الخبث

📅 آخر تحديث: ١٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة
تُنقل الخبث المنصهر إلى الخارج وتُسكب في مكب النفايات. مصهر كاليتونيس للنحاس في منجم إل تينينتي ، تشيلي.

الخبث هو منتج ثانوي أو منتج مشترك لصهر خامات المعادن ( المعالجة الحرارية ) والمعادن المعاد تدويرها، وذلك حسب نوع المادة المنتجة. [ 1 ] يتكون الخبث بشكل أساسي من خليط من أكاسيد المعادن وثاني أكسيد السيليكون . ويمكن تصنيفه بشكل عام إلى حديدي (منتجات ثانوية لمعالجة الحديد والصلب)، وسبائك حديدية (منتج ثانوي لإنتاج السبائك الحديدية)، أو معادن غير حديدية / أساسية (منتجات ثانوية لاستخلاص مواد غير حديدية مثل النحاس والنيكل والزنك والفوسفور ). [ 2 ] ضمن هذه الفئات العامة، يمكن تصنيف الخبث بشكل أدق حسب المادة الأولية وظروف المعالجة. ومن الأمثلة على ذلك خبث أفران الصهر ، وخبث أفران الصهر المبردة بالهواء، وخبث أفران الصهر المحببة، وخبث أفران الأكسجين القاعدية ، وخبث أفران القوس الكهربائي . قد يحتوي الخبث الناتج عن عملية أفران القوس الكهربائي على معادن سامة، مما قد يشكل خطراً على صحة الإنسان والبيئة. [ 3 ]

الإنتاج العالمي للحديد والصلب، 1942-2018، وفقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية [ 4 ]

نظراً للطلب الكبير على المعادن الحديدية والحديدية والحديدية وغير الحديدية، ازداد إنتاج الخبث على مر السنين رغم جهود إعادة التدوير (وخاصة في صناعات الحديد والصلب ) وإعادة التدوير المتقدمة . وتشير تقديرات الرابطة العالمية للصلب (WSA) إلى أن 600  كيلوغرام من المواد المصاحبة (المنتجات الثانوية؛ حوالي 90 % منها خبث) تُنتج لكل طن من الصلب المُنتَج. [ 5 ]

تعبير

الخبث عادةً ما يكون خليطًا من أكاسيد المعادن وثاني أكسيد السيليكون . ومع ذلك، قد يحتوي الخبث على كبريتيدات المعادن والمعادن العنصرية. وقد يكون شكل الأكسيد موجودًا أو غير موجود بمجرد أن يتصلب الخبث المنصهر ويشكل مكونات غير متبلورة ومتبلورة.

تشمل المكونات الرئيسية لهذه الخبث أكاسيد الكالسيوم والمغنيسيوم والسيليكون والحديد والألومنيوم، مع كميات أقل من المنغنيز والفوسفور وغيرها ، وذلك تبعًا لخصائص المواد الخام المستخدمة. علاوة على ذلك، يمكن تصنيف الخبث بناءً على وفرة الحديد بين المكونات الرئيسية الأخرى . [ 1 ]

إنتاج

مخطط يوضح مبادئ عمليات إنتاج الصلب التقليدية في منتصف القرن العشرين: 1: فرن الصهر ؛ 2: جهاز تنقية الغاز؛ 3: أفران كوبر ؛ 4: محرك النفخ ؛ 5: الخلاط؛ 6: فرن الموقد المفتوح ؛ 7: محول بسمر /توماس؛ 8: فرن القوس الكهربائي ؛ أ: الحجر الجيري (مادة صهر)؛ ب: خام الحديد ؛ ج: فحم الكوك ؛ د: نفخ الهواء الساخن؛ هـ: الخبث؛ و: الحديد الزهر ؛ ز: الهواء المضغوط ؛ ح: الصلب ؛ ط: خردة المعادن

تتشكل الخبث أثناء إنتاج المعادن في الحالة السائلة. كثافتها المنخفضة (2.4) تجعلها تطفو فوق المعدن المنصهر (كثافة الفولاذ عند 20  درجة مئوية: 7.85). ينفصل المعدن عنها بسهولة لأن الخبث مركب أيوني غير قابل للامتزاج مع المعدن المنصهر [ 6 ].

خبث أفران الصهر

يُعدّ الخبث منتجًا ثانويًا لإنتاج الحديد الزهر في الفرن العالي ، حيث يُمثّل الشوائب غير المُعقّمة لخام الحديد مُختلطةً برماد فحم الكوك . [ 7 ] تتناسب كمية الخبث المُنتجة طرديًا مع غنى خام الحديد المُستخدم. [ 8 ] بالنسبة للفرن العالي الحديث الذي يعمل بخامات غنية بالحديد، تتراوح نسبة الخبث عادةً بين 180 و350 كيلوغرامًا (400 إلى 770 رطلًا) لكل طن (1.1 طن) من الحديد الزهر. ويمكن أن تصل هذه النسبة إلى قيم قصوى: 100 كيلوغرام لكل طن (220 رطلًا/طن طويل) للفرن العالي الذي يستخدم الفحم النباتي ، أو 1300 كيلوغرام لكل طن (2900 رطل/طن طويل) للخامات الفقيرة والوقود الرخيص. [ 7 ]   

بالنسبة لصانع الصلب، فإن خبث الفرن العالي يتيح التحكم في تركيبة الحديد الزهر (لا سيما عن طريق إزالة الكبريت ، وهو عنصر غير مرغوب فيه، وكذلك القلويات التي تعطل تشغيل الفرن) [ 9 ].

