كتب الخبث في فرن البوتقة

يظل الخبث المنصهر يخترق ويتوغل في طوب البطانة الحرارية حتى يحدث أحد أمرين:

• يتجمد هذا الخبث بعد توغله إلى مسافة معينة في جسم الطوبة هذا التجمد يكون نتيجة انخفاض درجة الحرارة بعد قطع هذه المسافة.
• يتفاعل هذا الخبث مع بعض مكونات الطوبة بحيث تتكون نواتج صلبة تقوم بغلق مسام الطوبة وبالتالي تحد من هذا التوغل في باقي البطاقة الحرارية وهذا هو بالفعل ما يحدث في حالة طوب الدولوما (مع الخبث المعالج بالسيليكون فقط Silicon Killed Slag أما في حالة الخبث المعالج بالألومينيوم فلا يحدث

فيه هذا التفاعل).

والشكل السابق يوضح التفاعل الحادث بين طوب الدولوما وطبقة الخبث (المعالج بالسيليكا) الملامسة لسطح الطوبة الخارجي ويتضح من الشكل تكون السيليكات C2S والتي تكون ذات درجة انصهار عالية (أكبر من 2000 درجة مئوية) أي أن هذه السيليكات صعبة الانصهار في مدى درجة حرارة تشغيل فرن القوس الكهربي أو فرن البوتقة والتي لا تزيد غالباً عن 1650 درجة مئوية. وبالتالي تشكل هذه السيليكات طبقة حماية متجمدة على سطح طوبة الدولوما تحول دون المزيد من التآكل في البطانة الحرارية إلا إذا تغيرت ظروف هذا التفاعل مرة أخرى لسبب من الأسباب (كتغير مدى درجة الحرارة أو مشاركة عناصر ومركبات أخرى أو تغير تركيزات العناصر المشاركة في التفاعل بشكل يعيق إتمام التفاعل الخاص بتكوين هذه الطبقة من السيليكات... الخ).

المكونات الأساسية للخبث

ونحتاج إلى تكوين خليط متزن من الـ (Fluxing Oxides & Refractory Oxides) بمعنى الحصول على خبث متوازن بينهما (Balanced Slag) وذلك لتحقيق الغرضين الأساسيين ألا وهما:

• الأول: تحسين الظروف الميتالورجية لإنتاج صلب بالجودة المطلوبة.
• الثاني: حماية البطانة الحرارية.

ويقصد بالخبث المتوازن هو ذلك الخبث الذي يكون ذو درجة سيولة متوسطة كما أنه متشبع بالجير و/أو الماغنيسيا (انظر بالشكل التالي):

اسباب تكون الخبث غير المتوازن

يتكون في إحدى حالتين الأولى: أن تكون نسبة الـ Refractory Oxides عالية (أكبر من ضعف نسبة الـ Fluxing Oxides) وهذا يعنى أن الخبث المتكون ذو درجة لزوجة عالية جداً Crusty وأحياناً يكون صلباً أو متجمداً وهذا الخبث يكون جيد بالنسبة للحراريات ولكنه سئ بالنسبة لجودة الصلب المنتج وذلك لأنه:

• يسبب صعوبة في عملية التغذية بالإضافات في البوتقة.
• يسبب صعوبة في عملية إزالة الكبريت من المعدن.
• يصعب إزالة الخبث المتبقي في البوتقة بعد انتهاء الصب على ماكينة الصب انظر الشكل التالي:

الثانية: أن تكون نسبة الـ Fluxing Oxides عالية (أكبر من نصف نسبة الـ Refractory Oxides) وهذا يعنى أن الخبث المتكون ذو درجة سيولة عالية Watery وهذا الخبث ينتج إما بسبب زيادة كمية الفلورسبار المضاف – والذي يزيد من سيولة الخبث – أو بسبب عدم قتل الصبة من الأكسجين بشكل جيد (والذي يتم عن طريق إضافات الفيرو سبائك) هذا النوع من الخبث ضار جداً بالنسبة للحراريات نظراً لسيولته العالية وانخفاض درجة قاعديته انظر الشكل التالي:

أهمية الخبث الفوار في صناعة الصلب

عملية تكوين الخبث الفوار تعتبر أحد أهم الخطوات الخاصة بصناعة الصلب عن طريق أفران القوس الكهربي وذلك لأنه يوفر المزايا التالية:

• امتصاص الإشعاع الناشئ عن القوس الكهربي وهذا يعنى:

1. معدل وكفاءة صهر أعلى وبالتالي استهلاك طاقة أقل.
2. زمن تغيير درجة الحرارة اقل.
3. حماية أعلى لخزن التبريد والحراريات.
4. إمكانية العمل على قوس كهربي طويل لزمن أكبر.

• زيادة متوسط طاقة التشغيل Avg. Operating Power وهذا يعنى

1. استغلال أقصى طاقة ممكنة للمحول الكهربي.
2. استقرار أكبر للقوس الكهربي وبالتالي تقليل الطاقة الغير فعالة Re-Active Power.

• تقليب أسرع للمعدن والخبث وهذا يعنى

1. زيادة معدل التنقية.
2. صهر أسرع للخردة.
3. تجانس كيميائي وحراري أعلى.
4. تنقية المصهور من الهيدروجين والنيتروجين.

• تقليل الضوضاء والاهتزازات الكهربية.
• معدل استهلاك إلكترودات أقل وذلك عن طريق

1. توفير جو غنى بالـ CO.
2. تقليل التيارات الكهربية للأقواس الكهربية العالية High Arcs.

• تحسين ناتج المصهور المعدني وبالتالي رفع قيمة العائد عن طريق التخلص من نسبة عالية من أكاسيد الحديد.

مكونات الخبث الفوار

لكي يتكون الخبث الفوار يجب أن يحدث أمرين: • تفاعلات كيميائية ينتج عنها فقاعات غازية. • درجة لزوجة خبث مناسبة تسمح بحبس هذه الفقاعات في طبقة الخبث لإحداث الرغوة أو الفوران. وتنتج فقاعات الغاز عن طريق التفاعلات التالية

FeO + C → Fe + CO

O2 + 2C → 2CO

وهذه التفاعلات ينتج عنها غاز الـ CO ونتيجة لأن الخبث (فوق مشبع بنسبة من 1.5 إلى 2%) بالماغنيسيا فإنه ذو درجة لزوجة جيدة تسمح بحبس هذه الغازات، والتي تتراكم ويتزايد حجمها تحت طبقة الخبث حتى تتكون الرغوة Foam أو الفوران فالخبث الرغوي هو جلخ يحتوى على نسبة مرتفعة من الـCO CaO, FeO,.

العوامل التي تؤثر في خصائص الخبث الفوار

الخبث الفوار أو الرغوي عبارة عن فقاعات صغيرة غير مستقرة من غاز الـ CO تدخل في طبقة الخبث وكلما زادت نسبة حجوم الغازات المحبوسة داخل الخبث فإن قابليته للفوران تصبح أعلى ويسمى في هذه الحالة (خبث فوار Foamy Slag) وفي هذه الحالة تتراوح نسبة هذه الغازات من 60 إلى 80% من حجم الخبث الكلي، اما إذا كانت أقل من ذلك فإننا نطلق على الخبث في هذه الحالة اسم Emulsion ويمتاز الخبث الفوار بغشاء أو طبقة قوية متماسكة بشكل أكبر بحيث تجعل حركة فقاعات الغاز المحبوسة صعبة وبطيئة. إذا زادت نسبة الكربون في المعدن المنصهر عن 0.15% فإن الخبث الفوار يتكون تلقائياً نتيجة أكسدة الكربون في صورة فقاعات من غاز الـ CO أما إذا قلت نسبة الكربون عن ذلك فإننا نحتاج إلى إضافة الكربون مع الأكسجين عن طريق الحواقن لتحفيز تفاعل أكسدة الكربون. أي أن هناك نوعان من تفاعلات أكسدة الكربون للحصول على الـ CO وبالتالي لتكوين الخبث الفوار كما يلي:

• عن طريق الحواقن ويحدث في طبقة الخبث في حالة نسبة كربون اقل أو تساوى 0.15%
• عن طريق الكربون الذائب بالمصهور المعدني في حالة نسبة كربون اقل أو تساوى 0.15%

الظروف الملائمة لتكوين الخبث الفوار

• نسبة محتوى الـ FeO يجب أن تكون ما بين 10 إلى 15% ويلاحظ أنه إذا زادت نسبة الـ FeO في الخبث عن هذا المدى فإن درجة انصهاره تصير أعلى وبالتالي تزداد درجة سيولته بشكل كبير وبالتالي يسبب تأثيراً سيئاً على حالة الحراريات في منطقة الخبث كما أنه إذا قلت نسبة الـ FeO في الخبث عن هذا المدى فإن قيمة العائد تصبح أقل (فالـFeO مهم في عملية إزالة الفسفور).

- يفضل أن يكون التركيب الكيميائي للخبث كما يلي:

• FeO من 20 % إلى 35 %
• CaO من 30 % إلى 40 %
• SiO2 من 15 % إلى 18 %
• MgO من 7 % إلى 10 %
• Al2O3 من 5 % إلى 10 %
• MnO من 4 % إلى 9 %

- يفضل أن يميل الخبث إلى القاعدية بحيث يكون نسبة مجموع الأكاسيد القاعدية إلى الأكاسيد الحامضية (الضعف) على الأقل وهذه النسبة تسمى (القاعدية Basicity) بحيث تتراوح قيمتها ما بين 1.8 إلى 2.2 فزيادة القاعدية عن 2.2 يعنى زيادة لزوجة الخبث بشكل كبير وبالتالي تقييد حركة الفقاعات الغازية خلال طبقة الخبث وهذا يفقدها دورها ونقص القاعدية عن 1.8 يزيد من سيولة الخبث ويزيد من حامضيته وبالتالي يضر بحراريات الفرن كما أنه يسهل هروب فقاعات الغاز من طبقة الخبث ويفقدها أيضاً دورها. - يفضل أن تكون درجة حرارة الخبث ما بين 1580 وحتى 1600 مئوية فزيادتها عن 1600 تزيد من سيولته ونقصها عن 1580 تزيد من لزوجته. - يفضل أن يكون محتوى الكربون من 0.1% حتى 0.15% ويمكن التحكم في هذه النسبة أثناء إضافة الكوك. - يفضل أن يكون اختراق الأكسجين جيداً في طبقة الخبث والمصهور المعدني. - يفضل المحافظة على نسبة الأكسجين إلى الكربون أثناء الحقن عند (0.6:1). الخبث في فرن البوتقة: في فرن البوتقة (انظر واسمع جيداً) فخبث البوتقة يشارك ويؤثر في عمليات فرن البوتقة التالية: 1. ضبط التركيب الكيميائي فالإضافات لا يمكنها اختراق الخبث المتجمد الصلب. 2. ضبط درجة الحرارة ففي حالة الخبث السائل يكون الفقد الحراري أسرع. 3. عمليات اختزال الخبث والمعدن فطبيعة الخبث تحدد درجة عائد إضافات الفيروسبائك. 4. تنقية المعدن من الشوائب فالخبث الجيد Creamy يمتص الكبريت والشوائب أو المتخللات الأخرى الذائبة بصورة أفضل من الخبث السائل Watery. 5. حماية الحراريات فالخبث السائل يحمي من تأثير القوس الكهربي ويحفز من تكوين طبقة حامية على سطح البطانة الحرارية Slag Coating.