تحليل معدلات احتراق العناصر واستراتيجيات التحكم في إنتاج مغناطيس ألنكو المتلبد

1. مقدمة

تُعرف مغناطيسات ألنكو المُلبّدة، المُكوّنة أساسًا من الألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والحديد (Fe) والنحاس (Cu)، بثباتها المغناطيسي العالي ومقاومتها للتآكل. مع ذلك، يؤثر تجانس تركيبة مسحوق المادة الخام تأثيرًا كبيرًا على أداء المغناطيس النهائي، حيث يُعد احتراق العناصر أثناء الصهر عاملًا حاسمًا. يُحدد هذا التحليل العنصر ذو أعلى معدل احتراق، ويقترح استراتيجيات للحد من الخسائر.

2. معدلات احتراق العناصر في صهر الألنيكو

2.1 آليات الإرهاق

يحدث احتراق العناصر نتيجةً للأكسدة والتبخر والتفاعلات الكيميائية مع بطانات الأفران أو الغازات الجوية. ويعتمد مدى الاحتراق على:

• تفاعل العناصر : العناصر ذات الألفة العالية للأكسجين (مثل الألومنيوم والمغنيسيوم) أكثر عرضة للأكسدة.
• درجة الانصهار : تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع الأكسدة والتبخر.
• نوع الفرن : تتميز أفران الحث عمومًا بمعدلات احتراق أقل من أفران الغاز بسبب انخفاض التعرض للأكسجين.
• جو الفرن : تعمل الأجواء المؤكسدة على تفاقم الاحتراق، بينما تعمل الأجواء الخاملة أو المختزلة على تقليله.

2.2 معدلات الإرهاق للعناصر الرئيسية

استنادًا إلى البيانات الصناعية والمراجع العلمية، فإن معدلات الاحتراق التقريبية للعناصر الرئيسية في سبائك الألنيكو هي:

• الألومنيوم (Al) : 1.0–3.0%
  يشكل الألومنيوم طبقة أكسيد واقية (Al₂O₃) عند درجات الحرارة العالية، ولكن التعرض المطول للأجواء المؤكسدة أو التحريك المفرط يمكن أن يعطل هذه الطبقة، مما يزيد من الاحتراق.
• النيكل (Ni) : 0.5-1.0%
  النيكل مستقر نسبياً ولكنه يمكن أن يتأكسد في درجات حرارة عالية، خاصة في وجود الكبريت أو العناصر التفاعلية الأخرى.
• الكوبالت (Co) : 0.3-0.8%
  يتميز الكوبالت بانخفاض تقلباته وميله للأكسدة، مما يجعله أحد أكثر العناصر استقرارًا في سبائك الألنيكو.
• الحديد (Fe) : 0.5-1.5%
  يمكن أن يتأكسد الحديد، لكن معدل احتراقه عادة ما يكون أقل من معدل احتراق الألومنيوم بسبب انخفاض تفاعليته.
• النحاس (Cu) : 0.5-2.0%
  النحاس عرضة للتبخر عند درجات الحرارة العالية، وخاصة في الأفران التي تعمل بالغاز، لكن معدل احتراقه يكون عمومًا أقل من معدل احتراق الألومنيوم.

أعلى معدل احتراق: الألومنيوم (Al)
يُظهر الألومنيوم أعلى معدل احتراق نظرًا لتفاعله الشديد مع الأكسجين وميله لتكوين أكاسيد متطايرة عند درجات الحرارة المرتفعة. وهذا ما يجعله العنصر الأكثر أهمية للتحكم فيه أثناء صهر الألنيكو.

3. استراتيجيات للتحكم في احتراق العناصر

3.1 اختيار الفرن والتحكم في الغلاف الجوي

• أفران الحث : يفضل استخدام أفران الحث على أفران الغاز، لأنها توفر تحكمًا أفضل في درجة الحرارة وتقلل من التعرض للأكسجين، مما يقلل من الأكسدة.
• الأجواء الخاملة أو المختزلة : استخدم أجواء الأرجون أو النيتروجين لكبح الأكسدة. بالنسبة للأفران التي تعمل بالغاز، استخدم عوامل الصهر لتكوين طبقة واقية على سطح المعدن المنصهر.
• تصميم الفرن المغلق : تأكد من إحكام إغلاق الفرن جيدًا لمنع دخول الهواء، مما قد يؤدي إلى تسريع عملية الأكسدة.

3.2 تحسين العمليات

• الصهر عند درجة حرارة منخفضة : يُصهر المعدن عند أدنى درجة حرارة ممكنة لتقليل الأكسدة والتبخر. بالنسبة لسبائك الألنيكو، يعني هذا عادةً الصهر عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة السيولة.
• وقت انصهار قصير : قلل الوقت الذي يتعرض فيه المصهور لدرجات حرارة عالية عن طريق تحسين تسلسلات الشحن والانصهار.
• التحريك المُتحكم به : تجنب التحريك المفرط، فقد يؤدي إلى إتلاف طبقة الأكسيد الواقية على سطح المعدن المنصهر وزيادة الاحتراق. استخدم التحريك الكهرومغناطيسي بدلاً من التحريك الميكانيكي كلما أمكن ذلك.
• التصلب السريع : بعد الانصهار، قم بتبريد السبيكة بسرعة لتقليل الوقت المتاح للأكسدة والانفصال.

