Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ БИЗНЕСА И МЕНЕДЖМЕНТА ТЕХНОЛОГИЙ

Курсовой проект

Утилизация шлаков металлургического производства

по курсу

Организация экологически более чистого производства

Сидорович Анны Андреевны

Минск, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

• ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ
• РЕСУРСНЫЙ ЦИКЛ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
• ПЕРЕРАБОТКА ШЛАКОВ

Характеристика металлургических шлаков

Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

ШЛАК (от немецкого Schlacke) - металлургический расплав (после затвердения - камневидное или стекловидное вещество), обычно покрывающий поверхность жидкого металла. Это продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов (топлива, руды, плавней и газовой среды). Формируется из пустой породы рудных материалов, из флюсов, золы кокса и т.д.

Шлак является вторичным сырьём. Полное и комплексное применение шлака обеспечивает безотходную технологию и уменьшает загрязнение окружающей среды. В шлаковых отвалах в настоящее время накопилось свыше полумиллиарда тонн отходов, занимающих тысячи гектаров полезных земель.

При утилизации шлаков придание им необходимых потребительских свойств и их дальнейшая переработка должны рассматриваться в рамках интегрированной концепции обращения с отходами как безальтернативный вариант. Это станет возможным в случае принятия соответствующей законодательной базы, предусматривающей значительное увеличение затрат на отчуждение земель под отвалы.

В зависимости от происхождения их подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии (рисунок 1). К первым относятся доменные, сталеплавильные (мартеновские, консерваторные, электросталеплавильные), ваграночные, шлаки ферросплавов, ко вторым - медеплавильные, никелевые, свинцовые и другие. В цветной металлургии различают шлаки передельные и отвальные. Передельные шлаки, содержащие ценные металлы, направляют в один из головных процессов технологической схемы. В отвальных шлаках концентрируются оксиды металлов, не подлежащих извлечению в металлургическом переделе, а также различные примеси и остаточные небольшие количества ценных металлов, доизвлечение которых при данном уровне технологии экономически невыгодно.

Состав шлака цветной металлургии весьма разнообразен и определяется составом исходного сырья и технологией его переработки. Шлаки имеют сложный химический состав (встречается до 30 химических элементов).

Основу металлургических шлаков составляют оксиды CaO, SiO₂, MgO и Fe_xO_y. Сера в шлаках находится в виде сульфидов или сульфатов Са, Мn и Fe. В отдельных случаях шлаки содержат оксиды Ti, В, V и ряд других соединений.

Оксиды, входящие в шлак, разделяют на три группы: кислотные (SiO₂, P₂O₅, SO₂, SO₃); основные (CaO, MgO, FeO); амфотерные (Аl₂O₃). Металлургические шлаки обычно представляют сплавы основных оксидов с SiO₂, которые составляют преимущественно силикатные образования, и потому их иногда классифицируют по величине отношения числа атомов кислорода, содержащегося в SiO₂, к числу атомов кислорода, входящего в основные оксиды. Изучение свойств многокомпонентной системы представляет большие трудности, поэтому такую систему условно сводят к трех- или четырехкомпонентной.

Рисунок 1 - Классификация шлаков

шлак доменный

шлак ваграночный

шлак сталеплавильный

шлак ферросплавов

Рисунок 2 - Шлаки черной металлургии

шлак свинцовый

шлак никелевый

шлак медеплавильный

Рисунок 3 - Шлаки цветной металлургии

Ресурсный цикл металлургического производства

Средний годовой выход шлака чёрной металлургии России примерно 80 млн.т. Общий выход шлака в США около 27 млн.т., в ФРГ 16 млн.т., Франции около 16 млн.т., Великобритании около 13 млн.т. в год. Для Беларуси подобные цифры отсутствуют.

Современные предприятия черной металлургии имеют возможность перерабатывать в собственном производстве значительную часть своих отходов. Как известно, специфические особенности технологических процессов (высокие температуры и эффективность тепломассообмена, окислительно - восстановительный потенциал и т.д.) обеспечивают новые возможности ресурсосбережения. Большинство образующихся побочных продуктов может возвращаться в технологический процесс через агломерационное и доменное производство, и доля утилизации вторичных ресурсов может достигнуть 95-98%.

Утилизация и использование доменных шлаков в России составляет около 82%, сталеплавильных - около 20%. В ряде стран (ФРГ, Великобритания, Канада, США и др.) доменные шлаки утилизируются на 95-100%.