يستطيع صانعو الصلب ذوو الخبرة تقدير التركيب التقريبي وخصائص الخبث المنصهر. غالبًا ما يكفي إجراء "اختبار الخطاف" البسيط، حيث يُغمس خطاف حديدي في الخبث المنصهر. إذا التصق الخبث بالخطاف على شكل قطرات صغيرة (خبث قصير): فهو سائل وقاعدي، وله مؤشر قاعدية i ، يُحدد بنسبة وزن CaO / SiO₂٢ أكبر من ١. إذا تدفق الخبث من الخطاف على شكل خيوط طويلة (خبث طويل): فهو لزج وحمضي، بنسبةi= CaO /SiO2 < 1. [ 10 ]

ومع ذلك، في حين أن الخبث القاعدي يزيل الكبريت الحمضي ( SO4)2 أوH(2 Sاعتمادًا على ظروف الأكسدة والاختزال للنظام)،القلوياتمن الفرن العالي إلا مع الخبث الحمضي. وبالتالي، يواجه تركيب الخبث حلاً وسطًا إضافيًا: تُحل المعضلة التي يواجهها مشغل الفرن العالي أحيانًا بقبول محتوى كبريت مرتفع نسبيًا في الحديد الزهر [...]، أو باستبدال الجير (CaO) في الخبث بالمغنيسيا(MgO) عند ثبات القاعدية، وهو شرط أكثر ملاءمة لإزالة القلويات والتحكم في تآكل المواد الحرارية. [ 7 ]

مع ذلك، من منظور حراري، يُعدّ الخبث مادةً غير قابلة للصهر، حتى وإن كانت حرارة انصهاره ، التي تبلغ حوالي 1800 ميغا جول لكل طن (510 كيلوواط ساعة/طن طويل) من الخبث، لا تمثل سوى 3.5% من إجمالي طاقة الفرن العالي، فإن قيمته، وإن لم تكن ضئيلة، إلا أنها أقل أهمية بكثير من قيمة الحديد الزهر. وقد تم التخلي عن خامات الحديد الفقيرة، مثل خام المينيت ، التي تزيد من استهلاك فحم الكوك في الفرن العالي، نظرًا لزيادة كمية المواد المراد تسخينها. في الواقع، حتى في الفرن العالي الذي يستخدم خامات غنية بالحديد، فإن حجم الخبث يساوي حجم الحديد الزهر المُنتَج (بسبب اختلاف الكثافة)، [ 11 ] وبالتالي فإن سعر بيع الخبث المحبب لا يُساهم إلا بأقل من 5% من تكلفة إنتاج الحديد الزهر. [ 12 ] 

التركيبات النموذجية لخبث الحديد الزهر (بالنسبة  المئوية من الوزن)
نوع الخبثFeO / Fe2 O3MnOSiO2ال2 O3كاوأكسيد المغنيسيومP2 O5ثاني أكسيد التيتانيوم2S
فرن الصهر [ 13 ] (حديد الزهر الهيماتيت)0.16–0.2< 134-3610-1238-417-1011–1.5
فرن القبة (فرن الصهر). [ 14 ]0.5–2.51-225-305–1545–551-2

خبث صناعة الصلب

خبث المعادن الأولي (أو الخبث الأسود)

في مصانع الصلب ، تأتي الخبث من المحولات ، حيث تتأكسد بشدة، ومن عمليات معالجة الصلب في المغرفة، أو من أفران القوس الكهربائي . لإنتاج طن واحد من الصلب، يُنتج ما يقارب 150 إلى 200 كيلوغرام (330 إلى 440 رطلاً) من خبث صناعة الصلب، بغض النظر عن العملية المستخدمة (فرن الصهر - المحول أو صهر الخردة). [ 15 ] 

ينتج خبث المحول (أو الخبث الأسود) عن أكسدة العناصر غير المرغوب فيها (مثل السيليكون والكبريت والفوسفور ). ومع ذلك، فإن أكسدة بعض المعادن (مثل الحديد والمنغنيز ) أمر لا مفر منه بسبب طبيعة العملية ( حقن الأكسجين ) .2 لأكسدةالكربيداتفي الحديد الزهر). [ 16 ]

التركيبات النموذجية لخبث المعادن الأولية (بالنسبة  المئوية بالوزن، في نهاية التكرير ) [ 17 ]
نوع الخبثFeO / Fe 2 O 3MnOSiO 2Al 2 O 3كاوأكسيد المغنيسيومP 2 O 5S
بيسمر الأصلي1577530
توماس الأصلي179153710120.5
توماس المُحسّن10372525200.3
محول من نوع OLP12475720
محول من نوع LD20713482
فرن القوس الكهربائي [ 18 ]325155349
فرن القوس الكهربائي مع معالجة OLP20-307501–2.5

خبث المعادن الثانوي (أو الخبث الأبيض)

يُعدّ دور خبث المعادن الثانوي (أو الخبث الأبيض [ 16 ] ) متنوعًا ومعقدًا. فهو يجمع الشوائب والعناصر الكيميائية غير المرغوب فيها عن طريق امتصاص شوائب الأكاسيد الذائبة في المعدن، والتي تنتج عادةً عن عملية إزالة الأكسدة . ولذلك، يُعدّ ضبط تركيبه لجعله نشطًا أمرًا ضروريًا. فعلى سبيل المثال، يُعزز المحتوى العالي من الجير والفلورايد امتصاص شوائب الألومينا الحمضية. ومع ذلك، يجب أن يحمي هذا الخبث أيضًا الطوب الحراري ؛ لذا فإن تعديل خبث صناعة الصلب يُمثل حلًا وسطًا. [ 16 ]

علاوة على ذلك، يمكن لبعض أكاسيد الخبث، مثل أكسيد الحديد الثنائي (FeO)، أن تؤكسد إضافات السبائك مثل الفيروتيتانيوم والألومنيوم والفيروبورون ... في هذه الحالة ، تُستهلك عناصر السبائك هذه قبل وصولها إلى المعدن السائل، وبالتالي فإن أكسدتها تُعدّ هدرًا. وتُعتبر الكميات المفرطة من الخبث أو الأكسدة غير المُحكمة للخبث عائقًا كبيرًا في هذه الحالة. [ 16 ]

في صناعة المعادن باستخدام المغرفة أو في عمليات المعالجة الثانوية للمعادن، تشمل أدوات معالجة الخبث عادةً "مجرفة" لكشط الخبث العائم على الفولاذ السائل. وتسمح القواديس بإضافة المنتجات لتشكيل الخبث أو تعديله . [ 16 ]

