أول فرن كهربائي لمعالجة الصلب بلا انبعاثات كربونية ويوفر الطاقة

طور باحثون في معهد كوريا لأبحاث الطاقة (KIER)، بقيادة الدكتور هوكيونغ لي، تقنية معالجة حرارية كهربائية تحل محل الوقود الأحفوري بالكهرباء في عملية معالجة المعادن المستخدمة في إنتاج شرائح الصلب المجلفن للسيارات والأجهزة المنزلية.

نشرت نتائج الدراسة في مجلة Applied Thermal Engineering، ومن المتوقع أن تكون التقنية قابلة للتطبيق على نطاق واسع في الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل صناعة الصلب، لدعم إزالة الكربون من العمليات الصناعية.

تسعى الحكومة الكورية لتسريع جهود إزالة الكربون في العمليات الصناعية، بما في ذلك كهربتة العمليات، لتحقيق أهداف خفض الانبعاثات الوطنية لعام 2035، ما يزيد الضغط على الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة لاعتماد تقنيات التسخين الكهربائية.

يتم إنتاج شرائح الصلب المجلفن عبر خط جلفنة مستمر (CGL)، حيث تمر الصفائح عبر حمام الزنك المنصهر للتغليف، وتخضع أثناء ذلك لعملية التلدين، وهي خطوة معالجة حرارية تتضمن تسخينًا وتبريدًا متحكمًا لتعزيز الليونة وسهولة تشكيل المعدن للمعالجة اللاحقة.

استبدال شعلات الأفران التقليدية بعناصر تسخين كهربائية

كان التسخين في أفران التلدين التقليدية يعتمد على حرق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، ما يؤدي إلى انبعاث كميات كبيرة من الغازات الدفيئة، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين، وتشكل الانبعاثات الكربونية من صناعة الصلب، بما في ذلك عمليات تصنيع الزنك، حوالي 15% من إجمالي انبعاثات كوريا الوطنية.

لتجاوز هذه المشكلة، طور الفريق البحثي نظام تلدين خالٍ من الكربون يعمل بالكهرباء بالكامل عبر استبدال شعلات الأفران التقليدية بعناصر تسخين كهربائية.
وأظهرت التجارب العملية التي تحاكي ظروف الإنتاج التجاري نجاح النظام في خفض تركيزات ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين بأكثر من 98%.

يعتمد جوهر النظام الجديد على تصميم الفرن، حيث احتفظ الفريق بالهيكل الحراري وآلية نقل الشرائح كما في الأفران التقليدية، مع استبدال الشعلات بعناصر تسخين كهربائية على القسم العلوي والسفلي للفرن، وتصميم المسافة بين عناصر التسخين والصلب بدقة لتوفير تسخين سريع ومتساوٍ مع تقليل فقد الحرارة للجدران.

معالجة حرارية خالٍة تمامًا من الكربون

عند تطبيق النظام على شرائح بسماكة 0.49 ملم ودرجة حرارة 750°C، أظهرت النتائج أن اللون والهيكل المجهري والخواص الميكانيكية للصلب معادلة لما تحقق باستخدام الأفران التقليدية، مع انخفاض الانبعاثات بأكثر من 98%.

كما يقلل الفرن الكهربائي من الحاجة لأنظمة الوقود والهواء والشعلات وأنظمة العادم، ما يخفض تكاليف الاستثمار ومساحة التركيب بحوالي 40%، وعند تشغيله بالكهرباء المتجددة، يمكن تحقيق عملية معالجة حرارية خالٍة تمامًا من الكربون، بما يتماشى مع المعايير البيئية العالمية.

قال الدكتور هوكيونج لي: “هذا العرض التوضيحي هو الأول عالميًا لإظهار إمكانية التسخين الخالي من الكربون بمجرد استبدال الشعلات بعناصر كهربائية”، وأضاف: “نسعى لتطوير نظام تصميم وتشغيل قائم على الذكاء الاصطناعي يوصي تلقائيًا بأفضل ترتيب لعناصر التسخين وفق عرض وسماكة وسرعة الشرائح، ليصبح الحل جاهزًا للتصدير والتطبيق التجاري محليًا وعالميًا”.