В Германии были приняты законы, согласно которым металлургические шлаки из категории отходов были переведены в разряд побочных продуктов производства. А уже в 1995 году было принято такое же решение об исключении металлургических шлаков из Европейского каталога отходов и Европейских правил обращения отходов в Европейском сообществе. Предприятия - производители шлаков, обеспечивающие исполнение установленных критериев качества, получают специальные сертификаты ассоциации контроля качества, после чего им разрешается ставить на отгрузочных документах соответствующий знак сертификации.

На базе немецкого исследовательского института металлургических шлаков в 2000 году была создана общеевропейская ассоциация шлаков «ЕВРОШЛАК», главной целью которой является разработка максимальной эффективности использования шлаков в производстве строительных материалов и в строительстве.

Основным препятствием на пути эффективного использования сталеплавильных шлаков является непостоянство химического и минералогического состава, нестабильность формирующейся структуры и, следовательно, колебания свойств выпускаемой шлаковой продукции.

Рисунок 4 - Схема металлургического производства на основе железорудного сырья

Чтобы получить 1 т железа, нужно переработать 1,8 т железной руды. А вот в процессах получения цветных металлов отходов образуется гораздо больше. Для получения 1 т меди, никеля, олова необходимо переработать от 100 до 300 т руды. Это обстоятельство объясняется тем, что цветные металлы в природе встречаются только в виде соединений, рассредоточенных в горных породах и содержание окислов меди, никеля, цинка, олова в руде не превышает 3-5%, остальное пустая порода: пирит, кварц, карбонаты и силикаты кальция и магния.

Рисунок 5 - Слив шлака

В начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения доменного шлака - продукта, полученного вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава. В 1908 году компания «Карнеги Стил» начала исследование возможных областей применения доменного шлака.

В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» - «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в производстве бетона.

К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям - производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения нового продукта. В 1918 году в США была создана Национальная Шлаковая Ассоциация. В 1919 году в США существовало 14 компаний - производителей шлака, которым принадлежало 32 завода.

Переработка шлакОВ

Шлакопереработка и утилизация металлургических шлаков получили в мире широкое распространение. На современных металлургических заводах не только утилизируются все образующиеся шлаки, но и постепенно разрабатываются и старые шлаковые отвалы. Отвалы занимают значительные площади. Переработка шлаков (и уловленной плавильной пыли) в настоящее время представляют собой самостоятельную подотрасль металлургического производства.

Утилизация шлаков сталеплавильного производства - этапы переработки и утилизации всей массы образующихся в сталеплавильном производстве шлаков являются обязательным элементом безотходной технологии. Во-первых, многочисленные шлаковые отвалы и связанные с этим отчуждения земельных угодий, образование пыли, отрицательное воздействие на воздушный и водный бассейны вредны и экологически недопустимы; во-вторых, утилизация отходов экономически выгодна.

Основными путями утилизации шлаков сталеплавильного производства являются:

1) извлечение металла;

2) получение железофлюса для вагранок и аглодоменного производства;

3) получение щебня для дорожного и промышленного строительства;

4) использование основных шлак в качестве известковых удобрений (шлаковой муки) для сельского хозяйства;

5) использование фосфорсодержащих шлаков для получения удобрений для сельского хозяйства;

6) вторичное использование конечных сталеплавильных шлаков.

Сталеплавильные шлаки условно (имея в виду их дальнейшее использование) можно разбить на несколько подгрупп:

а) шлаки, образующиеся в начальный период плавки (этот период часто называют окислительным). Эти шлак содержат большое количество оксидов железа (иногда до 40 % от общего количества шлак). Железо в шлак может быть в виде оксидов FeO и Fe₂O₃ и в виде запутавшихся корольков железа. Основность этих шлак невелика; обычно они скачиваются из агрегата после завершения начального периода плавки и могут храниться и перерабатываться отдельно;

б) шлаки, сформировавшиеся в конце плавки (конечные шлаки). Обычно эти шлак содержат несколько меньшее количество железа и имеют более высокое значение основности (CaO/SiO₂ = 2,5 - 3,5). При выплавке низкоуглеродистой стали содержание оксидов железа и в этих шлаках может быть достаточно высоким (15-20%), однако корольков железа в них значительно меньше. В дуговых печах при проведении восстановительного периода под белым или карбидным шлаком содержание оксидов железа снижается до <1 %, содержание СаО возрастает до 55-60 %. Конечные шлак можно оставлять в агрегате для использования в следующей плавке или после выпуска вновь загружать в печь;

в) шлаки, попадающие в сталеразливочный ковш с выпускаемой сталью. Эти шлак в жидком состоянии содержат незначительное количество железа. На практике часто определенное количество металла, оставшегося на днище и стенках ковша после окончания разливки стали, попадает вместе со шлаком в чаши (это так называемые скрапины). Получаемый в результате конгломерат конечного шлака и скрапин металла подвергают тщательной разделке с целью максимального извлечения железа.

