خبث (كيمياء)

خَبَث المعادن (بفتح الخاء) هوسماد فسفوري ينتج عند صهر حديد الزهر بفرن التحويل لتحضير الصلب، فتتحد الشوائب الفسفورية بالحديد مع البطانة القاعدية للفرن المذكور، وتطفوعلي سطح الحديد المنصهر ثم تفصل جسماً مسامياً له لون داكن. والخبث سماد قلوي يفيد التربة الحامضة أوالمتعادلة، وفائدته محدودة في غير هذه التربات. ويختلف هجريب الخبث، ويسمي أيضا "فوسفات توماس" نسبة إلى أحد مبتكري بطانة الفرن، وبوجه عام يحتوي السماد علىعشرة إلي 25% من خامس أكسيد الفسفور على صورة فوسفات الكالسيوم الرباعية التي تذوب في الماء بعسر وبطء شديدين، إلي جانب أكاسيد المغنيسيوم والسيليكون والحديد.

الخـَبـَث (slag) حدثة عامة تستخدم للدلالة على عدد كبير من المركبات البسيطة والمعقدة، قد تكون محاليل لأكاسيد نابعة من مصادر مختلفة، أوكبريتيدات نابعة من شحنة الأفران أوالوقود، وفي بعض الحالات يتكون الخبث من هاليدات مثل فلوريد الكالسيوم، الذي يضاف أحياناً كصَهُور (مساعد صهر). ويكون الخبث عادة طور منفصل عن الفلز المنصهر بسبب عدم امتزاجه، وكثافته المنخفضة (بين ثلاثة و4) مقارنة ب 5,5 للمخلوط الكبريتيدي و7,8 جم/سم³ للحديد أوالصُلب (الفولاذ).

وتلعب الأخْبَاث دور غاية في الأهمية في عمليات استخلاص الفلزات بالطرق الحرارية. فهي تقوم بوظائف كيميائية وفيزيائية عديدة، تتفاوت بين استقبال الشوائب المعدنية والمواد غير المُختَزَلة مثل الأكاسيد في الاستخلاص الأولى، إلى تخزين المتفاعلات الكيميائية، وامتصاص الشوائب المستخلَصة في عمليات تنقية الفلزات. ويقي الخبث أيضاً الفلز المنصهر والمخلوط الكبريتيدي من الأكسدة، ويقلل من فقد الحرارة. وفي أفران الصهارة الكهربائية يستخدم الخبث كمقاومة تسخين (تسخين بالمقاومة الكهربائية). وللاستفادة من هذه الوظائف يجب حتى يتمتع الخبث بخصائص طبيعية محددة، مثل نقطة الانصهار واللزوجة، وخصائص كيميائية مثل القاعدية وجهد التأكسد وخصائص ديناميكية حرارية معينة. وتعتمد القيم الحقيقية لهذه الخصائص على اختلاف بُنْيَة الخبث وهجريبه الكيميائ.

بنية الأكاسيد النقية

تعتمد بُنْيَة الأكاسيد على أبعاد جميع من الكاتيونات والأنيونات وعلى نوع الروابط بينها. وكما هومعلوم فإن معظم الأخباث هي سليكات.

تأثير أبعاد الأيونات على البنية

تتميز الأكاسيد الجامدة ببنية بسيطة نسبياً، حيث تُحاط الكاتيونات الفلزية بأنيونات الأكسجين في شبكة بلورية ثلاثية الابعاد. ووفقاً للقانون الأول ل"بولينج" يجب حتى يُحاط جميع كاتيون بأكبر عدد من أنيونات الأكسجين في بنية كثيفة الرَّص (الترصيص). ويسمى هذا العدد من الأنيونات بعدد التنسيق، ويعتمد فقط على أحجام وشحنات الكاتيونات والأنيونات. وبالنسبة لترتيب العناصر في الجدول الدوري، تزداد أقطار الذرات من أعلى إلى أسفل في العمود الواحد، وتقل من اليسار إلى اليمين في الصف الأفقي (مع زيادة العدد الذري). أما الأيونات، فتعتمد أقطارها على أقطار ذراتها وعلى شحنتها، ولذلك فأقطار الأنيونات أكبر بكثير من أقطار الكاتيونات. وقطر أيون Cu2+ الذي فقد إلكترونين أصغر من قطر أيون Cu1+ الذي فقد أيون واحد.