3.3 إدارة المواد الخام

• الشحنات عالية النقاء : استخدم مواد خام عالية النقاء لتقليل الشوائب التي يمكن أن تحفز الأكسدة أو تشكل أطوارًا ذات نقطة انصهار منخفضة تزيد من الاحتراق.
• المساحيق المخلوطة مسبقًا : استخدم المساحيق المخلوطة مسبقًا بدلاً من الخلائط العنصرية لضمان التركيب الموحد وتقليل الانفصال أثناء الصهر.
• ترتيب الشحن الصحيح : اشحن العناصر الأقل تفاعلاً أولاً، ثم العناصر الأكثر تفاعلاً، لتقليل الأكسدة الموضعية. على سبيل المثال، اشحن الحديد والنيكل والكوبالت قبل إضافة الألومنيوم والنحاس.

3.4 عملية الصهر وإزالة الغازات

• عوامل الصهر : أضف عوامل الصهر (مثل الكلوريدات أو الفلوريدات) لإزالة الشوائب وتشكيل طبقة خبث واقية على سطح المصهور، مما يقلل من الأكسدة.
• إزالة الغازات : استخدم الفراغ أو التطهير بالغاز الخامل لإزالة الغازات المذابة (مثل الهيدروجين) التي يمكن أن تعزز الأكسدة أو المسامية في المغناطيس النهائي.

3.5 إعادة التدوير وإدارة النفايات

• إعادة تدوير الخردة : يُعاد تدوير خردة العمليات (مثل قنوات التوزيع، والبوابات، والمسبوكات المعيبة) لتقليل تكاليف المواد الخام والحد من الاحتراق. مع ذلك، يجب التأكد من نظافة الخردة وخلوها من الملوثات التي قد تزيد من الاحتراق أثناء إعادة الصهر.
• إدارة الخبث : يجب إدارة الخبث بشكل صحيح لاستعادة المعدن المحتجز وتقليل الفاقد. استخدم مجارف الخبث أو الفواصل المغناطيسية لفصل المعدن عن الخبث.

4. دراسة حالة: الحد من احتراق الألومنيوم في إنتاج الألنيكو

أفاد أحد مصنعي مغناطيسات ألنكو المتلبدة بمعدل احتراق للألمنيوم بلغ 2.5% أثناء عملية الصهر في فرن يعمل بالغاز، مما أدى إلى عدم تجانس التركيب وانخفاض الخصائص المغناطيسية. ولمعالجة هذه المشكلة، تم تطبيق الإجراءات التالية:

• تحديث الفرن : تم استبدال الفرن الذي يعمل بالغاز بفرن حثي، مما أدى إلى تقليل معدل احتراق الألومنيوم إلى 1.2٪.
• التحكم في الغلاف الجوي : تم إدخال جو من الأرجون أثناء عملية الانصهار، مما أدى إلى تقليل الاحتراق إلى 0.8٪.
• تحسين العملية : تم تحسين تسلسل الشحن ووقت الذوبان، مما أدى إلى تقليل إجمالي وقت التعرض للذوبان بنسبة 20٪.
• الصهر : تمت إضافة مادة صهر أساسها الكلوريد لتشكيل طبقة خبث واقية، مما يقلل من أكسدة الألومنيوم.

نتائج :

• انخفض معدل احتراق الألومنيوم من 2.5% إلى 0.5%.
• زادت قوة الإكراه المغناطيسي بنسبة 15% نتيجة لتحسين تجانس التركيب.
• تحسنت كفاءة العملية بشكل عام، مما أدى إلى خفض تكاليف الإنتاج بنسبة 10%.

5. الخاتمة

يُظهر الألومنيوم أعلى معدل احتراق بين العناصر الرئيسية في سبائك الألنيكو نظرًا لتفاعله الشديد مع الأكسجين وميله لتكوين أكاسيد متطايرة. وللتحكم في الاحتراق وضمان تجانس التركيب، ينبغي على المصنّعين ما يلي:

• استخدم أفران الحث مع أجواء خاملة أو مختزلة.
• تحسين عمليات الصهر لتقليل درجة الحرارة ومدة التعرض.
• إدارة المواد الخام وإعادة تدوير الخردة بكفاءة.
• استخدم تقنيات الصهر وإزالة الغازات لحماية سطح المصهور.

من خلال تطبيق هذه الاستراتيجيات، يمكن للمصنعين تقليل احتراق العناصر بشكل كبير، وتحسين تجانس المواد الخام المسحوقة، وتعزيز الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات ألنكو المتلبدة.