В отдельных случаях переработка шлака сталеплавильного производства еще более эффективно.

1) В тех случаях, когда шлаки содержат достаточно высокие концентрации оксидов железа и марганца, они используются в качестве флюсов для ваграночного и аглодоменного производства.

2) В тех случаях, когда шлаки содержат достаточно много фосфора, они с успехом заменяют суперфосфат и широко используются в сельском хозяйстве. Шлаки, содержащие много фосфора, настолько ценны, что сама технология передела высокофосфористых чугунов построена таким образом, чтобы одновременно получить и чистую по фосфору сталь, и возможно более богатый фосфором шлаки.

3) Выскоосновные шлаки используются в сельском хозяйстве для известкования почвы.

4) При переделе руд, содержащих ванадий, одним из элементов технологии является кратковременная продувка чугуна в конвертере. Ванадий - элемент, обладающий высоким сродством к кислороду; он окисляется вместе с кремнием, титаном, марганцем в самом начале продувки. Такие чугуны перерабатываются, например, в конвертерных цехах Чусовского металлургического завода и Нижнетагильского металлургического комбината. Чтобы повысить количество ванадия в образующемся шлаке, известь в начале операции не загружают. Таким образом удается в начальный период продувки получить шлак, содержащий 16-18 % V₂O₅. Его скачивают и направляют на ферросплавные заводы для производства феррованадия или используют в чистом виде для прямого легирования стали (поскольку известь в конвертеры не загружается, ванадиевый шлак содержит очень мало фосфора и серы).

5) При переделе чугуна с повышенным содержанием марганца образуются высокомарганцевые шлаки; они могут быть использованы как добавки, повышающие содержание марганца в стали.

6) Высокоосновные конечные шлаки используются повторно. Так, например, конечные шлак конвертерного производства содержат, %: СаО 50-60, SiO₂ 13-15, FeO 10-26, и MgO 4-10. Они содержат также определенное количество извести, не успевшей за время плавки ошлаковаться. При вторичном использовании (переработке) такого шлака расход извести снижается, улучшается шлакообразование, повышается степень дефосфорации металла; высокоосновные маложелезистые конечные шлаки электроплавки используются для внепечной обработки стали (во время ее выпуска) с целью десульфурации.

7) В больших масштабах сталеплавильные шлаки используются в строительстве.

8) Следует отметить расширение использования конвертерных шлаков при выплавке чугуна и в производстве агломерата. Применение шлака сопровождается заменой им в шихте части агломерата, сырого известняка и марганцевой руды; при этом удешевляется агломерационная шихта, увеличивается производительность агломашин и повышается прочность агломерата.

9) Существенную экономию ресурсов получают при использовании жидких шлаков: а) в электросталеплавильном производстве - это практика работы на «болоте» (в результате возрастает производительность, ускоряется шлакообразование, достигается экономия флюса, снижается расход электроэнергии); б) в конвертерном производстве - при оставлении конечного шлака в печи улучшается тепловой баланс, ускоряется шлакообразование, экономится флюс, снижаются потери железа со шлака; в) в конвертерном производстве - благодаря «раздувке» шлака на поверхности футеровки после выпуска плавки возрастает стойкость футеровки, снижается расход огнеупоров.

10) Особо эффективна разработка шлаковых отвалов заводов, производящих сталь легированных и высоколегированных марок. Во многих случаях для этого не требуется использование особо сложного оборудования. В качестве примера можно привести организацию разработки отвалов на заводе «Днепроспецсталь» в Запорожье. Завод производил около 800 марок сталей разных композиций по химическому составу. При этом содержание марганца в стали отдельных марок достигало 30 %, хрома - 28, никеля - 80, ванадия - 3, молибдена - 18, вольфрама - 19, кобальта - 10, меди - 3 %. Все металлоотходы по степени легированности и химическому составу можно разделить на внутризаводские группы. На «Днепроспецстали» их более чем 450, включая 70 групп легированного лома. Для использования скрапа на прямую выплавку серийных сталей и даже на выплавку так называемой шихтовой болванки требуется обязательная тщательная рассортировка скрапа по химическому составу. Практически извлечение скрапа ведется с помощью карьерных экскаваторов, бульдозеров и автосамосвалов. Извлеченный скрап перевозят в копровый цех; его разделяют на магнитный и немагнитный. Кроме того, по габаритам (массе) скрап разделяют на негабаритный (более 10-15т), габаритный (0,5-10,0 т) и мелкий (0,25-0,5т). Отдельно складируется скрап, в котором видны сплавленные скрапины разных плавок, а также скрапины с большой долей (более 20%) неотделяемого шлака. От каждой габаритной и негабаритной скрапины отрезается проба на химико-спектральный контроль в стационарной лаборатории. По результатам контроля скрапине присваивается группа отходов по заводской технологической инструкции, ее взвешивают. С полученными данными о химическом составе, присвоенной группе отходов и массе скрапина направляется на платформах в сталеплавильный цех для использования при выплавке стали соответствующей марки. Негабаритный скрап в копровом цехе разрезают с помощью газокислородных горелок или другого оборудования. Отгрузку немагнитного скрапа ведут в лотках для удобства загрузки в бадьи или непосредственно в оборотные печные бадьи, перевозимые на лафетах в цех. Встречается также «слоеный» скрап и скрап с высоким содержанием шлака. Его переплавляют в дуговых печах на шихтовую болванку, которая служит в дальнейшем в качестве первоклассной шихты, имеющей гарантированный химический состав, точную массу и высокую плотность. Мелкий магнитный скрап, для которого затруднительно выполнить 100%-ный контроль химического состава, также используют для выплавки шихтовой болванки. В результате в 1999 г. из шлаковых отвалов было извлечено и направлено в копровый цех 19 570 т скрапа, из которых в дуговых печах за это же время переплавлено 18 370 т. При этом около 12 тыс. т составил скрап легированных сталей; большая его часть использована на прямую выплавку. Накопленный опыт позволяет существенно рационализировать способы как добычи, так и утилизации скрапа, различающегося по габаритным размерам и химическому составу.

Особенно актуальной областью является использование шлака в строительстве. За все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время.

В Беларуси на территории Налибокской пущи активно добывали и перерабатывали болотную руду. Постепенно из мелких кустарных рудней, кузниц, буд, гут, гончарных мастерских возникали крупные промышленные предприятия, расцвет которых пришёлся на вторую половину 18 - первую половину 19 в. Основание многих из них связано с именем знаменитой предпринимательницы и меценатки Ганны Радзивилл из Сангушек. На Налибокском “металлургическом комбинате” (Рудня-Клетище) в 1850-х гг. работало больше 200 рабочих, 3 доменные печи, 8 пудлинговых печей, прокатный стан, 4 литейни. Такой же масштаб имел и металлургический завод Хрептовичей в Вишневе, также работавший на болотной руде. Производство было полностью (на все 100%!!!) безотходным. Шлак и шлам использовали тут же для возведения фундаментов зданий и в качестве дорожного покрытия.

Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии. Многие металлургические заводы организовали у себя на производстве переработку шлаков и перевод их таким образом из категории отходов в категорию готовой продукции или сырья для дальнейшего использования на других предприятиях.

Рисунок 6 - Остатки шлака на дорожном покрытии и в фундаментах от производственных процессов на Налибокском “металлургическом комбинате” (Рудня-Клетище) конца 19в.

Основной способ переработки шлаков металлургии - грануляция (рисунок 7) и грохочение (рисунок 8) различными методами.

Наибольшее распространение получила переработка доменного шлака в гранулированный (граншлак), на производство которого расходуют около 50% всей массы доменного шлак. Технология изготовления гранулированного шлака не сложна и заключается в резком охлаждении жидкого расплавленного шлака водой или холодным воздухом. Из всех существующих способов грануляции в металлургии используют в основном три. шлак утилизация сталеплавильный грануляция

1) Мокрое гранулирование - При грануляции выходящий из печи шлак с температурой около 1500°С сливается в гранустановку. Гранулы образуются путем распыления потока шлака водяными струями высокого давления. В нижней части гранулятора шлак охлаждается в водяных ванных, откуда он транспортером подается на склад. На текущую струю расплавленного шлака подают струю воды, и обе струи падают в бассейн с водой. В результате расплавленное вещество (в нашем случае шлак) разбрызгивается и эти брызги затвердевают в воде в виде мелких зерен или гранул. Установки для мокрой грануляции шлака, получаемого в доменных печах на заводах, построенные в довоенное время, представляют собой бассейн, в который сливается расплавленный шлак, подвезенный в ковше непосредственно от доменной печи. В конце кислородной зоны вследствие того, что процесс приближается к адиабатному, температура близка к теоретической температуре горения. Под влиянием высокой температуры зола большинства топлив расплавляется. Углеродная поверхность не смачивается жидким шлаком, поэтому капли шлака образуют на ней небольшие шарики. Образуя более крупные капли, шлак стекает вниз навстречу потоку продуктов сгорания и воздуха и попадает в область все более низких температур. Интенсивный теплообмен с встречным сравнительно холодным потоком приводит к застыванию и грануляции шлака в нижних участках слоя. Постепенно шлак накапливается на поверхности колосникового полотна, образуя так называемую шлаковую подушку. В этой, самой нижней зоне происходит выгорание остатков углерода, поэтому ее часто называют зоной выжига шлака. Слой шлака защищает колосниковое полотно от действия теплового излучения со стороны горящих углеродных частиц, что одновременно с охлаждающим действием дутьевого воздуха обеспечивает надежную работу колосникового полотна. Быстрая грануляция шлака водой обеспечивает беспорядочное и тем самым более реакционноспособное состояние шлакового стекла. Гранулированный основной шлак представляет собой крупный пористый песок с размером зерен до 10 мм. Наиболее часто встречаются зерна размером от 0,5 до 5 мм. Объемный вес шлакового песка - 500-800 кг/м. Сточные воды, образующиеся в этом производстве при грануляции шлака, загрязнены большим количеством взвешенных веществ. Для повторного использования очищенной воды при грануляции шлака из сточных вод должны быть выделены механические примеси крупностью более 2,8 мм/с. Как правило, грубую очистку этих стоков до требуемых норм производят в отстойниках. ?Расход воды при такой грануляции шлака с гидравлическим транспортированием его по лоткам или трубопроводам на склад составляет 2,4 ж на 1 т гранулированного шлака. Для гидравлического транспортирования 1 т гранулированного шлака в отстойник на большие расстояния требуется воды до 8 ж. Безвозвратные потери воды в том и другом случаях около 1 ж на 1 т гранулированного шлака. ?Удельный расход воды при гидроударном методе грануляции шлака колеблется в пределах 1,7-3,1 л на 1 т жидкого шлака, в среднем - 2,4 ж /г. В процессе грануляции шлака 40% воды безвозвратно теряется на испарение. При получении гранул шлака по такому способу, с резким водяным охлаждением, предотвращается формирование инертных кристаллов, а образующаяся стекловидная фаза является скрытогидравлическим материалом, продукт измельчения которого обладает вяжущими свойствами.

2) Полусухое гранулирование - В желоб, по которому стекает шлак, под давлением 4-5 атм. Подается небольшое количество воды. В процессе охлаждения шлака вода превращается в пар, вспучивающий шлак. При падении в воздухе с лопастей мельницы капли шлака затвердевают. При полусухой грануляции доменного шлака на лопастном барабане расход воды составляет около 1 ж на 1 т гранулируемого шлака. Вся вода расходуется безвозвратно на испарение и впитывается шлаком.

3) Сухое гранулирование - Особенно перспективна организация сухой грануляции, при которой одновременно можно решить две задачи: усиливая охрану водного бассейна, получать нагретый воздух. Значительное количество доменных печей используют устройства воздушного охлаждения шлаков. Расплавленное вещество гранулируют под воздействием сжатого воздуха, азота или водяного пара. При этом получаемый материал вяжущими свойствами не обладает.

Рисунок 7 - Оборудование, процесс и продукты грануляции шлаков

В настоящее время разрабатываются технологии получения из шлаков абразивных материалов, отрабатываются методы сухой и мокрой грануляции жидких сталеплавильных шлаков.

Подвергать грануляции можно любые шлаки. Этот процесс шлакоемкий, т.е. из 1 т шлакового расплава получается 2-2,5 кубометров гранулированных шлаков. Целесообразнее всего резко охлаждать шлаки, богатые окисью кальция (доменные, мартеновские). Это предотвращает силикатный распад, а стекловидная структура с неупорядоченными химическими элементами обладает вяжущими свойствами.

Доменные граншлаки используют: для частичной замены природного песка в составе бетонов; как активную минеральную добавку при производстве шлако-портландцемента; как сырьевой компонент при производстве цементного клинкера; для производства шлакоблоков (товары народного потребления) и др.

а

б

Рисунок 8 - Процесс влажного (а) и сухого (б) грохочения

На крупных металлургических комбинатах России - Магнитогорском, Электросталь, Орско-Халиловском («Носта»), Челябинском («Мечел») организована разработка шлаков, включающая несколько стадий: грохочения, измельчения (преимущественно в каскадных мельницах) и магнитной сепарации. При этом возвращаются в хозяйственный оборот значительные территории. Так, в результате разработки шлакоотвала и переработки шлаков только в г.Электросталь освобождена территория около 50 тыс. м².В настоящее время доля переработки шлаков на предприятиях цветной металлургии остается на низком уровне. Большую их часть сливают или вывозят в отвалы. В этом отношении перспективны для утилизации шлаки, получаемые при выплавке никеля. Они пригодны для переработки в строительный песок, дефицит которого непрерывно возрастает. Переработка шлаков руд цветных металлов на песок и щебень после извлечения ценных металлов - наиболее перспективный и экономически выверенный путь решения проблемы их утилизации.

