنها را سرد میکند و ذرات معلق را جدا میسازد.
پوسته کوپولا معمولاً فولادی است و داخل آن با آجر نسوز و خمیرهای نسوز ترمیمی پوشیده میشود. کف نیز به همین شکل آسترکشی میشود، اما چون این پوشش موقت است، گاهی از مخلوطی از خاک رس و ماسه به نام «باد» استفاده میشود. افزودن زغال سنگ پودری به این پوشش باعث میشود در حرارت بالا، پوشش کمی تردتر شود و باز کردن سوراخهای تخلیه آسانتر گردد. آستر کف با فشار یا کوبیدن روی درهای کف مستقر میشود. برخی کوپولاها نیز به غلافهای خنککننده برای حفظ دمای دیوارهها و به سیستم تزریق اکسیژن برای داغتر کردن آتش کک مجهزند.
تاریخچه کوره کوپولا
نخستین نمونههای کوره کوپولا در چین و از دوره دولتهای جنگطلب، یعنی ۴۰۳ تا ۲۲۱ پیش از میلاد، ساخته شدند. دونالد واگنر مینویسد که احتمال دارد بخشی از سنگ آهن ذوبشده در کوره بلند، مستقیم در قالبها ریخته شده باشد. در دوره دودمان هان، از ۲۰۲ پیش از میلاد تا ۲۲۰ پس از میلاد، بیشتر آهن تولیدشده در کوره بلند دوباره در کوپولا ذوب میشد.
طراحی اولیه به گونهای بود که هوای سرد از پایین وارد میشد و از میان لولههای نازل دمشی در بالا عبور میکرد؛ جایی که بار کوره، یعنی زغال چوب و قراضه یا چدن خام، داخل کوره ریخته میشد. هوا در مسیر گرم میشد و پیش از رسیدن به پایین کوره، آهن را ذوب میکرد. آهن مذاب سپس به قالبهای مناسب هدایت میشد. شکل نوین کوره کوپولا را رنه آنتوان فرشول دو رئومور، دانشمند و حشرهشناس فرانسوی، حدود سال ۱۷۲۰ ساخت.
نحوه عملکرد کوره کوپولا
هر دوره تولید در کوپولا «کمپین کوره» نام دارد. برای شروع، کوره با لایههایی از کک پر میشود و با مشعل روشن میشود. در کوپولاهای کوچکتر، گاهی از چوب برای آغاز سوختن کک استفاده میکنند. پس از شعلهور شدن کک، هوا از راه دهانههایی در دیواره به نام نازلهای دمشی وارد بستر کک میشود. چوب، زغال چوب یا زیستتوده نیز میتوانند به عنوان سوخت مکمل به کار بروند. حتی گازهای اشتعالپذیر را میتوان با هوا مخلوط کرد و از بخش نازلها به درون کوره دمید تا شدت آتش افزایش یابد.
وقتی کک به دمای بسیار بالا رسید، قطعات جامد فلز از دهانه بالایی وارد کوره میشوند. فلز با لایههای تازه کک یکی در میان قرار میگیرد و برای کمک به روان شدن مواد و جداسازی ناخالصیها، آهک به عنوان گدازآور اضافه میشود. با بالا رفتن گرما درون دودکش، فلز ذوب میشود و از میان بستر کک به پایین میچکد؛ سپس در حوضچهای درست بالای درهای کف جمع میشود.
در جریان ذوب، واکنشی ترمودینامیکی میان سوخت و هوای دمشی رخ میدهد. کربن کک با اکسیژن هوا ترکیب میشود و مونوکسید کربن میسازد؛ این گاز نیز بیشتر میسوزد و به دیاکسید کربن تبدیل میشود. بخشی از کربن توسط قطرههای فلز مذاب جذب میشود و درصد کربن چدن را بالا میبرد.
گاهی بریکتهای کاربید سیلسیم و فرومنگنز نیز به مواد بار اضافه میشوند. کاربید سیلسیم تجزیه میشود و کربن و سیلسیم وارد فلز مذاب میشوند. فرومنگنز نیز ذوب شده و با حوضچه آهن مذاب در پایین کوپولا ترکیب میشود. افزودنیهایی مانند فرومنگنز، فروسیلیسیم، کاربید سیلسیم و سایر عناصر آلیاژی برای تنظیم ترکیب شیمیایی آهن مذاب و تطبیق آن با نیاز قطعه ریختهگریشده استفاده میشوند.
