الحديد والصلب والميتالورجيا

يؤدي الجير الحي (CaO) دور مكوِّن الخبث. فهو يربط كيميائيًا الشوائب الموجودة في المعدن السائل مثل السيليكون والكبريت والفوسفور وينقلها إلى الخبث. وفي الوقت نفسه، يرفع قاعدية الخبث فيضمن حماية المعدن السائل من الغلاف الجوي ووصوله إلى التركيب الكيميائي المطلوب. ولا يمكن إنتاج الصلب الحديث من دون الجير.

يختلف الاستهلاك حسب طريقة الإنتاج. ففي فرن الأكسجين القاعدي (BOF) يُستخدم عمومًا 30-50 كجم من الجير الحي لكل طن من الصلب، بينما تتراوح هذه القيمة في أفران القوس الكهربائي (EAF) بين 30-90 كجم. وعند إضافة عمليتي إزالة الكبريت من المعدن الساخن وميتالورجيا المغرفة، يمكن أن يرتفع إجمالي استهلاك الجير أكثر من ذلك.

يُعبَّر عن قاعدية الخبث بنسبة CaO إلى SiO₂ في الخبث (CaO/SiO₂)، وتُبقى عادة بين 2.5-4. فإذا كانت هذه النسبة منخفضة جدًا، لا يستطيع الكبريت والفوسفور الانتقال من المعدن إلى الخبث؛ وإذا كانت مرتفعة جدًا، يفقد الخبث سيولته فتنخفض كفاءة التفاعل ويقصر عمر الحراريات.

ينتج الفرن العالي (BF) الحديد الخام السائل عن طريق اختزال خام الحديد بفحم الكوك؛ ثم يُحوَّل إلى صلب في فرن الأكسجين القاعدي. أما فرن القوس الكهربائي (EAF) فيصهر الخردة المعدنية أو الحديد المختزل المباشر بالطاقة الكهربائية. ويوفر مسار EAF إنتاجًا أكثر مرونة وانبعاثات CO₂ مباشرة أقل في معظم الأحيان.

في عملية إزالة الكبريت من المعدن الساخن، يُحقن خليط من الجير المطحون ناعمًا أو كربيد الكالسيوم في الحديد الخام السائل عبر رمح مغمور مع غاز ناقل خامل مثل الأرجون أو النيتروجين. ولأن التفاعل محكوم بالانتشار، فكلما كان الجير أنعم وأكثر تفاعلية، ارتفعت كفاءة الإزالة.

يحتوي الجير الحي العادي في الغالب على أكسيد الكالسيوم (CaO)، بينما يحتوي الجير الحي الدولوميتي إضافة إلى ذلك على نسبة عالية من أكسيد المغنيسيوم (MgO). ويبطئ MgO تآكل البطانة الحرارية في أفران مصانع الصلب. ولهذا السبب يطيل استخدام الجير الدولوميتي عمر الفرن ويخفض تكاليف الصيانة.

يؤدي الفوسفور إلى الهشاشة الباردة عن طريق خفض متانة الصلب وقابليته للتشكيل. وفي مرحلة BOF، يربط الخبث عالي القاعدية الفوسفور على شكل فوسفات الكالسيوم (Ca₃(PO₄)₂) ويزيله من المعدن. وتعتمد كفاءة هذا التفاعل إلى حد كبير على جرعة الجير الحي وتركيب الخبث.

تتسم مياه الصرف في مصانع الصلب عمومًا بانخفاض درجة الحموضة (pH) واحتوائها على مواد صلبة عالقة ناتجة عن القشور الأكسيدية وعلى معادن ثقيلة. وبإضافة الجير المطفأ (Ca(OH)₂) تُرفع درجة الحموضة إلى النطاق 9-11؛ وفي هذا النطاق تترسب معادن مثل الحديد والزنك والكروم في صورة هيدروكسيدات. وفي الوقت نفسه، يجري التحكم في عسر الماء وتُستوفى حدود التصريف.

تُلتقط المكونات الحمضية مثل SO₂ وHCl وHF الموجودة في غازات مداخن وحدات التلبيد وأفران EAF بواسطة مواد ماصة قائمة على الجير في أنظمة الحقن الجاف للمواد الماصة (DSI) أو إزالة الكبريت شبه الجافة (SDA). ونتيجة للتفاعل، تتكون أملاح صلبة مثل كبريتات الكالسيوم وكلوريد الكالسيوم وتُحتجز في المرشحات.

لا تلغي مسارات الجيل الجديد مثل الاختزال بالهيدروجين والحديد المختزل المباشر (DRI) الحاجة إلى الجير؛ بل على العكس، تزيد الطلب على الجير عالي النقاء وعالي النشاط. فالتحكم في كيمياء الصلب وخفض الكبريت ومعالجة غازات المداخن أمور ضرورية في كل سيناريو. وقد أصبح إنتاج الجير منخفض الكربون معيار توريد حاسمًا بعد عام 2026.