خبث (كيمياء)
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 أن 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 هو موضع لنشوء شروخ الكلال، وقد وجد أن 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 يكون Al2O3 أو CaO، أو أي 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 تركيزات كل من الألومنيوم والكالسيوم في الحديد عند 1550هم.
ويتضح من شكل 1 أنه في الحديد المحتوى على 0,01 % ألومنيوم فإن طور CaO.2Al2O3 الجامد يصبح هو الأكسيد المستقر عند تركيز كالسيوم بين 16 و 24 جزء في المليون. وأن زيادة تركيز الكالسيوم عن 24 جزء في المليون تؤدى إلى استقرار ألومينات كالسيوم سائلة، يتراوح تركيبها بين CaO.Al2O3 و CaO. ويصبح CaO الجامد هو الأكسيد المستقر عندما يزداد تركيز الكالسيوم إلى 1100 جزء في المليون. وقد وجد أن تكوين نواتج الزأكجة كاملة في الصورة السائلة، عادة ما 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 التركيبات الكيميائية يتمركز حول CaO.SiO2، يتكون فيه أكسيد سائل (سليكات كالسيوم) في درجة حرارة أكبر من 1544هم. إلا أن سليكات الكالسيوم السائلة تتكون عند فاعلية (تركيز) كالسيوم منخفضة كثيراًً عن تلك المطلوبة لتكوين ألومينات الكالسيوم السائلة، ولذلك فإن حدود تركيزات الكالسيوم المضافة للصلب المزأكج بالسليكون أصغر من تلك المطلوبة للصلب المزأكج بالألومنيوم. أما زأكجة الصلب بالكالسيوم في وجود كل من السليكون والألومنيوم، فيمكن أن يكوِّن نواتج زأكجة سائلة من سليكات الكالسيوم الألومينية، وعند درجات حرارة أعلى من 1550هم، تكون معظم الأطوار في المنطقة الوسطى من مجموعة CaO-Al2O3-SiO2 سائلة.
وعند وجود كبريت في الحديد، فإن إضافة الكالسيوم قد تؤدى لتكوين CaS، وهو أمر مرغوب فيه لإزالة الكبريت من الصلب (الزَكْبَتَة). وتتحدد إمكانية تكوين CaS بقيم الفاعليات الديناميكية الحرارية للكالسيوم والكبريت. وعند تركيز كبريت بين 0,005 و 0,04% 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 كل من الأكسيد والكبريتيد في اتزان معاً بكميات الأكسجين والكالسيوم والألومنيوم والكبريت.
وتتم زكبتة الحديد كما يلى: بعد زأكجة الحديد بالألومنيوم أو السليكون، يضاف الكالسيوم ببطئ للمحافظة على الاتزان، فيؤدى ذلك إلى تكوين CaO، مما يرفع من قاعدية ناتج الزأكجة، ويؤدى إلى امتصاص الكبريت إليه من المصهور بدلاً من الأكسجين. وعند وصول فاعلية (تركيز) الكالسيوم إلى القيمة المطلوبة لتكوين CaS، فإن CaS الجامد سيترسب مع الأكسيد، فينخفض بشدة تركيز 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 أن زكبتة الصلب تتم آنية مع زأكجته، وهذا يتناقض مع الاعتقاد السائد بأن الزأكجة تسبق الزكبتة في عملية تنقية الصلب.