تتكون خبث صناعة الصلب عمومًا من الجير والألومينا للصلب الكربوني المُخصص للمنتجات المسطحة، ومن الجير والسيليكا للصلب الكربوني المُخصص للمنتجات الطويلة. أما بالنسبة للصلب المقاوم للصدأ ، فإن محتواه العالي من الكروم يجعله غير مناسب للاستخدام كحشو، إلا أن إعادة تدويره داخل مصنع الصلب مجدية اقتصاديًا. [ 16 ]

التركيبات النموذجية لخبث المعادن الثانوي (بالنسبة  المئوية للوزن، في نهاية عملية التكرير )
نوع الخبثFeO / Fe2 O3MnOSiO2ال2 O3كاوأكسيد المغنيسيومP2 O5S
الفولاذ منزوع الأكسدة بالألومنيوم

(خبث إزالة الكبريت)

00103545100.1

خبث اللحام

يُستخدم مصطلح الخبث لوصف القشرة التي تتشكل على سطح حوض اللحام عند استخدام مادة مساعدة ( طلاء قطب كهربائي ، مسحوق أو حبيبات ). تحمي هذه المادة حوض اللحام من أكسجين الهواء الجوي وتعزله حرارياً. كما أنها تُساهم في التركيب الكيميائي لحوض اللحام ، بإضافة أو إزالة عناصر (مثل إزالة الكبريت ).

في لحام القوس المعدني المحمي ، يؤدي انصهار الطلاء إلى تكوين الخبث.

تتميز الأقطاب الكهربائية بطبقة الطلاء الخاصة بها: قاعدية (غنية بالجير )، والتي يصعب استخدامها ولكنها تضمن قوة ميكانيكية ممتازة، أو حمضية (غنية بالسيليكا ) ، والتي يسهل استخدامها.

الكيمياء الفيزيائية

القاعدية البصرية (Λ) لأكاسيد الخبث [ 19 ]
أكسيدقاعدية
نا2 O1.15
كاو1.0
أكسيد المغنيسيوم0.78
CaF20.67
ثاني أكسيد التيتانيوم20.61
ال2 O30.61
MnO0.59
Cr2 O30.55
FeO0.51
Fe2 O30.48
SiO20.48

عندما يكون الخبث منصهرًا، يكون عبارة عن محلول من الأكاسيد. وأكثرها شيوعًا هي FeO و Fe2 O3 ،SiO2 ،الـ2 O3 ،CaO، وMgO. قد توجد بعضالكبريتيداتأيضًا، لكن وجود الجير والألومينا يقلل من ذوبانها. [ 20 ]

يمكن تصنيف البنية الجزيئية للخبث المنصهر إلى ثلاث مجموعات من الأكاسيد: حمضية، وقاعدية، ومتعادلة. أكثر الأكاسيد الحمضية شيوعًا هي السيليكا والألومينا . [ أ ] عند انصهارها، تتكاثف هذه الأكاسيد مكونةً مركبات طويلة. ولذلك ، فإن الخبث الحمضي شديد اللزوجة [ ب ] ولا يمتص بسهولة الأكاسيد الحمضية الموجودة في المعدن المنصهر. [ 20 ]

تذوب الأكاسيد القاعدية، مثل الجير (CaO) أو المغنيسيا (MgO)، في الخبث الحمضي على شكل مركبات أيونية . تعمل هذه الأكاسيد على تكسير السلاسل الجزيئية للأكاسيد الحمضية إلى وحدات أصغر، مما يجعل الخبث أقل لزوجة ويسهل امتصاص الأكاسيد الحمضية الأخرى. وإلى حد معين، يؤدي إضافة الأكاسيد القاعدية إلى الخبث الحمضي أو الأكاسيد الحمضية إلى الخبث القاعدي إلى خفض درجة انصهاره . [ 20 ]

الأكاسيد المتعادلة (حمضية قليلاً)، مثل الوستيت (FeO) أو النحاس2 O، يتفاعل بشكل طفيف مع سلاسل الأكسيد. [ 20 ]

بشكل عام، تتغير الموصلية الكهربائية بشكل كبير مع درجة الحرارة، وتزداد مع زيادة القاعدية (أي مع زيادة سيولة الخبث، مما يعزز انتشار الأيونات في الوسط المنصهر) ومحتوى أكاسيد النحاس والحديد. أما التوتر السطحي ، فلا يعتمد كثيراً على درجة الحرارة، ويزداد مع زيادة الحموضة، أي مع زيادة لزوجة الخبث . [ 20 ]

صهر الخامات

صناعة الحديد - نقل الخبث (scoriæ)، نقش خشبي يعود لعام 1873

توجد المعادن في الطبيعة، كالحديد والنحاس والرصاص والنيكل ، في حالة غير نقية تُسمى الخامات ، وغالبًا ما تكون مؤكسدة ومختلطة مع سيليكات معادن أخرى. أثناء عملية الصهر، عندما تتعرض الخامات لدرجات حرارة عالية، تُفصل هذه الشوائب عن المعدن المنصهر ويمكن إزالتها. الخبث هو مجموعة المركبات التي تمت إزالتها. في العديد من عمليات الصهر، تُضاف الأكاسيد للتحكم في التركيب الكيميائي للخبث، مما يساعد في إزالة الشوائب وحماية البطانة الحرارية للفرن من التآكل المفرط. في هذه الحالة، يُطلق على الخبث اسم الخبث الاصطناعي . ومن الأمثلة الجيدة على ذلك خبث صناعة الصلب: حيث يُضاف الجير الحي (CaO) والمغنيزيت (MgCO₃ ) لحماية البطانة الحرارية، ومعادلة الألومينا والسيليكا المنفصلة عن المعدن، والمساعدة في إزالة الكبريت والفوسفور من الصلب.