Для совершенствования эффективной деятельности металлургического предприятия ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» (ОЭМК) учеными Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова была разработана воздушно-сухая технология переработки шлаков, позволяющая обеспечить относительную стабильность свойств получаемой шлаковой продукции. Она обеспечивает требуемое для производства ряда строительных материалов содержание металлического железа, минимальные эксплуатационные затраты. Кроме того, воздушные условия охлаждения способствуют сохранению неустойчивой напряженной структуры, сформировавшейся на стадии силикатного распада, всех минералов шлака. Результаты лабораторных и промышленных испытаний показали принципиальную возможность и технологичность использования шлаков ОЭМК, полученных по воздушно-сухой технологии первичной переработки, для производства силикатного кирпича.

Разработанная воздушно-сухая технология переработки саморассыпающихся электросталеплавильных шлаков позволяет улучшить экологическую обстановку и снизить взрывоопасность на шлаковом участке копрового цеха. На основе таких шлаков можно получить автоклавное вяжущее путем активации шлака щелочами с минимальными энергозатратами на производство.

Сталелитейные шлаки характеризуются высоким модулем основности, при охлаждении практически полностью кристаллизируются и в них почти полностью отсутствует стекловидная фаза. Из-за наличия металла эти шлаки не гранулируются, а сливаются на шлаковые дворы или в отвалы, где медленно остывают и в последующем дробятся и измельчаются в мельницах самоизмельчения (по сухому или мокрому способу) или в трубных шаровых мельницах.

Металлургические предприятия реализуют большую часть гранулированного шлака путем самовывоза усилиями покупателя. Реже осуществляют упаковку готовой продукции.

Основная часть сталеплавильных шлаков используется в дорожном строительстве (рисунок 9) в виде щебня, что существенно снижает величину затрат, одновременно способствуя повышению качества автомобильных дорог. Шлак может применяться в дорожном строительстве для укрепления грунтов в качестве подстилающего слоя; при производстве вяжущего для асфальтобетона, огнеупоров в качестве одного из основных компонентов шахты.

Широкое применение в строительстве зданий и дорог находит также щебень из отвальных нераспадающихся шлаков. Получают такой щебень обычно прямо на шлаковых отвалах. Большие куски застывшего шлака разбивают до размеров 300-400 мм и в таком виде направляют на дробильно-сортировочную установку. Готовый щебень разных фракций (80-40; 40-20; 20-10; 10-5 мм) идет на строительные площадки или на заводы сборного железобетона.

Рисунок 9 - Применение шлака в дорожном строительстве

Неприятным моментом при использовании шлаков в дорожном строительстве бывают случаи реагирования с влагой воздуха оставшейся неошлакованной извести в шлаках. Свойства и плотность материала при этом меняются, и на дорожном покрытии образуются трещины. Распад протекает во времени (Чистый ортосиликат кальция (СаО)₂ * SiCb теоретически состоит из 65 % СаО и 35 % SiO₂. Однако состав реальных шлаков отличается от состава двухкальциевого силиката и действительная температура их распада значительно ниже 675 °С.). Существуют стандарты для предварительной оценки устойчивости структуры щебня против распада. Известны также способы предотвратить это явление, например продувкой жидкого шлака кислородсодержащим газом. При подаче кислорода двухвалентное железо Fe⁺² шлак окисляется до трехвалентного Fe⁺³ и, взаимодействуя с СаО, образует феррит кальция, который не разлагается на воздухе. Используется также прием утилизации шлака паром в закрытых емкостях в течение 2-3 ч. Обработанный таким образом шлак может быть использован в строительстве. В большинстве случаев использованию шлака в качестве строительного материала предшествует его выдержка в отвалах. Затем его измельчают и направляют на магнитную сепарацию для извлечения металла. Щебень из сталеплавильных шлаков является полноценным заменителем гранитного щебня в бетонах и железобетонах. На ряде металлургических предприятий (Новолипецком металлургическом комбинате, череповецком «Северсталь», Таганрогском металлургическом заводе и др.) создано и действует оборудование для практически 100%-ной переработки шлаков. При этом получают значительное количество щебня, шлаковой муки, фосфат-шлака, извлекают значительное количество металла. Однако пока еще в целом по стране проблема утилизации шлаков решена не полностью: многие конструктивные разработки находятся в стадии решения.

