Шлаки в строительстве

Шлаки черной металлургии могут быть сталеплавильными, мартеновскими, ваграночными и доменными. Главный представитель данного вида шлаков - доменные шлаки, которые образуются при выплавке чугуна в доменных печах. Из 1,7-2т железной руды и плавней, получается 1 тонна чугуна и 0,6-0,7 тонны шлака. Количество шлака, как попутного продукта на различных металлургических комбинатах сильно зависит от содержания в коксе серы, применяемой извести для шихтовки, а также уровня используемой технологии. Чтобы получить сталь, требуется дополнительный расход железной руды, топлива, различных горных пород, отнимающих из расплава чугуна фосфор, марганец, серу и при этом способствующих образованию мартеновских шлаков. Из 2-2,3 тонны железной руды и плавней, 1,9т топлива, 80т воды и десятков тонн воздуха получается, 1 тонна стали и 0,2-0,3 тонны шлака. В ваграночных и электропечах выход шлаков составляет 0,1-0,4 тонны на 1 тонну металла.

Шлаки цветной металлургии

Производство цветных металлов сложный, дорогой и трудоемкий процесс. Для получения 1 тонны меди, никеля, олова необходимо переработать от ста до трехсот тонн руды. Количество шлаков при выплавке 1 тонны цветного металла достигает 15-25т. 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. Шлаки цветной металлургии отличаются от шлаков черной металлургии повышенным содержанием закиси железа (до 20-40%).

Топливные шлаки (Золошлаки ТЭЦ)

Золошлаки, образуемые при сжигании топлива на ТЭЦ находят широкое использование в производстве строительных материалов. В этой связи мы не могли обойти вниманием этот продукт.

При сжигании твердого топлива из его минеральной части образуются зола и шлак, содержание которых различно для различных видов топлива. Они составляют 10-15% в бурых углях; в каменных углях - 3-40%; антраците - 2-30%; горючих сланцах — 50-80%; топливном торфе — 2-30%; дровах — 0,5-1,5%; мазуте - 0,15-0,2%.

В настоящее время на большинстве ТЭЦ топливо сжигают в пылевидном состоянии, причем температура в топочной камере достигает 1200--1600°С. При этом конгломераты различных соединений, образующихся из его минеральной части, выделяются в виде пылевидной массы. Мелкие и легкие частицы (размеры от 5 до 100 мкм), содержащиеся в золе в количестве до 80—85 %, уносятся из топок конгломератов дымовыми газами, образуя так называемую золу-унос. Более крупные частицы оседают на/под топки, оплавляются в кусковые шлаки или стекловидную массу, которую затем подвергают грануляции. Количественное соотношение между образующимися шлаками и золой-уносом различно, оно зависит от конструкции топки на ТЭЦ и ГРЭС. Так, в топках с твердым шлакоудалением в шлак обычно переходит 10—20 % всей золы топлива. В топках с жидким шлакоудалением в шлак переходит 20—40 %, а в циклонных топках — до 85— 90 % всей золы топлива. Топливные шлаки и зола-унос различаются по составу и свойствам в зависимости от вида топлива и способа его сжигания.

Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал с малым размером частиц, что позволяет использовать ее для ряда производств без дополнительного помола. Характерной особенностью золы является присутствие в ней около 5—6 % несгоревшего топлива, а также железа, в основном в закисной форме. Частицы шлака имеют размеры от 0,2 до 20—30 Мм. В топках с жидким шлакоудалением шлак получается в гранулированном виде. Для него характерна стекловидная структура.

Направления использования шлаков

Несмотря на универсальность металлургических шлаков, определять области их применения можно и нужно исходя из природы шлаковых расплавов. Только тогда ценные свойства шлаков будут полностью использованы.

Высококальциевые шлаки целесообразно направлять на грануляцию. На основе гранулированных шлаков можно получать различные виды высококачественных цементов.

Из нераспадающихся доменных шлаков, менее богатых окисью кальция, следует изготавливать шлаковую пемзу, литой щебень, литые изделия и шлаковую вату. Эти же изделия можно изготавливать из шлаков, склонных к силикатному распаду, но тогда потребуются дополнительные расходы на специальные технологические приемы, предотвращающие распад шлаков.

Основные мартеновские резко охлажденные шлаки обладают повышенной химической активностью и, так же как доменные гранулированные, могут быть использованы в производстве цементов. Кислые шлаки пригодны также для производства шлаковой пемзы, литого щебня и шлаковой ваты.