أقطار الكاتيونات والأنيونات (أنجستروم)
كاتيونات	Ca²⁺	Mn²⁺	Fe²⁺	Mg²⁺	Fe³⁺	Al³⁺	Si⁴⁺
كاتيونات	0,93	0,80	0,75	0,65	0,60	0,5	0,41
أنيونات	O2-	S2-	F-
أنيونات	1,40	1,84	1,36

هناك كذلك قيمة حديّة لنسبة نق_ك/نق_أ (أي نصف قطر الكاتيون إلى نصف قطر الأنيون)، لأي بُنية بلورية مستقرة، وتعتمد هذه النسبة على هندسة الشكل الفراغي للبنية البلورية. يبين الجدول الآتي هذه النسب الحدية:

البنية	عدد التنسيق	نق_ك / نق_أ	أمثلة
مكعبية	8	1 – 0,732
ثمانية الأسطح	6	0,732 – 0,414	CaO، MgO، MnO، FeO
رباعية الأسطح	4	0,414 – 0,225	SiO₂، P₂O₅
مثلثية	3	0,225 – 0,155

وقد رسخ القانون الثاني لِبولينج (Pauling's) حتى المسافة بين كاتيونين متجاورين يجب حتى تصل إلى منتهاها(حدها الأقصى) ، لأنهما متنافران. ولذلك تتلاصق رباعيات الأسطح عند نقاط رُؤسِها، مكونة هجريب سداسي في الأبعاد الثلاثة. وفي بنية السليكا ترتبط ذرة السيليكون مع أربع ذرات أكسجين، وكل ذرة أكسجين ترتبط بذرتين من السيليكون، مما يجعل صيغتها (SiO2)n أوSiO2.

وأثناء الصهر تتهدم الشبكة البلورية للأكاسيد، وتتكسر الروابط بين الأيونات بعمل الإثارة الحرارية في الطور السائل. وفي هذه الظروف تظل الكاتيونات محاطة بالأنيونات، ولكن في صورة أقل جسوءة. وقد يتغير عدد التنسيق بسبب ما كهذا السبب. وعندما تكون الروابط بين الكاتيونات والأنيونات قوية جداً، كما في حالة السليكا، تظل الشبكة البلورية الثُمانية الأسطح دون تغيير أثناء الصهر. وبزيادة درجة الحرارة عن هذا الحد، تتكسر الوصلات في ثمانُ الأسطُح تُكسر مضطرداً. وفي بداية هذه العملية، توجد أيونات معقدة ضخمة مثل (Si9O21)6- وعدد قليل من Si4+.

وبمرور الوقت وزيادة درجة الحرارة، يقل حجم الأيونات المعقدة مع تهدم الوصلات بين وحدات الشبكة البلورية. وفي درجة عالية جداً، سينفصل جميع ثمانِ أسطح عن الآخرين، وسيكون هناك عدد متساوٍ من الأنيونات (SiO4)4- والكاتيونات Si4+. وأثناء ذلك يتم التحويل من السليكا الجامدة إلى سائل لزج خلال عدة مراحل بدون نقطة انصهار محددة.

(ب) قوى الترابط بين الفلز والأكسجين

يوجد نوعان من الترابط في البلورات: التكافؤ الكهربائي (الأيونى) والتساهمى (إسهامى). وفي ترابط التكافؤ الكهربائي ينتقل إلكترون أوأكثر من ذرة الفلز إلى الأكسجين، مُحَوِّلَة إياه إلى كاتيون والأكسجين إلى أنيون O2-. وتزداد قوة الترابط بين الكاتيونات والأنيونات – وتسمى قوة كولوم – بزيادة الشحنات على جميع من الكاتيون والأنيون، وبنقص المسافة بين الأيونات المتنوعة الشحنة.

F = 2ze2/(Ra +Rc)2

حيث Rc وRa هي أنصاف أقطار الكاتيون (نقك) والأنيون (نقأ)، على الترتيب، وze هي الشحنة.عناصر العمود الأول من الجدول الدورى (الفلزات القلوية) لها شحنات قليلة وحجم أيونات أكبر مقارنة بالعناصر الموجودة في الأعمدة التالية. ولذلك ستكون قوى ترابط التكافؤ الكهربائي بينها وبين الأكسجين صغيرة نسبياً. يوضح جدول ثلاثة النسبة لعدد من الأكاسيد، وقيمتها متناسبة مع قوى التجاذب بين الأيونات، كما يتضح من المعادلة السابقة.

أنواع الترابط وقوى التجاذب بين الكاتيونات وأنيون O2-
أكسيد	z/(Rc+Ra)²،(أنجستروم)-2	نسبة الترابط الأيونية	رقم التنسيق (للجامد)	رقم التنسيق (للسائل)	صفة الأكسيد
Na2O	0,18	0,65	6	6 إلى 8	مُكسرات الشبكة أوأكاسيد قاعدية
BaO	0,27	0,65	8	8 إلى 12
SrO	0,32	0,61	8
CaO	0,35	0,61	6
MnO	0,42	0,47	6	6إلى 8
FeO	0,44	0,38	6	6
ZnO	0,44	0,44	6
MgO	0,48	0,54	6
BeO	0,69	0,44	4
Cr2O3	0,72	0,41	4		أكاسيد مُتَقَلِّبَة
Fe2O3	0,75	0,36	4
Al2O3	0,83	0,44	6	4 إلى 6
TiO2	0,93	0,41	4
SiO2	1,22	0,36	4	4	مُشَكِلات الشبكة أوأكاسيد حمضية
P2O5	1,66	0,28	4	4