تُنتج الخبث، كمنتج ثانوي لصناعة الصلب ، عادةً إما عن طريق فرن الصهر - محول الأكسجين أو عن طريق فرن القوس الكهربائي - فرن المغرفة. [ 21 ] ولتسهيل صهر السيليكا الناتجة أثناء صناعة الصلب، يُضاف الحجر الجيري و/أو الدولوميت ، بالإضافة إلى أنواع أخرى من مُحسِّنات الخبث مثل ألومينات الكالسيوم أو الفلورسبار .

التصنيفات

تدفق الخبث من أحد أفران الموقد المفتوح في مصنع الصلب، ريبابليك ستيل ، يونغستاون، أوهايو، نوفمبر 1941. يتم سحب الخبث من الفرن قبل صب الصلب المنصهر في المغارف لصنع السبائك .

هناك ثلاثة أنواع من الخبث: الخبث الحديدي ، والخبث الحديدي المعدني ، والخبث غير الحديدي ، والتي يتم إنتاجها من خلال عمليات صهر مختلفة.

خبث الحديد

تُنتَج خبث الحديد في مراحل مختلفة من عمليات صناعة الحديد والصلب، مما ينتج عنه خصائص فيزيائية وكيميائية متباينة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر معدل تبريد مادة الخبث على درجة تبلورها، مما يزيد من تنوع خصائصها. على سبيل المثال، يميل خبث أفران الصهر المبرد ببطء (أو الخبث المبرد بالهواء) إلى امتلاك أطوار بلورية أكثر من خبث أفران الصهر المبرد بسرعة ( خبث أفران الصهر المحبب المطحون )، مما يجعله أكثر كثافة وأنسب كمادة ركام. وقد يحتوي أيضًا على نسبة أعلى من أكسيد الكالسيوم الحر وأكسيد المغنيسيوم، واللذان غالبًا ما يتحولان إلى أشكالهما المائية إذا لم تكن هناك رغبة في حدوث تمددات حجمية مفرطة. من ناحية أخرى، يحتوي خبث أفران الصهر المبرد بالماء على أطوار غير متبلورة أكبر ، مما يمنحه خصائص هيدروليكية كامنة (كما اكتشفها إميل لانجن عام 1862) مشابهة لأسمنت بورتلاند . [ 22 ]

أثناء عملية صهر الحديد، تتكون خبث الحديدوز، الذي يغلب عليه تركيب الكالسيوم والسيليكون. ومن خلال هذه العملية، يمكن تفكيك خبث الحديدوز إلى خبث الفرن العالي (الناتج عن أكاسيد الحديد من الحديد المنصهر)، ثم إلى خبث الصلب (الذي يتكون عند دمج خردة الصلب مع الحديد المنصهر). تحتوي المراحل الرئيسية لخبث الحديدوز على سيليكات غنية بالكالسيوم من مجموعة الأوليفين وسيليكات من مجموعة الميليليت .

يُصمّم الخبث الناتج عن مصانع الصلب في صهر الحديد لتقليل فقد الحديد، مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الحديد، تليها أكاسيد الكالسيوم والسيليكون والمغنيسيوم والألومنيوم . عند تبريد الخبث بالماء، تحدث عدة تفاعلات كيميائية داخله عند درجة حرارة تقارب 1430 درجة مئوية (2600 درجة فهرنهايت) (مثل الأكسدة ). [ 1 ]  

مسار عبر كومة خبث في كلاركدايل ، أريزونا، يُظهر آثار الصدأ الناتجة عن الصفائح المموجة التي كانت تُثبتها

استنادًا إلى دراسة حالة في موقع هوبويل التاريخي الوطني في مقاطعتي بيركس وتشيستر بولاية بنسلفانيا الأمريكية، يحتوي خبث الحديد عادةً على تركيز أقل من أنواع مختلفة من العناصر النزرة مقارنةً بخبث المعادن غير الحديدية . ومع ذلك، يمكن لبعض هذه العناصر، مثل الزرنيخ والحديد والمنغنيز ، أن تتراكم في المياه الجوفية والسطحية إلى مستويات قد تتجاوز الحدود البيئية المسموح بها. [ 1 ]

خبث المعادن غير الحديدية

تُنتج الخبث غير الحديدي من المعادن غير الحديدية الموجودة في الخامات الطبيعية. ويمكن تصنيف الخبث غير الحديدي إلى خبث النحاس والرصاص والزنك تبعًا لتركيب الخامات، ويُعدّ هذا النوع الأخير أكثر قدرة على التأثير سلبًا على البيئة من الخبث الحديدي. فعلى سبيل المثال، صُممت عملية صهر النحاس والرصاص والبوكسيت في صهر المعادن غير الحديدية لإزالة الحديد والسيليكا اللذين غالبًا ما يتواجدان مع هذه الخامات، وفصلها إلى خبث قائم على سيليكات الحديد. [ 1 ]

تمت دراسة خبث النحاس، وهو ناتج ثانوي لصهر خامات النحاس، في منجم بن المهجور في كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية. تغمر المياه هذه المنطقة لمدة تتراوح بين ستة وثمانية أشهر سنويًا، لتصبح خزانًا لمياه الشرب والري . أظهرت العينات المأخوذة من الخزان تركيزًا عاليًا من الكادميوم (Cd) والرصاص (Pb) يتجاوز الحدود المسموح بها. [ 1 ]

التطبيقات

يمكن أن تخدم الخبث أغراضًا أخرى، مثل المساعدة في التحكم بدرجة حرارة الصهر، وتقليل أي أكسدة متجددة للمنتج المعدني السائل النهائي قبل إخراج المعدن المنصهر من الفرن واستخدامه في صناعة المعدن الصلب. في بعض عمليات الصهر، مثل صهر الإلمنيت لإنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم ، قد يكون الخبث هو المنتج القيّم. [ 23 ]

خبث مبكر من الدنمارك، حوالي  200-500 ميلادي 

الاستخدامات القديمة

خلال العصر البرونزي في منطقة البحر الأبيض المتوسط ، استُخدمت العديد من عمليات التعدين التفاضلي. وكان من بين نواتج هذه العمليات مادة زجاجية ملونة تُعرف باسم الخبث، والتي وُجدت على أسطح الخبث الناتج عن مصانع النحاس القديمة. وكانت هذه المادة في الغالب زرقاء أو خضراء، وكانت تُكسر وتُصهر سابقًا لصنع الأواني الزجاجية والمجوهرات. كما كانت تُطحن إلى مسحوق لإضافته إلى الطلاءات المستخدمة في صناعة الخزف. وقد عُثر على بعض أقدم استخدامات نواتج الخبث في مصر القديمة . [ 24 ]

تاريخياً، كانت إعادة صهر خبث خام الحديد ممارسة شائعة، إذ سمحت تقنيات الصهر المحسّنة بزيادة إنتاج الحديد، وفي بعض الحالات تجاوزت الكمية التي تم الحصول عليها في الأصل. خلال أوائل القرن العشرين، طُحن خبث خام الحديد أيضاً إلى مسحوق واستُخدم في صناعة زجاج العقيق ، المعروف أيضاً باسم زجاج الخبث.