Кислые сталеплавильные шлаки, благодаря содержанию большого количества закиси железа, окисей марганца, магния, кремнезема, отличаются от доменных шлаков способностью плавиться при более низких температурах. Закристаллизованные кислые шлаки, в частности ваграночные, обладают повышенной стойкостью в щелочных и кислых средах, а также при высоких температурах. Это позволяет применять их в качестве заполнителей в кислотостойких и жаростойких бетонах.

Гранулированные кислые шлаки мартеновского и ваграночного производства целесообразно использовать для получения шлакопортландцемента и других видов шлаковых цементов, применяемых в бетонных конструкциях, подверженных агрессивным воздействиям других агрессивных сред.

Основной потребитель шлаков - цементная промышленность, использующая ежегодно 20-23 млн. т. гранулированного продукта. 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 шлако-портландцемента в качестве добавки к клинкеру и при изготовлении бесклинкерных шлаковых цементов.

Технология изготовления гранулированного шлака не сложна и заключается в резком охлаждении жидкого расплавленного шлака водой или холодным воздухом. 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.

Гранулированные шлаки, являясь продуктами высокотемпературных процессов, несут в себе огромный запас тепловой и химической энергии, что делает их высокореакционными веществами, способными при небольшой дополнительной переработке превращаться в высококачественные цементы. Наиболее эффективным, дешевым является шлаковый цемент. Производство этого цемента 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 (удельная поверхность 3000-5000 см²/г). 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%.

Другим важным направлением в использовании гранулированных шлаков является применение их в производстве шлакопортландцемента. Введение шлака в состав цемента в количестве 30-50% не снижает марочной прочности портландцемента. Более того, применяя активные стекловидные шлаки, заводы изготовляют быстротвердеющие шлакопортландцементы с повышенной прочностью - до 600 кг/см².

Шлакопортландцементы находят самое широкое применение в строительной практике. 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. Изготавливают шлакопортланцементы путем совместного помола в шаровых трубных мельницах портландцементного клинкера и гранулированного шлака, количество которого зависит от марки шлакопортландцемента.

Гранулированные шлаки используют также для производства шлакощелочных цементов, которые представляют собой гидравлические вяжущие вещества, получаемые путем тонкого помола гранулированного шлака совместно с малогигроскопичным щелочным компонентом или затворением молотого шлака растворами соединений щелочных металлов: натрия, лития или калия. Щелочные компоненты вводятся в количестве 5-15% от массы шлака в пересчете на сухое вещество, в виде соединений щелочных металлов, дающих в водных растворах щелочную реакцию. Шлакощелочные цементы имеют несколько разновидностей, в зависимости от состава их алюмосиликатной составляющей: бездобавочный цемент, цемент с добавками эффузивной или интрузивной горной породы, глинистых минералов, горелых пород, щелоче- и кремнийсодержащих веществ и др. Прочность таких цементов изменяется в пределах 60-180 МПа. Активность шлакощелочных цементов с добавками эффузивных пород колеблется в пределах 40-100 МПа и зависит от их состава. Добавки кислого состава (перлитов, липаритов) и среднего (андезиты) повышают активность, а добавки основных пород (базальты, диабазы) несколько снижают ее или оставляют в тех же пределах. Введение добавок позволяет заменить до 50% шлака. Они повышают морозостойкость до 1000 циклов и более, стойкость к воздействию различных коррозионных сред. Шлаковая пемза (термозит) представляет собой ячеистый материал, получаемый в результате вспучивания расплавленного шлака при быстром его охлаждении. Вспучивание шлака осуществляется на специальных машинах центробежным способом на каскадных лотках или в бассейнах.

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. Шлаки не должны проявлять склонность к распаду и содержать больше 1,5-2,5% серы. Показателями высокого качества шлаковой пемзы являются мелкие замкнутые поры, равномерно распределенные по всей массе, прочность ячеистой массы и низкая средняя плотность. Однако дробленая пемза имеет открытую пористую поверхность, что при изготовлении бетона увеличивает водопотребность массы и расход цемента. Это несколько снижает эффективность применения шлаковой пемзы по сравнению с керамзитом. Насыпная масса термозита составляет 300-1100 кг/м3 в зависимости от размеров кусков и степени вспучивания. Щебень из термозита является хорошим заполнителем для получения легких термозитобетонов. При заливке расплавленного шлака в специальные формы можно получать изделия различного профиля и конфигурации. 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 - биостойкость, температуростойкость (600-7000С), низкий коэффициент теплопроводности (0,038-0,055 вт/м*град), высокие звукоизоляционные свойства.

