تتمثل العوامل الدافعة لإزالة الكبريت من الحديد المصهور في صناعة الصلب في التوجهات البيئية والمادية. ويتطلب هدف الاستدامة الذي وضعته الهيئات البيئية خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من عمليات صناعة الصلب. وسيؤدي ذلك إلى الاعتماد على خردة المعادن، التي عادةً ما تحتوي على مستويات أعلى من الشوائب مثل الكبريت والفوسفور.
سيزداد الطلب على إزالة الكبريت عند استخدام خردة المعادن كمادة خام، مما يقودنا إلى السؤال الرئيسي: ما هو عامل إزالة الكبريت المناسب؟كربيد الكالسيومهل يُعدّ المغنيسيوم أو الجير الخيار الأقل تكلفةً إجمالاً؟ يتطلب التحليل دراسة تفاعلات كربيد الكالسيوم والمغنيسيوم والجير مع الكبريت والشوائب الأخرى في الفولاذ. ولا تُعدّ مقارنة أسعار التكلفة وحدها الطريقة الأمثل لتقييم جدواها الاقتصادية.
تستكشف هذه المقالة آليات وعمليات إزالة الكبريت، مع مقارنة بين المواد الكيميائية المتاحة لتحسين الفولاذ. كما سنستعرض بيانات أداء كل مادة. وأخيرًا، سنجري تحليلًا شاملًا للتكلفة. فلنبدأ بالأساسيات.
لماذا نزيل الكبريت من الفولاذ؟
يؤدي وجود الكبريت في الفولاذ إلى تغيير خصائصه الفيزيائية. وهو شوائب في الفولاذ، وعند إزالته ينتج عنه "فولاذ نظيف". وتشمل المشاكل التي قد تحدث: هشاشة الفولاذ عند درجات الحرارة العالية، وضعف قابلية اللحام، وانخفاض مقاومة التآكل، وانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت.2تنتج الانبعاثات عن الكبريت الموجود في الفولاذ. لذلك، يمكننا استخدام آليات ومواد كيميائية مختلفة لإزالة هذا العنصر غير المرغوب فيه.
آليات إزالة الكبريت وتكوينات العمليات
مبدأ إزالة الكبريت
هدفنا هو ضمان إزالة الكبريت بكفاءة من المعدن المنصهر، والذي تتراوح نسبته عادةً بين 0.02% و0.06% من الوزن. تؤدي إضافة المواد الكيميائية إلى تجمع الشوائب في الأعلى على شكل خبث، والذي يمكن إزالته بسهولة، أو ترك الخليط على شكل غاز.
تتمثل المعايير الرئيسية التي يجب مراعاتها في عملية إزالة الكبريت في النسبة المئوية المُزالة (الكفاءة)، وسعة الكبريتيد، وانتقال الكتلة بين الكاشف والمعدن. لكل نوع من أنواع الخبث سعة كبريتيد مختلفة، وهي قدرة الخبث على الاحتفاظ بالكبريت. أما سرعة حركة الكبريت الذاتية فهي معدل انتشاره، والذي يبلغ حوالي 1.2 × 10-8م2/s عند 1350 درجة مئوية.
التفاعلات الكيميائية
الجير (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
يتفاعل الجير مع الكبريت لتكوين كبريتيد الكالسيوم وإطلاق الأكسجين. ومع ذلك، فإن العملية بطيئة بسبب طبقة مباشرة (على سبيل المثال، 2CaO.SiO₂)2تتشكل طبقة من مادة كثيفة، مما يعيق استمرار التفاعل. ولا توجد أي فوائد جانبية لإضافة الجير إلى المعدن المنصهر.
لجنة مكافحة الفساد2+ [S] → CaS + 2[C]
عند تفاعل كربيد الكالسيوم مع الكبريت، يتكون كبريتيد الكالسيوم، المشابه للجير. إلا أنه ينتج الكربون الذي يشكل طبقة من الجرافيت حول الجسيم. تحد هذه العملية من الانتشار، ولكن يمكن التحكم بها من خلال ضبط حجم الجسيمات. ومن فوائد كربيد الكالسيوم الجانبية الحرارة التي يطلقها، والتي تساعد في الحفاظ على درجة حرارة المعدن المنصهر.
المغنيسيوم (Mg)
Mg + [S] → MgS (صلب)
يُعدّ التفاعل بين المغنيسيوم والكبريت أسرع بكثير من التفاعلين الآخرين. يتبخر المغنيسيوم عند التفاعل في درجة حرارة 1090 درجة مئوية، بينما تتشكل نوى مركبات الكبريت في الحالة الغازية. يُضيف هذا التفاعل حرارةً إلى المعدن المنصهر ويُقلل من إنتاج الخبث.
