الجير الحي

في اختبار الإطفاء الرطب وفق EN 459-2 يُخلط 150 g من الجير مع 600 mL من الماء عند 20 °م ويُسجَّل الزمن اللازم لبلوغ 60 °م؛ هذا الزمن هو t60. الزمن بين دقيقة ودقيقتين يدل على منتج مُحرَق بلطف وعالي التفاعلية، وما يتجاوز ست دقائق يدل على منتج مُحرَق بشدة وبطيء. الاختبار بسيط لكن نتيجته حساسة للمقاس الحبيبي المُختبر — وإن لم يُذكر المقاس فالرقم غير قابل للمقارنة.

العملية هي التي تحدد أي تفاعلية هي الصحيحة. ففي نزع كبريت المعدن الساخن يملك الجير المحقون نافذة 8–15 دقيقة يجب أن يذوب خلالها، بينما زمن المكوث في وحدة إطفاء مستمرة لتحضير حليب الجير هو 10–20 دقيقة. في المقابل لا يُفضَّل المنتج المفرط التفاعلية في فرن كربيد الكالسيوم أو في الإطفاء على دفعات: فهو يسبب غليانًا مفاجئًا وتطايرًا وحملًا بخاريًا لم تُصمَّم له المعدة.

الخطأ الشائع هو اشتراط t60 وحده. فالقيمة نفسها قد ترافقها زيادة حرارية كلية مختلفة تمامًا: منتج منخفض CaO الفعّال يبدأ سريعًا ويتوقف مبكرًا وينبسط منحناه قبل بلوغ 45 K. تقييم التفاعلية يعني قراءة t60 وΔt معًا؛ واشتراط أحدهما فقط يسمح للدفعة الخاطئة بأن تبدو مطابقة تعاقديًا.

يبلغ تفكك الكالسيت اتزانه عند نحو 898 °م تحت ضغط جوي واحد، وعمليًا تعمل الأفران بين 950 و1150 °م. فإذا انخفضت الحرارة أو قصر زمن المكوث بقي في مركز الحبيبة CaCO₃ غير متفكك — أي نواة خام. وهذا يرفع الفقد بالحرق ويخفض CaO الفعّال: حمل ميت يُنقل ويُطحن ويُحاسب عليه دون أن يضيف شيئًا إلى العملية.

وعلى الطرف الآخر يقف الحرق المفرط: الحبيبة التي تبقى طويلًا عند حرارة عالية تكبر بلورات CaO فيها وينغلق نظامها المسامي فتهبط المساحة النوعية من 1–3 m²/g إلى أقل من 0.5 m²/g. والجير المحروق بشدة يتفاعل ببطء مع الماء وينتهي رواسبَ في وحدة الإطفاء. والشوائب تسرّع هذا المسار: فـ SiO₂ وAl₂O₃ في خام كربونات الكالسيوم الطبيعية تبدأ التلبيد عند حرارة أدنى وتخفض التفاعلية بقدر لا يُظهره التحليل الكيميائي.

وقد تجتمع النوى الخام والحبيبات المحروقة بإفراط في الدفعة نفسها؛ وهذا شبه حتمي حين يمر مدى واسع مثل 0–90 mm الزمن نفسه في الفرن نفسه. والنتيجة العملية بسيطة: تضييق المدى الحبيبي يضيّق نطاق التفاعلية أيضًا. فطلب 10–40 mm في المواصفة ليس مسألة مناولة فحسب، بل طلب اتساق داخل الدفعة.

CaO الكلي هو محتوى الكالسيوم العنصري المقاس بـ XRF، وهو يحسب أيضًا الكالسيوم المرتبط على شكل كربونات أو كبريتات. أما CaO الفعّال فيُحدَّد بالاستخلاص بمحلول السكروز ثم المعايرة، ويعطي الجزء القادر فعلًا على الإماهة والتفاعل. والفرق بينهما هو حرفيًا: نوى خام، وسطح متكربن، وحبيبات محروقة بشدة.

يجب أن تُحسب الجرعة دائمًا على أساس CaO الفعّال. فمنتج بـ 96% CaO كلي و88% فعّال يُستهلك بزيادة نحو 4.5% مقارنة بمنتج فعّاله 92% لأداء العمل نفسه. وإذا تساوى سعر الطن فالتكلفة الحقيقية ليست متساوية؛ ووحدة المقارنة بين الموردين ليست الطن بل طن CaO الفعّال. وفي معظم المنشآت يظهر هذا التصحيح وحده كبند مرئي في موازنة الكيماويات السنوية.