أما العناصر الموجودة في وسط الجدول الدورى فلا تكتسب أوتفقد إلكترونات، ولذلك فترابطها مع الأكسجينقد يكون في أغلبه ترابط تساهمى (إسهامى)، حيث يتشارك العنصران في إلكتروناتيهما الخارجية. وقوى التجاذب بين الأيونات المكونة للجزيء تساهمى كبيرة جداً. ولذلك تلزم حرارة كبيرة لهدم مثل هذا الترابط. وفي الواقع لا يوجد ترابط أيونى أوتساهمى نقى في الأكاسيد الموجودة في الخبث، ولكن توجد دائماً نسبة معينة من كليهما.

وتقل نسبة الترابط الأيونى (التكافؤ الكهربائى) في الأكسيد بالانتنطق من أكسيد الصوديوم إلى أكسيد الفوسفور (جدول 3).وهذه النسبة هي مقياس لميل الأكسيد للتفكك إلى أيونات بسيطة في الحالة السائلة. وفي المجموعة الأخيرة من جدول ثلاثةقد يكون الترابط في أكثره تساهمياً،

وجزء التكافؤ الكهربائى منه قوى جداً، لأن الكاتيون صغير ويحمل شحنة كبيرة. ولذلك فالترابط في هذه الجزيئات قوى جداً. وفي الخبث تميل هذه الأكاسيد إلى تكوين شبكة سداسية مستقرة، ولذلك تسمى مُشَكِلات الشبكة أوالأكاسيد الحمضية.

أما أعضاء المجموعة الأولى من الأكاسيد في جدول 3، فعند تسخينها أوإضافتها إلى الخبث السائل فإنها تكون أيونات بسيطة مثل Ca2+ وO2-، ولذلك تسمى مُكَسِرات الشبكة، لأنها تهدم الشبكة السداسية للسليكا بالتفاعل معها، وكلها أكاسيد قاعدية. ويجب الانتباه إلى أنه عندماقد يكون للفلز تكافؤان، فإنه يستطيع حتىقد يكون أكسيدين،

ويكون الكاتيون ذوالتكافؤ الأدنى أكبر حجماً، ومن ثم فإن ترابط الأكسجين والفلز في هذه الحالةقد يكون في أغلبه ترابط تكافؤ كهربائى، ولذلك فإن هذا الأكسيدقد يكون أكثر قاعدية من الآخر المحتوى على أيون فلزى ذوتكافؤ أعلى. وبناءً على ذلك، فإن Fe2O3 أكسيداً حمضياً وFeO قاعدياًُ. والمغنتيت Fe3O4 ينتج من تفاعل الأكسيد القاعدى FeO والأكسيد الحمضى Fe2O3.

بنية الخبث

وكما رأينا فإن معظم الأخباث هي سليكات، وعند إضافة أكسيد قاعدى إلى الشبكة السداسية للسليكا، فإنهقد يكون أيونيم بسيطين، مثل حالة CaO الذيقد يكون:

(CaO) = (Ca²⁺) + (O²)

ومن ثم فهويقدم أيون O2- إلى البنية ثلاثية الأبعاد ل Si-O فيُكَسِّرَها وفقاً للشكل التوضيحى الأتى:

وحدثا زادت نسبة الأكاسيد القاعدية حدثا زاد عدد الوصلات المهدمة في الشبكة السداسية للسليكا. وبعكس السليكا، فإن انصهار هذه السليكات يتم عامة في نقطة انصهار محددة، لا يصحبها مدى لزوجة كبير. وبارتفاع درجة الحرارة، تختفى البنية الجامدة للسليكات نهائياً.

خصائص الأخباث

الموصلية الكهربائية والحرارية

السليكا المنصهرة موصل كهربائى ضعيف، ولكن مع إضافة صهور مثل CaO أوبالأخص FeO وMnO، ترتفع الموصلية الكهربائية للخبث ارتفاعاً كبيراً عن موصلية الأكاسيد النقية. ويمكن تفسير هذه الزيادة على أنها نتيجة لتكوين الأيونات، أي حتى السليكا مُذيب مُؤَيِّن. ومن ثم يمكن استعمال الموصلية الكهربائية لقياس مدى التأين في الخبث. لا تعتمد الموصلية الكهربائية للخبث فقط على الأيونات الموجودة، ولكن أيضاً على سهولة حركتها (تَنَقُلِيَّتها)، التي هي دالة في حجم الأيونات ولزوجة الخبث. والموصلية الكهربائية أعلى في الحالة السائلة عنها في الحالة الصلبة، وتزداد مع زيادة درجة الحرارة. أما الموصلية الحرارية للأخباث فهى منخفضة جداً في العموم.