بيانات الأداء والكفاءة
●المغنيسيوم (Mg):يوفر أعلى كفاءة، حيث يزيل من 85% إلى 95% من الكبريت في أقل من 5 دقائق.
●كربيد الكالسيوم (CaC2): جزيئات كربيد الكالسيوميمكن تحقيق نسبة إزالة تتراوح بين 65 و90%. ومع ذلك، تتأثر النتائج بحجم الجسيمات. فاستخدام جسيمات بحجم 11.8 ميكرومتر يمكن أن يرفع نسبة الإزالة إلى 90%.
●لايم (KR):أقل كفاءة، حيث يتم إزالة 50-70% خلال 10-20 دقيقة.
تبقى جزيئات الكاشف على اتصال بالمعدن لفترة وجيزة جدًا - حوالي 0.4 ثانية - عند حقنها كغبار في المعدن المنصهر باستخدام أنبوب حقن مغمور. أما في حالة إضافة كربيد الكالسيوم بحجم 2-10 مم، فتزداد المدة إلى 20-40 ثانية. وللمقارنة، سنعتبر شكل الغبار هو الشكل السائد في جميع الحالات. تبلغ نسبة الاختراق (β)، التي تُشير إلى عمق حقن الكاشف، عادةً 23-29%.
عمليات إزالة الكبريت
●مفاعل كانبارا (KR)
يستخدم هذا الأسلوب الجير مع محرك دوار بسرعة 100 دورة في الدقيقة للخلط (لمدة 10-20 دقيقة). ينتج عنه كمية كبيرة من الخبث، ولكنه يتميز بانخفاض تكلفة المواد الكيميائية. تُضبط العملية بدقة لضمان قاعدية الخليط والحد من فقدان الحديد الناتج عن فقدان المواد الصلبة.
●حقن المغنيسيوم الأحادي (MMI)
تم حقن حبيبات المغنيسيوم (في أقل من 5 دقائق). يتميز التفاعل بالسرعة نظرًا لدرجة حرارة 1090 درجة مئوية (للبخار). ينتج عن العملية برمتها كمية قليلة من الخبث. أما العيب الرئيسي لتقنية حقن المغنيسيوم فهو إعادة الفلكنة، أي إعادة امتصاص الكبريت في المعدن المنصهر.
●الحقن المشترك
تعتمد هذه العملية على مزيج من المغنيسيوم والجير. يكون المزيج على شكل مسحوق، ويُحقن في المعدن المنصهر باستخدام غاز خامل، مثل النيتروجين، لتعزيز عملية المزج. يُحسّن الغاز عملية المزج عن طريق تكوين فقاعات.
●حقن مشترك في مغرفة توربيدو
مغرفة الطوربيد هي مغرفة نقل تحمل المعدن المنصهر من الفرن العالي إلى مصنع الصلب. تستخدم هذه المغرفة مزيجًا من كربيد الكالسيوم والجير لحقنه مع المعدن المنصهر بواسطة غاز خامل، وذلك لخلطه. تعمل هذه المغرفة على إزالة الكبريت من المعدن، ويساهم التفاعل الطارد للحرارة في خفض درجة الحرارة.
الخصائص التفصيلية للكاشف وطرق التعامل معه
فيما يلي نبذة عن المواد الكيميائية الثلاثة المستخدمة في إزالة الكبريت، مُحولة إلى نقاط:
1. خصائص الجير (CaO)
●التكلفة والاستخدام:أرخص كاشف(150 دولارًا/طن)كما أنه الوكيل الرئيسي في عملية KR.
●العيوب:يتسبب في فقدان كبير للحديد بنسبة 0.5-2.5% بسبب تكوين خبث سميك.
●الحركية:تفاعل بطيء، محدود بطبقات مثل 2CaO.SiO2.
●أداء:في حين أن نسبة 50-70% هي خط الأساس لعمليات CaO البسيطة، فإن عمليات تعدين المغرفة الحديثة والمحسّنة مثل عملية KR مع التحريك القوي والتدفق تحقق بشكل روتيني معدلات عالية لإزالة الكبريت، وغالبًا ما تزيد عن 90% من مستويات الكبريت الأولية في المعدن الساخن.
2. كربيد الكالسيوم (CaC2) حساب تعريفي
●التكلفة والاستخدام:يُستخدم في خلطات الحقن المشترك الفعالة من حيث التكلفة (380 دولارًا للطن).
