АКПР завершила исследование российского рынка шлаков, виды и процессы образования

Металлургия традиционно является одним из главных "поставщиков" техногенного сырья для промышленности строительных материалов. Особенность ее многотоннажных отходов заключается в том, что техногенное сырье уже прошло высокотемпературную обработку, кристаллические структуры в отходах сформированы, и они не содержат органических примесей.

Техногенные продукты металлургического комплекса следует разделять на отходы черной и цветной металлургии и отходы сталеплавильного производства. Наибольшее применение получили доменные шлаки черной металлургии.

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.

Характеристика и состав шлаков

Шлаки — это искусственные силикаты. Они состоят из окислов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, марганца, серы и других. Эти же окислы содержатся в природных глубинных горных породах. В зависимости от количественного соотношения окислов, а также от условий и скорости охлаждения шлаковых расплавов шлаки могут иметь свойства гранита или вулканической пемзы. И по цвету шлаки близки к горным породам. Они могут быть иссиня-черными, снежно-белыми, зелеными, желтыми, розовыми, серыми. Нередко они имеют серебристые, перламутровые и сиреневые оттенки. Шлаки могут быть плотными и пористыми, тяжелыми, как базальт, и легкими как туф или ракушечник. Плотность шлака колеблется от 3200кг/м3 до 800 кг/м³.

Удельный вес шлака, т.е. вес его вещества, близок к весу природных каменных материалов и составляет 2,5-3,6г/см³.

По химическому составу доменные шлаки делятся на основные, нейтральные и кислые. К основным относятся шлаки с модулем основности (М=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)), больше единицы, к кислым меньше единицы.

Примерный химический состав доменных шлаков следующий:

SiO2 — 30-40%, CaO — 30-50%, Al2O3 — 4-20%, MnO — 0,5-2%, FeO — 0,1-2%, SO3 — 0,4-2,5%

Основные шлаки позволяют удалять из металла вредные примеси — серу, фосфор, поэтому основной сталеплавильный процесс получил наибольшее распространение. Минералогический состав металлургических шлаков характеризуется наличием соединений с более низкой основностью, чем минералы портландцементного клинкера: меллилит Cа2AlSiO7-Ca2Mg(Si2O7), ларнит β-Ca2SiO4, ранкинит Ca3Si2O7, псевдоволластонит α-CaSiO3, анортит Ca2Al2(Si2O8), монтичеллит CaMgSiO4, диоксид CaMg(SiO3)2. Соотношение тех или иных минералов определяется не только химическим составом шлаков, но и условиями их охлаждения. Например, гранулированные шлаки состоят главным образом из стекла с кристаллическими включениями ларнита, меллилита. В отвальных шлаках преобладают кристаллы ларнита, ранкинита, псевдоволластонита, меллилита, а в высокоглиноземистых кислых — анортита, при повышенных содержаниях MgO — морвинита Ca3Mg(Si2O8), монтичеллита, диоксида.

При производстве литейного чугуна в вагранках образуются в основном кислые шлаки, т.е. с большим содержанием кремнезема чем окисей кальция и магния. При медленном охлаждении в кислых шлаках выделяются минералы — пироксены, анортиты, мелилиты, рудные минералы; в них присутствует также алюмокремнеземистое стекло.

Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием, их удельная масса по сравнению со шлаками черной металлургии, если считать на единицу выплавленного металла, значительно больше. Если при выплавке чугуна и стали образуется 0,2--1 т шлака на 1 т металла, то при выплавке никеля его количество достигает 150 т, меди не менее 10-30 т.

Кроме оксидов кремния, алюминия, кальция, магния, железа и марганца в шлаках содержится значительное количество таких ценных компонентов, как медь, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы.

В связи со специфическим составом шлаков цветной металлургии общим перспективным направлением в решении проблемы их использования является принцип комплексной переработки, включающий три основные стадии: 1) предварительное извлечение цветных и редких металлов; 2) выделение железа; 3) использование силикатного остатка шлака для производства строительных материалов. Однако, как показывает практика, чаще всего переработка шлака заканчивается первой или второй стадией.

По аналогии с металлургическими топливные шлаки так же можно классифицировать на кислые, нейтральные и основные. Большинство топливных шлаков относится к классу кислых или нейтральных. Шлаки каменных углей отечественных месторождений большей частью являются кислыми. К основным шлакам, содержащим повышенное количество закиси железа и до 40 % СаО, относятся шлаки некоторых бурых углей и сланцев.

Автор:

Аналитический портал химической промышленности и индустрии пластиков

NEWCHEMISTRY — аналитический портал, посвященный прогрессу в промышленных химических технологиях, а также индустрии пластиков.