لزوجة الخبث

تعتمد لزوجة الخبث على عاملين أساسيين هما الهجريب ودرجة الحرارة. فتنخفض لزوجة الخبث مع ازدياد درجة الحرارة، ويوصف هذا الانخفاض بدالة أسية (لوغاريتمية) كما في المعادلة الآتية:

حيث A ثابت، وE هي طاقة تنشيط السريان اللزج للخبث، وتعتمد على الهجريب. لا تنخفض لزوجة السليكا كثيراً مع ازدياد درجة الحرارة، مما يشير إلى حتى طاقة التنشيط للسريان اللزج مرتفعة. وتنخفض قيمة هذه الطاقة بسرعة مع إضافة صهور مثل أكسيد قاعدي، لأنه – كما أسلفنا – يكسر الروابط بين ثمانيات أسطح السليكا. والكميات الصغيرة من الصهور (أقل من 15%) لها تأثير كبير جداً في خفض طاقة التنشيط، ويزداد هذا التأثير مع قلة قوى الترابط بين الأنيون والكاتيون في الصهور، أي حدثا كان الترابط أكثر أيونيةً وحدثا صغر حجم الأيونات. وهذا يفسر القدرة العالية لصهورات أكسيد الصوديوم وفلوريد الكالسيوم على لزوجة السليكا والخبث الحمضى. وبالمثل فكما تقوم الأكاسيد القاعدية بدور الصهور للأخباث الحمضية تقوم السليكا بدور الصهور للأخباث القاعدية.

وأدنى لزوجة يمكن الحصول عليها توجد عند معامل قاعدية () يساوي 1,35. والخبث المتمثل في هذا الهجريب له أدنى نقطة انصهار مقارنة بأي خبث آخر. يقوم الحجر الفلوري (الفلورسبار) أوفلوريد الكالسيوم بدور الصهور لكل الأخباث الحمضية والقاعدية، ولكن تأثيره أوضح في الأخباث القاعدية. وفي الممارسة الصناعية، ينطق للخبث "خبث طويل" عند انخفاض لزوجته ببطئ مع ازدياد درجة الحرارة، و"خبث قصير" عندما تنخفض لزوجته بسرعة مع ازدياد درجة الحرارة. وعلى هذا المقياس، فالأخباث الحمضية طويلة والقاعدية قصيرة.

قاعدية الخبث

تحسب قاعدية الخبث عملياً من أوزان الأكاسيد في الخبث وفقاً للعلاقة العامة الأتية:

ولا تؤخذ الأكاسيد المتقلبة مثل Al2O3 في حساب قاعدية الأخباث.

الخبث في الصلب

إن وجود جسيمات ألومينا (أكسيد ألومنيوم) جامدة في الصلب – ناتجة عن زأكجة الصلب (إزالة الأكسجين منه) باستخدام الألومنيوم – أمر غير مرغوب فيه لسبيبن: لأن تراكم الألومينا الجامدة على فوهة المغرفة يمكن حتى يؤدى إلى انسدادها وإعاقة سريان الفلز المنصهر أثناء الصب المستمر، ولأن وجود تضمنات الألومينا في الصلب تقلل من عمر الكلال لمنتجات الصلب. لأن السطح البينى بين الصلب وتضمنات الألومينا الصلدة هوموضع لنشوء شروخ الكلال، وقد عثر حتى خفض نسبة الأكسجين في الصلب (موجود في تضمنات الألومنيوم)، من 20 إلى 3-6 جزء في المليون، يزيد عمر الكلال بمقدار 30 مرة.

وعند استخدام الكالسيوم مع الألومنيوم لزأكجة الصلب، فإن ناتج الزأكجة قد يحدث Al2O3 أوCaO، أوأى من أطوار ألومينات الكالسيوم المتوسطة، ويتحدد الطور الناتج من النسبة بين الفاعلية الديناميكية الحرارية لكل من الكالسيوم والألومنيوم في الحديد. ويوضح شكل 1 علاقات محسوبة للأكاسيد المستقرة، بناءً على هجريزات جميع من الألومنيوم والكالسيوم في الحديد عند 1550^هم.

ويتضح من شكل 1 أنه في الحديد المحتوى على 0,01 % ألومنيوم فإن طور CaO.2Al2O3 الجامد يصبح هوالأكسيد المستقر عند هجريز كالسيوم بين 16 و24 جزء في المليون. وأن زيادة هجريز الكالسيوم عن 24 جزء في المليون تؤدى إلى استقرار ألومينات كالسيوم سائلة، يتراوح هجريبها بين CaO.Al2O3 وCaO. ويصبح CaO الجامد هوالأكسيد المستقر عندما يزداد هجريز الكالسيوم إلى 1100 جزء في المليون. وقد عثر حتى تكوين نواتج الزأكجة كاملة في الصورة السائلة، عادة ماقد يكون مصحوباً بنقص شديد في نسبة الأكسجين الذائب في الصلب (ما بين 42 – 73%). ولذلك أجريت محاولات لتكوين نواتج زأكجة سائلة (خبث) أثناء تنقية الصلب في المغرفة (البَودَقة) لما في ذلك من فائدة تكنولوجية عند الصب المستمر وتأثير حسن على خصائص الصُلب المنتج.