●الحركية:تُحدّ عملية الإزالة بتكوّن غلاف من الجرافيت حول الجزيئات. وتكون هذه العملية فعّالة للغاية عند اختيار حجم الجزيئات المناسب. ويُعدّ حجم الجزيئات الأمثل والأكثر فعالية من حيث التكلفة هو 2-10 مم، والذي يترسب في قاع المغرفة.
●أمان:الخطر الرئيسي هو التفاعل العنيف مع الماء (ينتج عنه الأسيتيلين).
3. نسبة المغنيسيوم (Mg)
●التكلفة والاستخدام:أغلى كاشف(2270 دولارًا/طن). يستخدم لتحقيق أهداف الكبريت المنخفضة للغاية (أقل من 10 جزء في المليون) في عملية MMI.
●الحركية:أسرع وكيل، يحقق معدلات إزالة أعلى.
●خسائر:يسبب فقدانًا ضئيلاً للخَبَث/الحديد ولكنه شديد الحساسية لفقدان الكواشف بسبب الغليان.
●القيود:تنخفض الكفاءة في المعادن عالية الكربون (مثل HIsarna) لأن الجرافيت يعيق التفاعل.
|
متري
|
ليمون
|
كربيد الكالسيوم
|
المغنيسيوم
|
|
نسبة الإزالة
|
50-70
|
65-90 (90 غرامة)
|
85-95
|
|
الوقت بالدقائق
|
10-20
|
5-12
|
أقل من 5 سنوات
|
|
الخبث (كجم لكل طن)
|
10-15
|
8-12
|
أقل من 5 سنوات
|
|
نسبة الحديد المفقودة
|
2-3
|
أقل من 1
|
أقل من 1
|
|
انخفاض درجة الحرارة °م
|
25-40
|
15-25
|
يضيف حرارة
|
|
نسبة الكبريت النهائية بالأجزاء في المليون (من 400)
|
100-200
|
10-50
|
أقل من 10 سنوات
|
تحليل التكاليف
كما ذكرنا سابقًا، يتطلب تحليل المواد الكيميائية مقارنة الأسعار ومعدلات الاستهلاك وتكاليف العمليات، مثل فقد الحديد والطاقة، لكل طريقة. إن مقارنة تكلفتها الأولية فقط قد تكون مضللة. سنجري هنا تحليلًا لتكلفة الجير والمغنيسيوم وكربيد الكالسيوم في مختلف العمليات. سنستخدم تحليل التكلفة الذي استخدمه شراما، إف إن إتش (2021) في بحثه "إزالة الكبريت في صناعة الحديد والصلب في القرن الحادي والعشرين"، وسنعتمد على أحدث الأسعار حتى الربع الثالث من عام 2025. قبل المتابعة، يُرجى الاطلاع على الملاحظة التالية:
ملاحظة حول نموذج التكلفة ومصادر البيانات:
تم استخلاص أرقام الاستهلاك، وقيم فقد الحديد، وتكاليف ارتفاع درجة الحرارة، وتكاليف التآكل/النيتروجين مباشرةً من دراسة شراما، إف إن إتش (2021) بعنوان "إزالة الكبريت في صناعة الحديد والصلب في القرن الحادي والعشرين"، جامعة دلفت للتكنولوجيا. أما معظم البيانات الصناعية الواردة في هذه الأطروحة، فهي مستمدة من شركة تاتا ستيل إيمويدن (ظروف التشغيل 2017-2020).
تختلف التكاليف الفعلية في المصانع الأخرى تبعًا لتركيب المعدن المنصهر المحلي، وتصميم المعدات، وجودة المواد الكيميائية، وأجور العمال، وأسعار الطاقة. وقد تم تأكيد الترتيب النسبي (المغنيسيوم الأرخص ← حقن الكوبالت ← كربيد الكالسيوم + الجير ← الجير المُعالج بالكروماتوغرافيا الأغلى) وحجم الغرامات في العديد من مصانع الصلب المتكاملة في أوروبا وآسيا، ولكن ينبغي اعتبار الأرقام المطلقة بالدولار الأمريكي لكل طن من المعدن المنصهر مؤشرًا إرشاديًا وليس قاعدة عامة.