الاستخدامات الحديثة

بناء

يعود استخدام الخبث في صناعة البناء إلى القرن التاسع عشر، عندما استُخدم خبث أفران الصهر في بناء الطرق وحصى السكك الحديدية. خلال هذه الفترة، استُخدم أيضًا كمادة ركام، وبدأ دمجه في صناعة الإسمنت كبوليمر جيولوجي . [ 25 ]

تُستخدم اليوم حبيبات خبث أفران الصهر المطحونة مع أسمنت بورتلاند لإنتاج " أسمنت الخبث ". يتفاعل خبث أفران الصهر المحبب مع البورتلانديت ( Ca(OH) ₂ )، المتكون أثناء عملية إماهة الأسمنت، عبر التفاعل البوزولاني، مُنتجًا خصائص إسمنتية تُسهم بشكل أساسي في زيادة مقاومة الخرسانة لاحقًا. ينتج عن ذلك خرسانة ذات نفاذية منخفضة ومتانة أفضل. يجب مراعاة نوع الخبث المستخدم بعناية، إذ أن ارتفاع محتوى أكسيد الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم قد يؤدي إلى تمدد حجمي مفرط وتشققات في الخرسانة. [ 26 ]

وقد استُخدمت هذه الخصائص الهيدروليكية أيضًا لتثبيت التربة في الطرق وإنشاءات السكك الحديدية . [ 27 ]

تُستخدم حبيبات خبث أفران الصهر في صناعة الخرسانة عالية الأداء، وخاصة تلك المستخدمة في بناء الجسور والمنشآت الساحلية، حيث يمكن أن تساعد نفاذيتها المنخفضة ومقاومتها العالية للكلوريدات والكبريتات في الحد من التآكل وتدهور الهيكل. [ 28 ]

يمكن أيضًا استخدام الخبث لصنع ألياف تستخدم كمادة عازلة تسمى صوف الخبث .

يُستخدم الخبث أيضاً كمادة ركامية في الخرسانة الإسفلتية لرصف الطرق . وقد وجدت دراسة أجريت عام 2022 في فنلندا أن أسطح الطرق التي تحتوي على خبث الفيروكوم تُطلق غباراً شديد الكشط تسبب في تآكل أجزاء السيارات بمعدلات أعلى بكثير من المعدل الطبيعي. [ 29 ]

معالجة مياه الصرف الصحي والزراعة

يؤدي ذوبان الخبث إلى توليد قلوية يمكن استخدامها لترسيب المعادن والكبريتات والمغذيات الزائدة (النيتروجين والفوسفور) في معالجة مياه الصرف الصحي. وبالمثل، استُخدم خبث الحديد كمحسنات للتربة لإعادة توازن درجة حموضة التربة ، وكأسمدة كمصادر للكالسيوم والمغنيسيوم. [ 30 ]

نظراً لمحتوى الفوسفات الذي ينطلق ببطء في الخبث المحتوي على الفوسفور ، ولتأثيره في تحسين التربة ، فإنه يُعتبر سماداً قيماً في الحدائق والمزارع في مناطق صناعة الصلب. ومع ذلك، فإن أهم استخداماته هو في مجال البناء. [ 31 ]

التطبيقات الناشئة

تتمتع الخبث بواحدة من أعلى إمكانيات الكربنة بين النفايات القلوية الصناعية نظرًا لاحتوائها على نسبة عالية من أكسيد الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم، مما حفز إجراء المزيد من الدراسات لاختبار جدواها في طرق احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون (مثل العزل المائي المباشر، والكربنة الجافة للغاز الصلب، وغيرها). [ 32 ] [ 33 ] ومن خلال هذه الطرق، يمكن تحويل الخبث إلى كربونات الكالسيوم المترسبة لاستخدامها في صناعات البلاستيك والخرسانة، واستخلاص المعادن منها لاستخدامها في الصناعات الإلكترونية. [ 34 ]

مع ذلك، يؤدي التباين الفيزيائي والكيميائي الكبير بين أنواع الخبث المختلفة إلى تباينات في الأداء والإنتاجية. [ 35 ] علاوة على ذلك، قد يؤدي حساب إمكانية الكربنة بناءً على القياسات الكيميائية إلى مبالغة في التقدير، مما قد يزيد من غموض الإمكانات الحقيقية للمادة. [ 36 ] ولتحقيق هذه الغاية، اقترح البعض إجراء سلسلة من التجارب لاختبار تفاعلية مادة خبث محددة (مثل الذوبان )، أو استخدام نظرية القيد الطوبولوجي (TCT) لشرح شبكتها الكيميائية المعقدة. [ 37 ]

التأثير الصحي والبيئي

كومة من خبث صناعة الصلب في منشأة كليفلاند-كليفس إنديانا هاربور لصناعة الصلب

تُنقل الخبث مع مخلفاتها إلى مكبات النفايات، حيث تتعرض لعوامل التجوية، مما قد يؤدي إلى تسرب عناصر سامة وجريان مياه شديدة القلوية إلى التربة والمياه، مُهددةً بذلك النظم البيئية المحلية. وتتركز المخاوف عادةً حول خبث المعادن غير الحديدية أو المعادن الأساسية، التي تميل إلى احتواء تركيزات أعلى من العناصر السامة. إلا أن خبث المعادن الحديدية وسبائكها قد يحتوي أيضاً على هذه العناصر، مما يثير مخاوف بشأن مكبات النفايات شديدة التجوية والمواد المُعاد تدويرها. [ 38 ] [ 39 ]

يمكن أن يؤدي ذوبان الخبث إلى إنتاج مياه جوفية شديدة القلوية ذات درجة حموضة أعلى من 12. [ 40 ] تتفاعل سيليكات الكالسيوم (CaSiO₄ ) الموجودة في الخبث مع الماء لإنتاج أيونات هيدروكسيد الكالسيوم ، مما يؤدي إلى زيادة تركيز أيونات الهيدروكسيد (OH⁻) في المياه الجوفية . تعزز هذه القلوية تمعدن ثاني أكسيد الكربون المذاب ( من الغلاف الجوي) لإنتاج الكالسيت (CaCO₃ ) ، الذي قد يتراكم بسماكة تصل إلى 20 سم. كما يمكن أن يؤدي ذلك إلى ذوبان معادن أخرى في الخبث، مثل الحديد (Fe) والمنغنيز (Mn) والنيكل (Ni) والموليبدينوم (Mo)، والتي تصبح غير قابلة للذوبان في الماء وتتحرك على شكل جسيمات . تُعد عملية ضخ الهواء الطريقة الأكثر فعالية لإزالة سمية المياه الجوفية القلوية المتدفقة . [ 40 ] 

يمكن أن تحمل الرياح الخبث الناعم وغبار الخبث الناتج عن طحن الخبث المراد إعادة تدويره في عملية الصهر أو إعادة استخدامه في صناعة أخرى (مثل البناء)، مما يؤثر على النظام البيئي الأوسع. ويمكن ابتلاعه واستنشاقه، مما يشكل خطراً صحياً مباشراً على المجتمعات القريبة من المصانع والمناجم ومواقع التخلص من النفايات، إلخ. [ 38 ] [ 39 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ تشمل الأكاسيد الحمضية الأخرى النادرة السائدة الكروم2 O3 وZrO2. الأكاسيد الحمضية النادرة هيالزرنيخ2 O3 ،ثنائي2 O3 ، وSb2 O3. من بين الأكاسيد القاعدية، بالإضافة إلى الجير (CaO) والمغنيسيا (MgO)، يوجدFeOوFe2 O3 ،PbO،Cu2 O،Na2 O،K2 OوCaF2 ، أما الثلاثة الأخيرة فتعتبر في كثير من الأحيانتدفقات.
  2. ↑ الخبث الحمضي لزج، يشبه إلى حد كبير الحمم البركانية الفلسيةوالحمضية والغنية بالسيليكا (مما يتسبب في ثورات بركانية من نوع بلينيان أو بيليان وانفجارات بركانية فتاتية مدمرة للغايةناتجة عن إطلاق مفاجئ للغاز يتبعه سقوط تدفقات بركانية فتاتية مدمرة ).