والحساب الوزني يبدأ من الرقم نفسه: 56 g/mol من CaO تتحول إلى 74 g/mol من Ca(OH)₂، أي أن 1 kg من CaO الفعّال يكافئ 1.32 kg من الجير المطفأ ويعادل 2 mol من H⁺ في التعديل. واترك هامشًا لفقد التخزين: السطح الذي يتماهى ثم يتكربن في الصومعة يفقد CaO فعّالًا عبر الأشهر، لذا يُعمل عمليًا بهامش أمان 3–5%.

الجير الكتلي (10–40 و40–90 mm) يُشحن مباشرة في أفران القوس الكهربائي والمحوّلات، ويُغذّى لوحدات الإطفاء على دفعات، وينتج أقل قدر من الغبار في المناولة السائبة. والمكسّر 0–3 mm هو التغذية القياسية لوحدات الإطفاء المستمرة وخطوط حليب الجير. أما المطحون (≥ 90% تحت 90 µm) فمكانه الحقن الجاف للمواد الماصة، ونثر التربة، وخلطات المونة الجافة.

المقاس الخاطئ يفرض غرامة بطريقتين مختلفتين. فالمادة المفرطة النعومة تسخن بسرعة كبيرة في وحدة الإطفاء وتتكتل ويتماهى سطحها الخارجي قبل وصول الماء إلى القلب — وهذا ما يسمى الاحتراق أثناء الإطفاء، ونتيجته هيدروكسيد خشن البلورات قليل المساحة. والمادة المفرطة الخشونة لا تُطفأ حتى المركز؛ فترتفع الرواسب والحبيبات غير المتفاعلة، وتذهب مادة منخولة ما تزال تحمل CaO فعّالًا إلى النفاية.

كما يحكم المقاس تصميم الصوامع والنقل. فالجير المطحون لا يجري بحرية ويكوّن جسورًا في المخروط؛ ويجب أن يدخل هواء الإمالة والمفرّغ الاهتزازي وزاوية المخروط الصحيحة في التصميم. والجير الكتلي سهل الجريان لكنه ينطفئ إذا امتص الرطوبة، ويتمدد إلى نحو ضعف حجمه مكوّنًا قشرة صلبة ملتحمة بجدار الصومعة. وفي الحالتين يبقى إبقاء فلتر تنفيس الصومعة جافًا أرخص إجراء وقائي في المصنع.

يطلق تفاعل CaO + H₂O → Ca(OH)₂ نحو 65 kJ/mol، أي 1150 kJ لكل كيلوغرام CaO. وإطفاء طن واحد يحرر 1.15 GJ — ما يكفي لرفع نحو 3.4 m³ من الماء من 20 °م إلى الغليان. ووظيفة تصميم وحدة الإطفاء الحقيقية ليست بدء التفاعل بل تصريف هذه الحرارة بشكل محكوم.

لتحضير حليب الجير تكون نسبة الماء إلى الجير عادة 3.5–5:1، ولإنتاج الهيدرات الجاف 0.4–0.6:1، بحرارة إطفاء مستهدفة 80–95 °م. وتحت هذه النسبة يحدث غليان موضعي وانطلاق بخار وهيدروكسيد خشن التبلور. أما الإطفاء البارد جدًا (تحت 40 °م) فيعطي Ca(OH)₂ خشنًا قليل المساحة يترسب سريعًا ويُبلّد منحنى التجريع — أي مزيدًا من المنتج لبلوغ pH نفسه. لذلك فحرارة الإطفاء معامل يُقاس ويُسجَّل، لا تفصيلًا يُلاحَظ.

كل إطفاء يخلّف بقايا غير متفاعلة، وهي في الجير الجيد بحدود 2–5% وتُفصل بالهيدروسيكلون أو النخل. وإذا قفزت هذه النسبة فافحص أولًا حرارة ماء الإطفاء ومعدل التغذية قبل اتهام الجير. وحليب الجير المُحضَّر في الموقع يؤدي في خطوط معالجة المياه ومياه الصرف الدور نفسه الذي يؤديه معلّق الهيدرات المشترى؛ والفرق أن نعومته تتبع ظروف الإطفاء لديك — أي أن المتغيّر يبقى في ملعبك.

في الحديد والصلب والميتالورجيا يعمل الجير مكوّنًا للخبث: يرفع قاعديته (CaO/SiO₂) إلى النطاق المعتاد 2.8–4.0 ويسحب الكبريت والفوسفور من المعدن إلى الخبث. لكن معامل توزيع الكبريت لا يعتمد على القاعدية وحدها؛ فنشاط الأكسجين في الخبث ودرجة الحرارة لا يقلان أهمية. وفي خبث مؤكسِد، تجاوز حدٍّ معين في إضافة الجير لا يخفض الكبريت بل يضخّم حجم الخبث وفقد المعدن.

وتعمل التفاعلية والمقاس هنا عبر سرعة الذوبان. فالجير المحروق بشدة يذوب متأخرًا في المحوّل فيتأخر تكوّن الخبث ويزداد التطاير وتآكل الحراريات في بداية النفخ. وفي نزع كبريت المعدن الساخن يُستخدم الجير الناعم المحقون (0–1 mm) مخلوطًا بالمغنيسيوم أو كربيد الكالسيوم وزمن التلامس يُقاس بالدقائق؛ وفي هذه العملية التفاعلية تعني الكفاءة، والكفاءة تعني استهلاك الجير.

وبند الشوائب غالبًا أكثر حسمًا من السعر. فكل نقطة إضافية من SiO₂ داخل الجير تستلزم جيرًا إضافيًا للحفاظ على هدف القاعدية؛ ونقطة مئوية واحدة تعني عدة كيلوغرامات جير إضافي لكل طن صلب وما يرافقها من خبث. كما تعني الشوائب المنخفضة خبثًا أقل وفقدًا حراريًا أقل وانجرافًا أقل للمعدن — وهنا تحديدًا يدخل اختيار الجير في تكلفة الصهرة.

في تحسين التربة وتثبيتها يعمل CaO أولًا كعامل تجفيف. فهو يربط الماء كيميائيًا في الإماهة، وتسرّع الحرارة المنطلقة التبخر، وتتغير قابلية تشغيل التربة الطينية خلال ساعات. وعمليًا يخفض 1% من CaO المحتوى المائي بنحو 0.5–1.5 نقطة؛ وبعد المطر يكون هذا الأثر الأول هو ما ينقذ برنامج الموقع غالبًا.

أما الوظيفة الثانية فأبطأ وهي التي تمنح المقاومة الفعلية. فحين يبلغ pH ماء المسام 12.4 يذوب السيليكا والألومينا من معادن الطين ويتحدان مع الكالسيوم مكوّنَين هيدرات سيليكات وألومينات الكالسيوم. وهذا الكسب البوزولاني يمتد أيامًا وأسابيع؛ ويُقيَّم الأداء بمقاومة الانضغاط غير المحصور أو CBR عند 7 و28 يومًا، أما القياس فور الخلط فمضلل. وتبدأ الجرعة بطريقة إيدز–غريم (ASTM D6276) وتستقر عادة بين 2 و5%.

وفي أعمال البنية التحتية للطرق والأسفلت تحكم النتيجةَ ثلاثة متغيرات ميدانية: نعومة الخلط، وزمن المعالجة، ونافذة الدمك. فعلى تربة معالجة بالجير ينبغي إتمام الدمك عادة خلال 2–4 ساعات من الخلط؛ والتأخير يكلّف كثافة الدمك. وحيث يتجاوز محتوى الكبريتات 0.3% لا ينبغي اتخاذ قرار الجير دون تأكيد مخبري، بسبب تكوّن الإترينجيت والانتفاخ الناتج عنه.

في معالجة غازات المداخن نادرًا ما يلتقي الجير الحي بالغازات الحمضية مباشرة. فالمساران الشائعان: تغذية CaO إلى وحدة إماهة في الموقع لتحويله إلى Ca(OH)₂ وحقنه كمادة ماصة جافة، أو إطفاؤه إلى حليب جير يُرذَّذ في تيار الغاز داخل ماص شبه جاف. وفي كلا المسارين ما تخزنه المنشأة وتنقله هو CaO — مادة فعّالة أكثر لكل طن وحجم تخزين أصغر.

والكفاءة تحددها مساحة المادة الماصة لا كيمياؤها. ففي الحقن الجاف يلتقط هيدرات بمساحة نوعية 20–40 m²/g نحو 70–90% من SO₂ عند نسبة مولية Ca/S بين 2 و3؛ أما الهيدرات منخفض المساحة فيحتاج نسبة أعلى بوضوح للنتيجة نفسها. وفي الماص شبه الجاف يسرّع بخار الماء التفاعل فتنزل Ca/S إلى 1.2–1.6، لكن تصبح حرارة الاقتراب — الفارق 10–20 K المتبقي حتى التشبع الأدياباتي — هي المعامل الحرج.

ويدخل تركيب الغاز الحمضي في الاختيار أيضًا. فـ HCl وHF يُلتقطان بسهولة أوضح من SO₂؛ فحيث يسود HCl تتحقق كفاءة عالية حتى عند Ca/S منخفضة، وحيث يسود SO₂ تتقدم جودة المادة الماصة وحرارة المفاعل. ويجب أن يكون التجريع محكومًا بالتغذية الراجعة من قياس المدخنة لا ثابتًا: فعند تغيّر الحمل تتجاوز الجرعة الثابتة الحد أو تهدر المادة الماصة وتنتج مخلفات زائدة.