الأسعار (لمجموعة IMARC فقط):
●الجير: 150 دولارًا/طن متري (تقرير الجير الحي، الربع الثالث 2025)
●كربيد الكالسيوم: 380 دولارًا/طن متري (تقرير كربيد الكالسيوم، أكتوبر 2025)
●المغنيسيوم: 2270 دولارًا/طن متري (تقرير المغنيسيوم، الربع الثالث 2025)
استهلاك الكاشف من شراما (2021)، الفصل 8.4.2، 8.5.1:
|
عملية
|
الجير (كجم/طن من المعادن الثقيلة)
|
لجنة مكافحة الفساد2(كجم/طن من المعادن الثقيلة)
|
المغنيسيوم (كجم/طن من المعادن الثقيلة)
|
|
KR-Lime
|
12-15
|
—
|
—
|
|
MMI-Mg
|
—
|
—
|
0.6–0.8
|
|
الحقن المشترك (المغنيسيوم + الجير)
|
4-5
|
—
|
0.3–0.4
|
|
لجنة مكافحة الفساد2مزيج الليمون
|
4-6
|
6-8
|
—
|
عوامل الجزاء من شراما (2021):
|
عامل
|
قيمة
|
مصدر
|
|
فقدان الحديد (KR-Lime)
|
25 كجم/طن من المواد الصلبة
|
الفصل 3، صفحة 61
|
|
فقدان الحديد (أخرى)
|
8 كجم/طن من المعادن الثقيلة
|
الفصل 3، صفحة 62
|
|
انخفاض درجة الحرارة (ليمون)
|
30 درجة مئوية
|
الفصل 2، صفحة 30
|
|
انخفاض درجة الحرارة (CaC)2)
|
15 درجة مئوية
|
الفصل 2، صفحة 30
|
|
انخفاض درجة الحرارة (مغنيسيوم)
|
0 درجة مئوية صافي
|
الفصل 2، صفحة 30
|
|
سعر الحديد
|
$420/MT
|
الفصل 8، صفحة 164
|
|
تكلفة مؤقتة
|
0.045 دولار/درجة مئوية
|
الفصل 8، صفحة 165
|
|
شمال2+ ارتدِ (KR)
|
1.25 دولار/طن من الهيدروكسي ميثيل
|
الفصل 8، صفحة 165
|
|
شمال2+ ارتداء (MMI/الحقن المشترك)
|
0.55–0.80 دولار/طن من الهيدروجين
|
الفصل 8، صفحة 166
|
حساب التكلفة خطوة بخطوة (لكل طن من المواد الصلبة)
|
عملية
|
تكلفة الكواشف
|
فقدان الحديد
|
درجة حرارة
|
ارتدِ شبشبًا2
|
البيئة
|
TOTAL
|
|
KR-Lime
|
13.5 كجم × 150 دولارًا / 1000 = 2.03 دولارًا
|
25 كجم × 0.42 دولار = 10.50 دولار
|
30 درجة مئوية × 0.045 دولار = 1.35 دولار
|
1.25 دولار
|
0.25 دولار
|
15.39 دولارًا
|
|
MMI-Mg
|
0.7 كجم × 2270 دولارًا / 1000 = 1.59 دولارًا
|
8 كجم × 0.42 دولار = 3.36 دولار
|
0.00 دولار
|
0.55 دولار
|
0.15 دولار
|
5.65 دولار
|
|
حقن مشترك (مغنيسيوم + جير)
|
(4.5 كجم × 150 دولارًا + 0.35 كجم × 2270 دولارًا) / 1000 = 1.47 دولارًا
|
3.36 دولار
|
10 درجات مئوية × 0.045 دولار = 0.45 دولار
|
0.80 دولار
|
0.15 دولار
|
6.23 دولار
|
|
لجنة مكافحة الفساد2مزيج الليمون
|
(5 كجم × 150 دولارًا + 7 كجم × 380 دولارًا) / 1000 = 3.41 دولارًا
|
3.36 دولار
|
15 درجة مئوية × 0.045 دولار = 0.68 دولار
|
1.00 دولار
|
0.30 دولار
|
8.75 دولارًا
|
جدول ملخص التكاليف لعام 2025 (IMARC + Schrama فقط)
|
العملية / الوكيل
|
كاشف
|
فقدان الحديد
|
درجة حرارة
|
ارتدِ شبشبًا2
|
البيئة
|
الإجمالي (دولار/طن من التريتيوم)
|
|
KR-Lime
|
2.03 دولار
|
10.50 دولار
|
1.35 دولار
|
1.25 دولار
|
0.25 دولار
|
15.38 دولارًا
|
|
MMI-Mg
|
1.59 دولار
|
3.36 دولار
|
0.00 دولار
|
0.55 دولار
|
0.15 دولار
|
5.65 دولار
|
|
حقن مشترك (مغنيسيوم + جير)
|
1.47 دولار
|
3.36 دولار
|
0.45 دولار
|
0.80 دولار
|
0.15 دولار
|
6.23 دولار
|
|
لجنة مكافحة الفساد2مزيج الليمون (طوربيد)
|
3.41 دولار
|
3.36 دولار
|
0.68 دولار
|
1.00 دولار
|
0.30 دولار
|
8.75 دولارًا
|
توفير CHMD (مستمر)
شراما (2021)، الفصل 8، ص. 167:
"تؤدي عملية إزالة الكبريت المستمرة إلى تقليل كمية الكاشف بنسبة 10-15%، وفقدان الحديد بنسبة 50%، والتآكل بنسبة 20%."