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 بياتاك، نادين م.؛ بارسونز، مايكل ب.؛ سيل، روبرت ر. (2015). "خصائص الخبث وجوانبه البيئية: مراجعة". الجيوكيمياء التطبيقية . 57 : 236-266 . Bibcode : 2015ApGC...57..236P . doi : 10.1016/j.apgeochem.2014.04.009 . ISSN 0883-2927 . 
  2. ↑ ستروب-غاردينر، ماري؛ واتنبرغ-كوماس، تانيا (24-06-2013). المواد المعاد تدويرها والمنتجات الثانوية في تطبيقات الطرق السريعة - تقرير موجز . المجلد 1. doi : 10.17226/22552 . ISBN  978-0-309-22368-3.
  3. ↑ اعتبارات المخاطر الصحية لاستخدام خبث الصلب غير المغلف . واشنطن العاصمة: مطبعة الأكاديميات الوطنية. ١٧ نوفمبر ٢٠٢٣. Bibcode : 2023nap..book26881N . doi : 10.17226/26881 . ISBN 978-0-309-70011-5PMID 38190460​​ 
  4. ↑ "إحصاءات ومعلومات عن الحديد والصلب" . www.usgs.gov . تاريخ الاسترجاع: 27-11-2021 .
  5. ↑ "ورقة موقف صناعة الصلب بشأن المنتجات الثانوية" . موقع وورلد ستيل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 نوفمبر 2021 .
  6. ↑ كروندويل، فرانك ك.؛ مواتس، مايكل س.؛ راماتشاندران، فينكوبا؛ روبنسون، تيموثي ج.؛ دافنبورت، ويليام ج. (2011). استخلاص المعادن من النيكل والكوبالت ومعادن مجموعة البلاتين . إلسيفير . ص 67. ISBN  978-0-08-096809-4.
  7. 1 2 3 شميت، كارل هاينز؛ رومي، إنغو؛ مينش، فريتز (1981). Kohle، Erdöl، Erdgas: Chemie und Technik [ الفحم والنفط والغاز الطبيعي: الكيمياء والتكنولوجيا ] (بالألمانية). فورتسبورغ: دار فوجل. رقم ISBN 3-8023-0684-8.
  8. ↑ نالاباني، ساسيدهار (نوفمبر 2025). "تحديث أفران الصهر لإنتاج الفولاذ الأخضر واليوريا الخضراء" (ملف PDF) . المجلة الهندية لهندسة البيئة . 5 (2): 19-25 . doi : 10.54105/ijee.B1871.05021125 . ISSN 2582-9289 . تاريخ الاسترجاع: 21 نوفمبر 2025 . 
  9. ↑ فاغنر، دونالد ب. (1997). صناعة الحديد الصينية التقليدية ومصيرها الحديث . روتليدج . ISBN 0-7007-0951-7.
  10. ^ فيرين دويتشر آيزنهوتنلوت (1970). Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens [ عرض تقديمي يمكن الوصول إليه لأعمال الحديد ] (باللغة الألمانية) (17 طبعة). دوسلدورف: Stahleisen mbH. ص 83 – 84.  
  11. ↑ فان دير ستيل، جان (19-20 سبتمبر 2012). "تحسينات في عمليات صناعة الحديد في أفران الصهر" (ملف PDF) . قسم البحث والتطوير في شركة تاتا ستيل.
  12. ↑ "الكتاب السنوي للمعادن لعام 2011؛ ​​خبث الحديد والصلب" (ملف PDF) . وزارة الداخلية الأمريكية، هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية. يناير 2013.
  13. ^ توبي، كارل (1998). Stahlerzeugung kompakt: Grundlagen der Eisen- und Stahlmetallurgie [ إنتاج الصلب المضغوط: أساسيات تعدين الحديد والصلب ] (بالألمانية). براونشفايغ/فيسبادن: Vieweg Technik. ص 158 – 159. ISBN  3-528-03863-2.
  14. ^ هاس، ستيفان (2000). معجم جيسيري (lexique de la fonderie) [ معجم المسبك ] (بالألمانية). فاخفيرلاج شيلي وشوين. ص. 1097. ردمك  3-7949-0655-1.
  15. ↑ "المنتجات الثانوية لصناعة الصلب" (ملف PDF) . فبراير 2010.
  16. 1 2 3 4 5 6 زولهان، زلفيادي (نوفمبر 2013). "خبث صناعة الحديد والصلب: هل هو نفايات خطرة؟" . معهد باندونغ للتكنولوجيا.
  17. ↑ ريتشاردسون، إف دي؛ جيفز، جيه إتش إي (1989). "اختراع سيدني توماس وتأثيره اللاحق" . أوراق بحثية من ماسكا في العلوم وعلم الآثار . تاريخ التكنولوجيا: دور المعادن (6). ISBN 978-0-924171-95-6.
  18. ↑ بريتوريوس، يوجين (أبريل 2002). أساسيات أفران القوس الكهربائي وخبث المغرفة ومبادئ تكرير المغرفة . ص 14. doi : 10.1179/030192302225003495 . 
  19. ↑ بريتوريوس 2002 ، ص 8 
  20. 1 2 3 4 5 دافنبورت، ويليام جي آي؛ كينغ، ماثيو جيه؛ شليزنجر، مارك إي؛ بيسواس، إيه كيه (2002). استخلاص المعادن من النحاس ( الطبعة الرابعة). أكسفورد/نيويورك/طوكيو: إلسيفير . الصفحات 59-63 . ISBN   0-08-044029-0.
  21. ↑ فروهان، ريتشارد (1998). صناعة وتشكيل ومعالجة الصلب، مجلد صناعة وتكرير الصلب ( الطبعة الحادية عشرة). بيتسبرغ، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية: مؤسسة AISE للصلب. ص 10. ISBN   0-930767-02-0.
  22. ↑ كويرزن، أندريه (2020-01-01)، "10 - خصائص الخرسانة ذاتية الدمك باستخدام المنتجات الثانوية الصناعية كركام" ، في صديق، رفعت (محرر)، الخرسانة ذاتية الدمك: المواد والخصائص والتطبيقات ، سلسلة وود هيد للنشر في الهندسة المدنية والإنشائية، وود هيد للنشر، ص 249-281 ، ISBN  978-0-12-817369-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 نوفمبر 2021
  23. ↑ بيستوريوس، بي سي (2007). "صهر الإلمنيت: الأساسيات" (ملف PDF) . المؤتمر الدولي السادس للمعادن الثقيلة "العودة إلى الأساسيات": 75– 84.
  24. ↑ "التركيب الكيميائي للزجاج في مصر القديمة" لمايكي براس (1999) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-06-2009 .
  25. ↑ نيتينجر جروبيسا، إيفانكا؛ باريشيتش، إيفانا؛ فوتشيك، ألكسندرا؛ Bansode, Samitinjay S. (2016-01-01)، "4 - تطبيق خبث الأفران العالية في الهندسة المدنية: دراسات عالمية" ، في Netinger Grubeša، Ivanka؛ باريشيتش، إيفانا؛ فوتشيك، ألكسندرا؛ Bansode، Samitinjay S. (eds.)، خصائص واستخدامات الخبث الفولاذي في تشييد المباني ، Woodhead، الصفحات من 51 إلى 66، ISBN  978-0-08-100368-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 نوفمبر 2021