Основной потребитель шлаков - цементная промышленность (рисунок 10), использующая до 75% их объема для производства гидравлических добавок производства портландцементов, шлакопортландцементов, шлакощелочных цементов высоких классов. Немало цементных заводов расположены непосредственно около металлургических заводов. Это позволяет эффективно использовать шлаки для производства высококачественных цементов. Цемент со шлаком применяют с 1824 года. Это соединение справедливо может быть названо наиболее популярным видом цемента, нашедшим свое применение во всех сферах строительства.

Наличие скрытой тепловой энергии при неупорядоченной структуре стекла придает резко охлажденным шлакам высокую химическую активность, т.е. стремление при благоприятных условиях завершить начатое формирование структуры. Эта скрытая энергия стекловидных шлаков проявляется в его вяжущих свойствах. Молотый высококальциевый гранулированный (стекловидный) шлак при взаимодействии с водой способен твердеть, образуя прочный камень, подобно цементам. Процессы твердения могут протекать при 18-200С, но более интенсивно идут при повышенной температуре и в присутствии активизаторов - извести, гипса и т.п.

Близость химического состава доменных гранулированных шлаков к химическому составу портландцемента и стекловидное состояние, придающее им дополнительную химическую активность, предопределили использование таких шлаков главным образом при производстве шлакопортландцемента в качестве добавки к клинкеру и при изготовлении бесклинкерных шлаковых цементов.

Заслуживают также внимания шламы как побочный продукт при переработке глиноземсодержащего сырья. Они могут, по предварительным данным, использоваться для изготовления цемента. Каолиновый шлам по своему химическому составу близок к портландцементу. Нефелиновый (белитовый) шлам - побочный продукт (отходы) при производстве глинозема, на протяжении многих лет используется в промышленности строительных материалов. Промытый белитовый шлам - хорошее сырье для изготовления цемента высокой активности. Производство цемента на основе этих шламов вследствие значительного количества в них готового двухкальциевого силиката является более экономичным. Так, расход известняка сокращается на 50-60%, производительность вращающихся печей повышается на 25-30 %. В результате совместного помола нефелинового шлама с портландцементным клинкером и гипсом получают высококачественные цементы самых разнообразных классов, отвечающие требованиям государственного стандарта и техническим условиям.

Эффективность использования шлака в производстве цемента определяется его реакционной способностью, которая зависит от состава и содержания стекловидной фазы. На практике предприятие обязано контролировать химический состав сырья и шлака, и при необходимости отбраковывать некондиционный продукт или получать заданный химический состав шлака и физические характеристики, отвечающие требованиям потребителя.

Производство цемента из шлака несложно и не требует специального оборудования. Технология его изготовления сводится в основном к подсушке гранулированного шлака, дозированию составляющих и помолу их в мельницах различного типа. Тонкость помола должна быть выше чем у обычных цементов. Для активизации гранулированных шлаков к ним добавляют обычную известь: для цементов из основных доменных и мартеновских шлаков в количестве 10%, из кислых шлаков цветной металлургии, ваграночного производства - 15-20%.

Гранулированные кислые шлаки мартеновского и ваграночного производства целесообразно использовать для получения шлакопортландцемента, применяемых в бетонных конструкциях, подверженных воздействиям агрессивных сред. Для увеличения прочности материала заменяют пятую части самой мелкой фракции обычным песком и исключают из состава наиболее крупные зерна шлака. Благодаря использованию сочетаний 2-х вяжущих компонентов (цемента и извести, цемента и глины) удается существенно снизить стоимость материала. Наиболее оптимальной являются пропорция: известь - не более 1/3 и цемент - не менее 2/3 общего объема. Известковый портландцемент на основе шлака твердеет дольше цементного, однако в дальнейшем показывает более высокие показатели прочности.

Рисунок 10 - Измельчение шлама для производства цемента

Использование гранулированных шлаков в качестве заполнителей бетона дает значительную экономию. Применение шлакового щебня и песка для строительных целей позволяет получить не только экономию средств, но и также исключить использование при производстве естественных заполнителей.

Шлаковый портландцемент нашел свое активное применение при строительстве бетонных и железобетонных подводных, наземных и подземных сооружений, подверженных воздействию минерализованных и пресных вод. Особо важную роль они играют в строительстве массивных гидротехнических сооружений. Дело в том, что при твердении цемент с добавкой шлаков выделяет в 1,5-2 раза меньше тепла, чем без добавки, что предопределяет повышенную трещиностойкость бетонных массивов.