|
عملية
|
تكلفة الدفعة
|
تكلفة CHMD
|
المدخرات
|
|
لجنة مكافحة الفساد2+ليم (طوربيد → CHMD)
|
8.75 دولارًا
|
7.44 دولار
|
-15%
|
|
حقن المغنيسيوم والجير
|
6.23 دولار
|
5.30 دولار
|
-15%
|
الحكم النهائي — IMARC + Schrama فقط
|
عامل
|
تصنيف التكلفة
|
الإجمالي (دولار/طن من التريتيوم)
|
الأفضل لـ
|
|
MMI-Mg
|
الأول
|
5.65 دولار
|
سرعة منخفضة للغاية
|
|
حقن مشترك (مغنيسيوم + جير)
|
الثاني
|
6.23 دولار
|
التكلفة والأداء المتوازنان
|
|
لجنة مكافحة الفساد2+ليم (CHMD)
|
الثالث
|
7.44 دولار
|
إزالة الفوسفور، هيسارنا، الحرارة، التدفق المستمر
|
|
لجنة مكافحة الفساد2+ليم (طوربيد)
|
الرابع
|
8.75 دولارًا
|
معدن ساخن عالي الضغط في طوربيد دفعة
|
|
KR-Lime
|
الخامس
|
15.39 دولارًا
|
فقط في حالة عدم وجود إبرة حقن
|
عملية الحقن المشترك باستخدام كربيد الكالسيوم2يوفر الجير (CHMD)، بتكلفة أولية تبلغ 380 دولارًا/طن متري، سعرًا تنافسيًا للمغنيسيوم.
الخلاصة: اتخاذ القرار الأمثل من حيث التكلفة
بعد تحليل دقيق للمواد الكيميائية الثلاث، نستنتج أن كربيد الكالسيوم والمغنيسيوم هما الأكثر فعالية من حيث التكلفة. مع ذلك، تُقدّر التكلفة الإجمالية لعامل المغنيسيوم المُعالَج بتقنية MMI بحوالي 5.65 دولار أمريكي للطن الواحد من الفولاذ. انخفاض التكلفة الأولية يجعل كربيد الكالسيوم خيارًا ممتازًا، إذ لا تزيد تكلفته عن عملية المغنيسيوم المُعالَج بتقنية MMI إلا بمقدار 1.8 إلى 3 دولارات أمريكية للطن الواحد من الفولاذ.
يُصاحب استخدام المغنيسيوم تحديات، منها انخفاض درجة غليانه (1090 درجة مئوية)، مما قد يُسبب تبخره وتصاعد الأبخرة، مُشكلاً بذلك مخاطر على السلامة. في المقابل، يُوفر استخدام كربيد الكالسيوم ميزة إضافية تتمثل في زيادة قوة الفولاذ ومنع هشاشته. كربيد الكالسيوم مادة كثيفة، وهو أكثر أمانًا وأسهل في التحكم. علاوة على ذلك، يُنتج خبثًا أقل حجمًا من خبث المغنيسيوم النقي المُستخدم كعامل مُساعد.
باستخدام كربيد الكالسيوم (CaC2يُعدّ هذا الخيار الأمثل للصناعيين، إذ يتميز بانخفاض المخاطر وتكلفة أولية منخفضة. ويُعتبر نظام الترسيب بالهيدروجين المستمر (CHMD) باستخدام مفاعلات متسلسلة هو الحل الأمثل. ومن المتوقع أن يُخفض هذا النظام تكاليف التشغيل الإجمالية بنسبة 10-15% مقارنةً بالعمليات الدفعية، وذلك بفضل انخفاض استهلاك المواد الكيميائية وتقليل فقد الحديد إلى أدنى حد (أقل من 1%).