  26. ↑ أورتيغا-لوبيز، فانيسا؛ مانسو، خوان م.؛ كويستا، إيسيدورو إ.؛ غونزاليس، خافيير ج. (15-10-2014). "التمدد المتسارع طويل الأمد لأنواع مختلفة من خبث أفران المغرفة الأساسية وتطبيقاتها في تثبيت التربة" . مواد البناء والتشييد . 68 : 455-464 . Bibcode : 2014CBMat..68..455O . doi : 10.1016/j.conbuildmat.2014.07.023 . ISSN 0950-0618 . 
  27. ↑ غروبيشا، إيفانكا نيتينغر؛ باريسيتش، إيفانا (4 أغسطس/آب 2021). "الفصل 7: تطبيقات متنوعة للخبث في صناعة البناء". الخبث المعدني . الكيمياء في البيئة. ص 194-233 . doi : 10.1039/9781839164576-00194 . ISBN  978-1-78801-887-6S2CID 238965391. تم الاسترجاع بتاريخ 27-11-2021 . 
  28. ↑ "أسمنت عالي الأداء لقوة عالية ومتانة فائقة" بقلم كونستانتين سوبوليف . مؤرشف من الأصل بتاريخ 3 أغسطس 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يونيو 2009 .
  29. ↑ "Autojen jakohihnojen rikkoutumisen taustalla Ferrokromikuonan eli OKTO-murskeen aiheuttama kuluminen" (بالفنلندية). هيئة المسح الجيولوجي في فنلندا. 20 سبتمبر 2022 . تم الاسترجاع في 20 سبتمبر 2022 .
  30. ↑ غوميز، هيلينا آي؛ مايز، ويليام إم؛ فيراري، ريبيكا (2021-08-04)، "الفصل 8: التطبيقات البيئية للخبث" ، الخبث المعدني ، الكيمياء في البيئة، ص 234-267 ، doi : 10.1039/9781839164576-00234 ، ISBN  978-1-78801-887-6، S2CID 238967817 ، تم استرجاعه بتاريخ 27-11-2021 
  31. ↑ أوكونور، جيمس؛ نغوين، ثي بانغ توين؛ هونياندز، توم؛ موناغان، برايان؛ أوديا، داميان؛ رينكليبي، يورغ؛ فينو، أجايا؛ هوانغ، سون أ.؛ سينغ، غوريندر؛ كيركهام، إم بي؛ بولان، نانثي (2021). "إنتاج خبث الصلب، وتوصيفه، واستخدامه، وتطبيقه المفيد في التربة: مراجعة". مجلة المواد الخطرة . 419 126478. Bibcode : 2021JHzM..41926478O . doi : 10.1016/j.jhazmat.2021.126478 . ISSN 0304-3894 . PMID 34323725 .  
  32. ↑ دوسيه، فريدريك ج. (2010-02-01). "القدرة الفعالة لعزل ثاني أكسيد الكربون في خبث الصلب وتغير سلوك ترشيحه في ضوء كربنة المعادن الصناعية" . هندسة المعادن . عدد خاص: الاستدامة، وحفظ الموارد، وإعادة التدوير. 23 (3): 262-269 . doi : 10.1016/j.mineng.2009.09.006 . ISSN 0892-6875 . 
  33. ↑ رومانوف، فياتشيسلاف؛ سونغ، يي؛ كارني، كيسي؛ راش، جيلبرت إي.؛ نيلسن، بنجامين؛ أوكونور، ويليام (2015). "تمعدن ثاني أكسيد الكربون: مراجعة أدبية" . مجلة ChemBioEng Reviews . 2 (4): 231–256 . doi : 10.1002/cben.201500002 . ISSN 2196-9744 . OSTI 1187926 .  
  34. ↑ راجيباني، راغافيندرا؛ بهاتاشاريا، سانكار؛ سوريش، أكيهيبال ك. (2021). "مراجعة حول تثمين خبث الصلب من خلال الكربنة المعدنية" . كيمياء وهندسة التفاعلات . 6 (7): 1152-1178 . doi : 10.1039/D1RE00035G . ISSN 2058-9883 . S2CID 236390725 .  
  35. ↑ براند، ألكسندر س.؛ فانيجو، إبينزر أ. (19 نوفمبر 2020). "مراجعة لتأثير نوع خبث أفران الصلب على خواص المركبات الأسمنتية" . العلوم التطبيقية . 10 (22): 8210. doi : 10.3390/app10228210 . hdl : 10919/100961 . ISSN 2076-3417 . 
  36. ↑ "بعض آثار ثاني أكسيد الكربون على الملاط والخرسانة". وقائع مجلة معهد الخرسانة الأمريكي . 53 (9). 1956. doi : 10.14359/11515 . ISSN 0002-8061 . 
  37. ↑ لا بلانت، إريكا كالاغون؛ مهدي بور، إيمان؛ شورت، إيان؛ يانغ، كاي؛ سيمونيتي، دانتي؛ باوشي، ماثيو؛ سانت، غاوراف ن. (16 أغسطس/آب 2021). "التحكم في تمعدن ثاني أكسيد الكربون باستخدام المواد الصلبة القلوية الطبيعية والصناعية في الظروف المحيطة". مجلة ACS للكيمياء والهندسة المستدامة . 9 (32): 10727-10739 . Bibcode : 2021ASCE....910727L . doi : 10.1021/acssuschemeng.1c00838 . OSTI 1858885. S2CID 238670674 .  
  38. 1 2 إيتلر، فويتش؛ كيرتشاك، ياكوب (2021-08-04)، "الفصل 6: الأثر البيئي لجزيئات الخبث" ، الخبث المعدني ، الكيمياء في البيئة، ص 174-193 ، doi : 10.1039/9781839164576-00174 ، ISBN  978-1-78801-887-6، S2CID 238952198 ، تم استرجاعه بتاريخ 27-11-2021 
  39. 1 2 إيتلر، فويتتش؛ Vítková، Martina (2021-08-04)، “الفصل 5: خصائص ترشيح الخبث وإطلاق الملوثات” ، الخبث المعدني ، الكيمياء في البيئة، الصفحات من 151 إلى 173، دوى : 10.1039/9781839164576-00151 ، ISBN  978-1-78801-887-6، S2CID 238945892 ، تم استرجاعه بتاريخ 27-11-2021 
  40. 1 2 رودكاب، جورج س.؛ كيلي، والتون ر.؛ بيثكي، كريج م. (2005). "الكيمياء الجيولوجية للمياه الجوفية شديدة القلوية (الأس الهيدروجيني > 12) في طبقات المياه الجوفية المملوءة بالخبث". المياه الجوفية . 43 (6): 806-816 . Bibcode : 2005GrWat..43..806R . doi : 10.1111/j.1745-6584.2005.00060.x . ISSN 0017-467X . PMID 16324002. S2CID 12325820 .   

للمزيد من القراءة

  • ديميتروفا، إس. في. (1996). "امتصاص المعادن على خبث أفران الصهر". بحوث المياه . 30 (1): 228-232 . Bibcode : 1996WatRe..30..228D . doi : 10.1016/0043-1354(95)00104-S .
  • روي، د.م. (1982). "الترطيب، والبنية، وخصائص أسمنت خبث أفران الصهر، والملاط، والخرسانة". وقائع مجلة معهد الخرسانة الأمريكي . 79 (6).
  • فريديريتشي، سي.؛ زانوتو، إي دي؛ زيمات، إي سي (2000). "آلية التبلور وخصائص زجاج خبث الفرن العالي". مجلة المواد الصلبة غير المتبلورة . 273 ( 1-3 ): 64-75 . Bibcode : 2000JNCS..273...64F . doi : 10.1016/S0022-3093(00)00145-9 .