Учитывая, что в последние годы разработано высокоэффективное оборудование для размола шлаков до удельной поверхности 4000-4500 см²/г, представляется целесообразным ввод тонкомолотого шлака осуществлять преимущественно в процессе приготовления бетонов, а не в производстве цемента.

Утилизация доменных шлаков в странах Азии, Америки и Африки также развивается по пути использования их в производстве строительных материалов. Более 60% доменных шлаков гранулируется и измельчается до высокой удельной поверхности (4000-4500 см²/г) для последующего их использования при приготовлении бетонов. По данным зарубежных аналитиков производство тонкомолотых доменных шлаков в настоящее время составляет более 100 млн. тонн. При этом в большинстве случаев помол шлаков организуется при металлургических комбинатах и его стоимость составляет 75-95% от цены на цемент.

Рисунок 11 - Бетон на основе шлака устойчивее и долговечнее обычного, что позволяет использовать его при возведении массивных конструкций, подверженных влиянию агрессивных сред

Нефелиновым гранулированным шлаком можно полностью заменить природный песок в силикатной смеси при производстве кирпича, блоков и плит. От такой замены не только повышается прочность кирпича, но и улучшаются теплоизоляционные свойства материала.

Многие застройщики делают ошибку, применяя как утеплитель свежий шлак, содержащий множество вредных веществ. Стройматериал из шлака получают после процесса его тщательной обработки. Свежие шлаки складывают в штабеля и выдерживают в течение 2-3 месяцев. Такие выдержанные шлаки предохраняются от разрушения. После выдерживания и поливки дождями он освобождается от извести, соединений серы.

Одним из наиболее рентабельных видов употребления доменных шлаков является шлаковое литье. Разработана технология производства двухслойных металлошлаковых труб и отводов шлаковых плит и других изделий. Трубы предназначаются для пневмо-гидротранспортирования абразивных материалов - щебня, песка, руд, бетона и др. Замена ими стальных трубопроводов позволила на каждом километре трубопровода экономить 150 т металла.

Рисунок 12 - Продукция из шлака

Из шлаков, менее богатых окисью кальция, изготавливают шлаковую пемзу и шлаковую вату. Шлаковая пемза (термозит) представляет собой ячеистый материал, получаемый в результате вспучивания расплавленного шлака при быстром его охлаждении. Из 1 т шлака можно получить 1,5-2 кубометра шлаковой пемзы. Для вспучивания могут быть использованы любые шлаки, но лучшие результаты дают кислые, богатые кремнеземом и глиноземом. Вспучивание шлака осуществляется на специальных машинах центробежным способом на каскадных лотках или в бассейнах. Шлаки не должны проявлять склонность к распаду и содержать больше 1,5-2,5% серы.

Шлаковая вата и изделия из нее. Шлаковая вата самый легкий минеральный материал. Один кубический метр ее весит от 70 до 250 кг. Шлаковая вата обладает биостойкостью, температуростойкостью (600-7000С), имеет низкий коэффициент теплопроводности (0,038-0,055 вт/м*град), высокие звукоизоляционные свойства.

Из шлаковой ваты изготавливают войлок, жесткие маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты, рулонные гидроизоляционные материалы и многое другое. Изделия с повышенной жесткостью можно получать, применяя жидкое стекло, бентонитовую глину, трепел. Полужесткие изделия получают пропиткой ваты битумом высоких марок, фенольными и формальдегидными смолами.

Шлакоситалл - стеклокристаллический материал, получаемый при кристаллизации стекол, изготовленных на основе доменных шлаков. Он имеет плотную микрокристаллическую структуру с размером кристаллов от десятых долей микрометра до нескольких микрометров, сцементированных между собой остающейся после термообработки некристаллизационной стекловидной фазы. Шлакоситалловые изделия характеризуются высокими физико-техническими свойствами, они обладают высокой износоустойчивостью, прочностью, химической стойкостью, хорошо сопротивляются атмосферным воздействиям, не обладают токсичностью.

Шлакоситаллы по долговечности конкурировать с базальтами и гранитами. Высокая химическая стойкость и прочность обусловливают эффективность применения шлакоситалла в химической и коксохимической промышленности для футеровки аппаратуры, газоходов, емкостей для кислот и в других случаях; благодаря большой прочности на истирание его используют для футеровки бункеров, желобов, лотков, течек, а также для облицовки наклонных эстакад и других сооружений. В промышленных зданиях шлакоситалл применяют для наружной и внутренней облицовки стен, облицовки перегородок и колонн, устройства покрытий полов, особенно в зданиях с высокой влажностью и агрессивной средой.

Размещено на Allbest.ru