سنگ معدن خام فلزاتی مانند آهن، مس، سرب و حتی سنگهای حاوی فلزات گرانبها، اگر به اندازه نخود خرد شده باشند، میتوانند در کوپولا یا کوره بلند ذوب شوند. وانوچو بیرینگوجو روش جداسازی فلز و سرباره را چنین توضیح میدهد: محتوای ذوبشده از کوره در حوضچهای کوچک ریخته میشود و با سرد شدن، لایههای سرباره یا فلز از سطح آن جدا میشوند.
اپراتور کوپولا، که در اصطلاح «نگهدار کوپولا» یا «استاد کوره» نامیده میشود، وظیفه کنترل روند ذوب را بر عهده دارد. در کوپولاهای دارای تخلیه از پایین، نگهدار سطح آهن مذابی را که در حوضچه بالا میآید زیر نظر میگیرد. وقتی سطح مذاب به اندازه کافی بالا آمد، سوراخ تخلیه باز میشود تا فلز به درون پاتیل یا ظرف مخصوص جریان یابد. پس از برداشت مقدار موردنظر، سوراخ با درپوشی نسوز از جنس خاک رس بسته میشود.
نگهدار کوپولا وضعیت داخل کوره را از طریق شیشه بازدید یا روزنه دید در نازلها بررسی میکند. سرباره روی حوضچه آهن مذاب شناور میشود. سوراخ سرباره که بالاتر از سوراخ تخلیه و معمولاً در پشت یا کنار آن قرار دارد، باز میشود تا سرباره خارج شود. با تنظیم درست گدازآور، گرانروی سرباره پایین است و سرباره سرخرنگ بهآسانی بیرون میآید. گاهی این سرباره را در ابزاری کوچک و کاسهشکل جمع میکنند تا سرد و سفت شود؛ سپس آن را میشکنند و از نظر ظاهری بررسی میکنند. در کوپولاهای دارای آستر نسوز اسیدی، سبز بودن رنگ سرباره نشانه مناسب بودن مقدار گدازآور است؛ در آسترهای نسوز قلیایی، سرباره قهوهای دیده میشود.
پس از پایان کار، جریان هوای دمشی قطع میشود و تکیهگاه زیر در کف برداشته میشود تا صفحههای کف باز شوند. این کار باعث میشود باقیماندههای کوره روی زمین یا داخل سبد مخصوص بریزد. مواد خارجشده پس از سرد شدن یا آبدهی سریع، از زیر کوره جمعآوری و پاکسازی میشوند. یک کمپین ممکن است چند ساعت، یک روز، چند هفته یا حتی چند ماه ادامه داشته باشد و کوره کوپولا میتواند بارها و بارها مورد استفاده قرار گیرد.
کنترل کیفیت در کوره کوپولا
در حین تولید، از فلز مذاب نمونههایی گرفته میشود و در قالبهای کوچک ریخته میشود. یکی از روشهای رایج، ریختن نمونه گوهای چیل برای پایش کیفیت چدن است. این قطعات کوچک مثلثیشکل، با عرضی حدود ۱۸ میلیمتر و ارتفاعی حدود ۳۸ میلیمتر، آنقدر سرد میشوند تا کاملاً منجمد شوند. سپس از قالب ماسهای بیرون آورده شده و از انتهای پهن، در آب کوئنچ میشوند.
پس از این خنکسازی، گوهها شکسته میشوند و رنگ سطح شکست بررسی میشود. در یک نمونه معمولی، ناحیه باریک گوه رنگی سفیدگونه و ناحیه پهنتر رنگی خاکستری دارد. عرض گوه در نقطه مرز میان ناحیه سفید و خاکستری اندازهگیری و با نتایج استاندارد مربوط به استحکام کششی چدن مقایسه میشود. این روش دیداری، ابزار ساده اما مؤثری برای کنترل کیفیت مذاب به شمار میآید.