إن زأكجة الصلب بالسليكون والكالسيوم مشابة لاستخدام الألومنيوم والكالسيوم. فيوجد في مجموعة CaO-SiO2 مدى من الهجريبات الكيميائية يتمركز حول CaO.SiO2، يتكون فيه أكسيد سائل (سليكات كالسيوم) في درجة حرارة أكبر من 1544هم. إلا حتى سليكات الكالسيوم السائلة تتكون عند فاعلية (هجريز) كالسيوم منخفضة كثيراًً عن تلك المطلوبة لتكوين ألومينات الكالسيوم السائلة، ولذلك فإن حدود هجريزات الكالسيوم المضافة للصلب المزأكج بالسليكون أصغر من تلك المطلوبة للصلب المزأكج بالألومنيوم. أما زأكجة الصلب بالكالسيوم في وجود جميع من السليكون والألومنيوم، فيمكن حتى يكوِّن نواتج زأكجة سائلة من سليكات الكالسيوم الألومينية، وعند درجات حرارة أعلى من 1550^هم، تكون معظم الأطوار في المنطقة الوسطى من مجموعة CaO-Al2O3-SiO2 سائلة.

وعند وجود كبريت في الحديد، فإن إضافة الكالسيوم قد تؤدى لتكوين CaS، وهوأمر مرغوب فيه لإزالة الكبريت من الصلب (الزَكْبَتَة). وتتحدد إمكانية تكوين CaS بقيم الفاعليات الديناميكية الحرارية للكالسيوم والكبريت. وعند هجريز كبريت بين 0,005 و0,04% في الحديد، فإن محتوى الكالسيوم اللازم لتكوين CaS يقع في نفس المدى اللازم لتكوين أكسيد سائل (خبث سائل) في الحديد المحتوى على أكسجين وكالسيوم وألومنيوم؛ ويقع في المدى اللازم لتكوين سليكات كالسيوم جامدة في الحديد المحتوى على على أكسجين وكالسيوم وسليكون. وتتحدد إمكانية وجود جميع من الأكسيد والكبريتيد في اتزان معاً بكميات الأكسجين والكالسيوم والألومنيوم والكبريت.

وتتم زكبتة الحديد كما يلى: بعد زأكجة الحديد بالألومنيوم أوالسليكون، يضاف الكالسيوم ببطئ للمحافظة على الاتزان، فيؤدى ذلك إلى تكوين CaO، مما يحمل من قاعدية ناتج الزأكجة، ويؤدى إلى امتصاص الكبريت إليه من المصهور بدلاً من الأكسجين. وعند وصول فاعلية (هجريز) الكالسيوم إلى القيمة المطلوبة لتكوين CaS، فإن CaS الجامد سيترسب مع الأكسيد، فينخفض بشدة هجريز الكبريت في الحديد. وقد لوحظ من دراسة الفوهات المسدودة أثناء سريان الصلب المزأكج بالكالسيوم والسليكون، والمزأكج بالكالسيوم والألومنيوم والسليكون، لوحظ أنها تحتوى على ترسبات ضخمة من CaS مع كميات من سليكات كالسيوم وسليكات كالسيوم ألومينية، على الترتيب. مما يعنى حتى زكبتة الصلب تتم آنية مع زأكجته، وهذا يتناقض مع الاعتقاد السائد بأن الزأكجة تسبق الزكبتة في عملية تنقية الصلب.

استخدامات الخبث

يمثل التخلص من الخبث عند إنتاجه بكميات ضخمة معضلة كبيرة، يمكن تداركها إذا استخدم كمادة خام في صناعات أخرى، أوإذا وجدت له استخدامات مباشرة في التشييد والزراعة. وبالإضافة إلى ذلك فإن استخدام الخبث يحافظ على الموارد الطبيعية للمواد الخام، ويجنبنا المشكلات البيئية التي قد تنتج عن التخلص من كميات كبيرة من النفايات، ولهذه الحلول قيمة اقتصادية عظيمة لما توفره من تكاليف التخلص من الخبث. نتناول في الفقرات القادمة الاستخدامات المتوفرة لكل نوع من الأخباث.

خبث الفرن العالى

الخبث الناتج من الفرن العالى أثناء استخلاص الحديد Blast Furnace Slag، يُنتج بكميات ضخمة ويُستغل بدرجة أكبر من أى خبث آخر. يحتوى هذا الخبث على سليكا وألومينا مصدرهما خامة الحديد، متحدة مع أكاسيد كالسيوم ومغنسيوم مصدرها الصهور المستخدم أثناء الاستخلاص. يخرج الخبث من الفرن سائلاً عند درجة حرارة 1500 ^هم تقريباً، كما هومبين في شكل 2. ويمكن إنتاجه في ثلاث صور بتغيير كيفية التبريد.

خبث الفرن العالى المبرد في الهواء Air Cooled Blast Furnace Slag. ويُنتج بالسماح للخبث المنصهر بالتجمد في الظروف الجوية السائدة. وهوغالباً متبلور، ذوبنية شبكية (على شكل خلايا) أوفَجَويّة، بها فجوات ناشئة عن فقاعات الغازات التي كانت ذائبة فيه قبل التجمد. وبعد التكسير والغَربَلة إلى الأحجام المطلوبة، يستخدم الخبث كحصى وكتل مُكسَّرَة في الكثير من التطبيقات. واستخداماته الرئيسية في التشييد للردم (رُكام) في أساسات الطرق، وكرُكام في الخلائط القارية (البيتومينية)، ويستخدم في خرسانة الأسمنت البورتلاندى، ولكبح السكك الحديدية (رضراض للسكة الحديد)، ورُكام تسقيف، وأوساط ترشيح في محطات معالجة مياه المجارى. ويستخدم أيضاً مادة خام في تصنيع الصوف المعدنى والأسمنت البورتلاندي والزجاج ومكيفاً للتربة لمعادلة الحامضية، ولإمداد التربة بعناصر تساعد على نموالنباتات.

خبث الفرن العالى المُحَبَّب Granulated Blast Furnace Slag. ويُنتج بتَسْقِيَة (إخماد) الخبث المنصهر بسرعة، بحيث تتكون مادة زجاجية (غير متبلورة) بها القليل من التبلور المعدنى. والأسلوب الأكثر شيوعاً هوالتسقية في الماء، ويمكن استعمال الهواء أومزيج منه مع الماء. ويحتوى زجاج الخبث على الأكاسيد الرئيسية في الأسمنت البورتلاندى، ولكن بنسب مختلفة من الجير والسليكا. وله خواص هيدرولية ممتازة، ويَشُك (يَجْمُد) بنفس طريقة الأسمنت البورتلاندى عند اتحاده بمُنشِّط مناسب مثل هيدروكسيد الكالسيوم.

ومن ثم، فالاستخدام الرئيسى للخبث المحبب هوكمادة أسمنتية. وتستخدم الأخباث المطحونة طحناً ناعماً في أسمنتات متنوعة، وتخلط في الأكثر مع الأسمنت البورتلاندى. وتمتاز هذه الأسمنتات بمقاومة محسنة لماء البحر والكبريتيات. ومن التطبيقات الأخرى لهذه الأخباث تثبيت التربة والأساسات، وصناعة الزجاج، ومادة تجيير زراعية (معالجة بالجير لمعادلة الحامضية)، وإنتاج كلنكرات الأسمنت البورتلاندى.

خبث مُمَدَد أومُرَغَّى Expanded or Foamed Blast Furnace Slag. ويُنتج بمعالجة خبث الفرن العالى المُنصهر بكمية محدودة من الماء، أقل من تلك اللازمة للتحبيب. والمنتج الناتج ذوطبيعة شبكية أوفَجَوية أكثر من الخبث المبرد في الهواء، وأخف وزنا منه. وتتحدد خصائص الخبث الناتج بناءً على كمية المياه المستخدمة وأسلوب التبريد المستخدم، مما يعطى مواد تتفاوت بين الأخباث عالية التبلور فجوية البنية والمواد الزجاجية المشابهة للخبث المحبب. وقد طورت طرق متنوعة من الحفر والماكينات لخلط الماء مع الخبث المنصهر، مثل عملية التكوير pelletizing التي تكون كريات خبث عالى التزجج. والاستخدام الأكبر لهذا الخبث هورُكام في الخرسانة خفيفة الوزن، ووحدات البناء المتميزة بخصائص عزل ومقاومة للحريق ممتازة. وتضم الاستخدامات الأخرى صناعة حشوالبناء خفيف الوزن، وتستخدم المواد الأكثر زجاجية للأسمنتات الخبثية. وقد أصبح استخدام خبث الفرن العالى مساوياً لإنتاجه في معظم البلدان الصناعية. وقد جعلت التطبيقات الكثيرة لأنواعه المتنوعة المتنوعة، جعلته مادة قيمة ومورد مفيد جداً بدلاً من مجرد نفاية.

خبث صناعة الصلب

أخباث صناعة الصلب Steel Making Slags هي منتجات جانبية لمعالجة الحديد للحصول على نوع ورتبة مرغوبة من الصلب، ويتم ذلك في أفران مثل أفران المجامر المكشوفة والأفران الأكسجينية القاعدية والكهربائية. وتتكون أخباث صناعة الصلب في المقام الأول من سليكات الكالسيوم وفريتات الألومنيوم مع أكاسيد منصهرة للكالسيوم والحديد والمغنسيوم والمنجنيز. وتحتوى بعض الأخباث على أكاسيد حرة للكالسيوم والمغنسيوم، قد تتميه مصحوبة بزيادات كبيرة في الحجم. ويعاد استخدام كميات كبيرة من أخباث صناعة الصلب في الأفران حيث تُمثِّل مصدراَ للحديد والمواد الصهورة. ولأنها زُكام معدنى عالى الجودة، يستخدم الكثير منها في كبح السكك الحديد والرصف القارى للطرق (السفلتة)، وفي الطرق غير المرصوفة للأساسات والجوانب، وللتقليل النحر. وتمنع قابليتها للتمدد من استخدامها في الخرسانة والتطبيقات المقيدة بأبعاد جاسئة لا يمكن تجاوزها بسبب التمدد. واستخدامها في الأساسات والحشوفي الإنشاءات قد يحتاج إلى الاختيار بعناية، والتجهيز والتعتيق (الإزمان) قبل الاستخدام. وتضم التطبيقات الأخرى مكيفات التربة أوالأسمدة وصناعة الأسمنت. ومع حتى استخدامه ليس كاملاً مثل خبث الفرن العالى إلا حتى القسم الأكبر من خبث صناعة الصلب المنتج عالمياً يجد استخدامات مناسبة.

خبث السبائك الحديدية

إن صناعة السبائك الحديدية، مثل السليكون الحديدي (فروسليكون) والمنجنيز الحديدي (فرومنجنيز) والكروم الحديدي (فروكروم) والنيكل الحديدي (فرونيكل)، هي الأصغرمن بين الصناعات الحديدية، ولذلك فالخبث المنتج منها يستخدم في تطبيقات محلية بالقرب من مصانع إنتاجه. وخبث السليكومنجنيز (ينتج منه 1,1 كجم خبث/كجم سليكومنجنيز) ذوتكوين زجاجي، وينتج عادة في كتل ضخمة، ويمكن استخدامه للأساسات الحبيبية وللحشوكمادة مالئة. وخبث الكروم الحديدي (ينتج منه 1,5-2 كجم خبث/كجم كروم حديدي)، وهومتاح في بتر كثيفة من 10إلى 15 سم ذات سطح فَجَوِى، ويستخدم في إنشاء الطرق. وخبث النيكل الحديدي (ينتج منه 3.1 كجم خبث/كجم نيكل حديدي) يحبب في الغالب ويستخدم في الأساسات والحشو، وتجرى حديثاً تجارب لاستخدام خبث النيكل الحديدي المحبب المنتج في صناعة الأسمنت عالي الألومينا. وأخباث السليكومنجنيز والكروم الحديدي تشبه خبث الفرن العالى المبرد في الهواء، إلا أنها أثقل (1800 إلى 2000 كجم/م3). والمواد المترشحة (النُضَاضَة) من أخباث السبائك الحديدية لا تحتوي عامة على هجريزات مؤثرة من مواد سامة

خبث النحاس

يفرغ خبث النحاس عادة من الفرن عند حوالي 1100 إلى 1300^هم، ولونه بعد تجمده أسود، وله مظهر حجري أوزجاجي. ويتغير وزنه النوعي مع محتوى الحديد من منخفض 2,8 إلى مرتفع 3,8. ويمكن استعمال الكثير من الأخباث غير الحديدية مثل خبث النحاس والرصاص والنيكل بكفائة كمواد مُطِيلَة للأسمنت (بَزُّولان). وقد عثر حتى الخلائط الأسمنتية الناعمة الطحن من خبث النحاس والنيكل والأسمنت البورتلاندي يمكن حتى تستخدم كمادة رابطة لتثبيت الأساسات في إنشاء الطرق. وحتى يمكن استعمال هذه المواد لهذا الغرض لابد حتى تكون مُزجَجَة وناعمة الطحن، ولا يجب حتىقد يكون المحتوى الخبثي في المادة الرابطة عالٍ أكثر من اللازم، والأخباث المستخدمة كبزولان لابد وأن تكون منخفضة التفاعلية. وفي المناطق التي يتوفر فيها خبث النحاس، يشيع استخدامه لتثبيت السكك الحديدية. والاستخدام الرئيسي لخبث النحاس في تمهيد الطرق هواستخدامه للأساسات الحبيبية وللحشوالهندسي. وهذا يضم التكسير وتصنيف المقاسات للوصول إلى تدميج ملائم. ومثل كافة الأخباث غير الحديدية لابد من مراجعة المشكلات المحتملة للمواد المترشحة (النُضَاضَة) قبل الاستخدام.

أخباث الرصاص والرصاص-خارصين والخارصين

نظراً لأن الرصاص والخارصين متلازمان في خاماتهما ومعالجاتيهما المتالورجية فإن أخباث الرصاص والرصاص-خارصين والخارصين ستعتبر مجموعة واحدة. وأخباث هذه المجموعة سوداء أوحمراء اللون وغير متماسكة وزجاجية وحروف جسيماتها ذات زوايا حادة، وأشكالها مكعبة. ووزنها النوعي عالٍ يصل إلى 3,6. والكميات المتاحة من هذه الأخباث صغيرة نسبيا، وتستخدم كحشوفي الإنشاءات وفي الأساسات الحبيبية. ومما يحمل من تكلفة نقلها على أساس الحجم إلى المشروعات الإنشائية ازدياد وزن وحدة الحجم منها، وإنتاجها في مناطق بعيدة عن المشروعات الإنشائية. تجرى حالياً دراسات لاستخدام خبث الرصاص الثانوى المنتج في الأفران الدوارة عند تحويل كبريتات الرصاص وأكاسيده الموجودة في البطاريات المستهلكة إلى رصاص فلزى، تجرى دراسات لاستخدامه في إنتاج كتل الخرسانة.

خبث النيكل

يتكون خبث النيكل من سليكات حديد، يستخرج ويُكوَّم ويهجر ليبرد في الهواء، فيكون كلنكرات (مخلفات الحرق)، تكسر بعد ذلك وتستخدم حسب الحاجة. وزنها النوعي عالٍ نسبياً – 3,5.واستخدم هذا الخبث المنتج في "سِدبرى" بكندا لمدة تزيد عن ستين عاماً في تثبيت السكك الحديدية وأثبت كفائة عالية بحيث ينظر إليه كأفضل مادة استخدمت لهذا الغرض. فالخبث المجهز لهذا الغرض ثقيل ومتين وصلد وزاوي الشكل، ويُحشى جيداً تحت الشدادات العرضية للسكة الحديدية، مما يعطى تثبيت أفضل من المثبتات الصخرية. إلا حتى ازدياد وزنه النوعي يحمل من تكلفة نقله مقارنة بالصخر، ويحتاج لطاقة أكبر لتدميجه وفرشه تحت السكة الحديدية. يوفي هذا الخبث أويفوق المواصفات المعتادة للمثبتات الصخرية في إنشاء السكك الحديدية. الاستخدامات الأخرى لخبث النيكل تشبه استخدامات خبث النحاس، وتستهلك كمية كبيرة منه في الحشووالأساسات.

خبث الفوسفور

في معظم مصانع الفوسفور، يصب الخبث المنصهر في حفر ويهجر ليبرد في الهواء أويرش بالماء على سطحه، ثم يكسر ويستخدم مثبتاً أوكابحاً للسكك أورُكَام، وينتج كذلك محبباً ومُمَداداً. تحتوي معظم صخور الفوسفات على ما بين 30 إلى 200 جزء في المليون يورانيوم، ويخرج معظم اليورانيوم في خبث أفران الفوسفات، وقد عثر بالاختبار حتى الإشعاع الناتج منه ضئيل جداً وغير ضار. واستخدامات هذا الخبث الحالية والمتسقطة تشابه إلى حد كبير خبث الفرن العالي. وتنحصر في ركام الخرسانة ومثبتات السكك والحشووالأساسات الحبيبية والخرسانة القارية (الأسفلتية) للخبث المبرد في الهواء، وفي صناعة الأسمنت للخبث المحبب، والركام حفيف الوزن للخبث الممدد.

انظر أيضا

فرن الحث الكهربي

المصادر

L. Coudurier, D.W. Hopkins and I. Wilkomirsky, "Fundamentals of Metallurgical Processes"، Pregamon Press, Oxford, 1985, pp. 212–45.
D.W. Lewis, "Slag Utilization" Encyclopedia of Materails Sceince and Engineering, Pergamon Press, 1986, pp. 4460–61.
D.R. Gaskell, "Metal Production: Slags", Encyclopedia of Materails: Sceince and Technology, Elsevier Science, 2001, pp. 5492–95.
J.J. Emery, "Slag Utilization in Pavement Constrcution", in proceedings of "Extending Aggregate Resources", ASTM, 1982, pp. 95–118

^ "معلومات عن خبث على مسقط d-nb.info". d-nb.info. مؤرشف من الأصل في 18 ديسمبر 2019.
^ "معلومات عن خبث على مسقط psh.techlib.cz". psh.techlib.cz. مؤرشف من الأصل في 13 يوليو2019.
^ "معلومات عن خبث على مسقط jstor.org". jstor.org. مؤرشف من الأصل في 27 مايو2019.