При температуре 1200-14000С шлаковый расплав, вытекая через летку вагранки, раздувается струей пара в волокно и уносится в камеру осаждения, где падает на сетку

транспортера. Однако шлаковую вату целесообразно использовать не "в сыром виде", а в виде изделий. Поэтому в камере осаждения через форсунку распыляют различные связки (битумные эмульсии, фенолформальдегидные смолы и др.). Благодаря этим связкам волокно в камере осаждения представляет собой уже пропитанный шлаковый ковер, который подвергается дальнейшей тепловой обработке. Пройдя эту обработку, ковер охлаждается, и разрезается на отдельные куски, направляемые в специальные формообразующие или прессующие машины, из которых выходят готовые шлаковые изделия. 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. Шлаковатные изделия применяются для теплоизоляции горячих и холодных поверхностей, трубопроводов, для утепления стен и покрытий жилых и промышленных зданий; для звукоизоляции в зданиях с повышенным шумом. Сырьем для получения шлакоситалловых изделий являются кислые шлаки или любые другие шлаки, не склонные к силикатному распаду. В огненно жидкий шлак, поступающий с металлургического предприятия, вводят добавки, корректирующие его состав, и модификаторы - вещества, катализирующие кристаллизацию шлаков (обычно TiO2, CaF2 и P2O5). Модификаторы в тонкодисперсном состоянии ограниченно растворяются в массе стекла, и поэтому они служат центрами кристаллизации. Далее формуют изделия из расплава шлака с добавками. Важным элементом в формовании изделия является выбор правильного режима теплообработки. Шлакоситалловые изделия характеризуются высокими физико-техническими свойствами, они обладают высокой износоустойчивостью, прочностью, химической стойкостью, хорошо сопротивляются атмосферным воздействиям, не обладают токсичностью. Средняя плотность шлакоситаллов - 2500-2650 кг/м3, прочность на сжатие 500-600 МПа, а на изгиб - 90-120 МПа, рабочая температура - до 7500С, температура размягчения - до 9500С. Шлакоситаллы могут быть получены любого цвета, а по долговечности конкурировать с базальтами и гранитами. Сочетание физических и механических свойств шлакоситаллов обусловливает возможность их широкого использования в строительстве: для полов промышленных и гражданских зданий, декоративной и защитной облицовки наружных и внутренних стен, перегородок, цоколей, футеровки строительных конструкций, подверженных химической агрессии или абразивному износу, кровельных покрытий отапливаемых и неотапливаемых промышленных зданий, облицовки слоистых панелей навесных стен зданий повышенной этажности. 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.

Шлаки медной и никелевой плавок, которые мы будем рассматривать в первую очередь из шлаков цветной металлургии, как правило, по прочностным характеристикам, теплофизическим свойствам, коэффициенту износостойкости, кислотостойкости значительно превышают аналогичные показатели доменных шлаков.

С использованием вяжущего из шлаков цветной металлургии при автоклавном твердении можно получать бетоны. По физико-химическим свойствам бетоны автоклавного твердения на вяжущих из гранулированных шлаков цветной металлургии мало чем отличаются от автоклавных бетонов на клинкерных цементах и могут быть применены при изготовлении бетонных и железобетонных изделий практически всей номенклатуры.

Переработка шлаков цветной металлургии на песок и щебень после извлечения ценных металлов представляется наиболее оптимальным путем решения проблемы их утилизации, поскольку потребность в песке и щебне (гравии) очень велика и исчисляется сотнями тысяч и миллионами кубических метров.

Области применения топливной золы и шлаков так же многочисленны. Кусковой шлак используют как заполнитель для бетона в дорожном строительстве, для теплоизоляционных засыпок; золу-унос — в качестве гидравлической добавки к цементу (10— 15 %), как компонент цементной сырьевой смеси (основные золы); в качестве кремнеземистого компонента — при производстве автоклавного и безавтоклавного газобетона, легких плотных и поризированных керамзитобетонов; для производства искусственных заполнителей (аглопоритного и зольного гравия, золокерамзита); как отощающую и выгорающую добавку в производстве глиняного кирпича; в качестве кремнеземного компонента при производстве силикатного кирпича. Золошлаковые смеси находят применение в производстве местных вяжущих компонентов типа известково-зольных, цементно-зольных.

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков

Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru