Шлак

Гранулированный шлак (граншлак) получается в результате быстрого охлаждения в наполненном водой гранбассейне огнежидких доменных шлаков.

Хотя гранулированный шлак и является отходом промышленности, но он представляет основной интерес для строительной промышленности как более дешевую и намного более безвредную для окружающей среды альтернативу обычного портландцемента. Основная масса гранулированных доменных шлаков поступает в производство портландцемента с минеральными добавками (удельное содержание шлака — до 20%), шлакопортландцемента (удельное содержание шлака — до 80%), многокомпонентных цементов, содержащих клинкер, а также безклинкерных вяжущих веществ-известково-шлаковых, шлако-щелочных. Шлакосодержащие вяжущие вещества могут быть использованы в составе сухих строительных смесей пр учёте специфических свойств таких вяжущих, прежде всего, длительных сроком схватывания и замедленного твердения. Молотый доменный шлак может быть использован в качестве минерального наполнителя в составе сухих смесей.

Доменный гранулированный шлак от других техногенных отходов отличает его стеклообразное состояние. С точки зрения строительного материаловедения его можно использовать в качестве заполнителей для бетонов, бесклинкерных вяжущих, шлакощелочных бетонов, минеральной ваты, шлакоситалловых изделий, в качестве заполнителя в цементных и асфальтовых бетонах — доменный гранулированный шлак является отличным материалом для изготовления монолитно-бетонных конструкций, элементов мощения, тротуарной плитки и т.п. В шлаке присутствует около 10% пылеобразной фракции, что для заполнителя является вредной примесью, но именно в доменном гранулированном шлаке эта фракция полезна — она может выступать в качестве активной добавки к цементу, существенно повышающей прочность растворов для несущих строительных конструкций. Введение гранулированного доменного шлака в качестве активной гидравлической добавки препятствует выщелачиванию цемента и позволяет применять его в производстве бетонов, работающих под действием морских и грунтовых вод.

Доменные шлаки являются продуктами взаимодействия флюсов (карбонатов кальция и магния) с пустой породой железной руды и золой кокса. Различия в составах железных руд и кокса в разных регионах страны обусловливают соответствующие различия в составе шлаков. Металлургические заводы южных и центральных районов производят шлаки с низким содержанием А1203 (6–10%) и сравнительно высоким содержанием СаО (до 50%) и сульфидной серы (до 3–4%). В металлургии Урала и Кузнецкого бассейна, применяющей железные руды, богатые глиноземом, и малосернистый кокс, выплавляют шлаки с содержанием А1203 до 20% и сульфидной серы — до 1%. Для шлаков первой группы М0 > 1, второй — М0 < 1, что объясняет существенные различия в их гидравлической активности и других свойствах.

В общем случае основные шлаковые стекла имеют большую гидравлическую активность, чем кислые.

Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция, сущность которой заключается в резком охлаждении шлаковых расплавов водой, паром или воздухом и образовании в результате этого стекловидных зерен размером до 10 мм. Применяют два способа грануляции: мокрый и полусухой.

Мокрая грануляция заключается в резком охлаждении расплавленного шлака обычно в железобетонных резервуарах объемом до 800 м3, наполненных водой, и диспергировании его образующимся паром, а также газами, выделяющимися из расплава. Установки мокрой грануляции несложны ( 2.1), имеют высокую производительность, а выполнение технологического процесса требует небольших затрат труда. Однако шлаки мокрой грануляции имеют высокую влажность (10–30%), что приводит к смерзанию их в зимнее время, повышению стоимости транспортирования, вызывает необходимость значительных затрат тепла на их сушку.

Более эффективна полусухая грануляция, основанная на комбинированном охлаждении шлаков: сначала водой, а затем воздухом. Конечная влажность гранулированного шлака при этом достигает 4–7%.

Из многочисленных установок для полусухой грануляции наиболее прогрессивны в настоящее время гидрожелобные (2.2), которые можно сооружать как вне доменного цеха, так и непосредственно у доменной печи. В таких установках расплав первоначально поступает в приемную ванну, а затем на наклонный желоб, где охлаждается водой, подаваемой под давлением 0,7–0,8 МПа. Гранулированный шлак отбрасывается водой на расстояние до 20 м и выносится в приемник пульпы, а затем по трубопроводам поступает в систему обезвоживающих бункеров, откуда подается на склад. Гранулировать шлак полусухим способом можно также на барабанных, гидроударных установках и в грануляционных мельницах.

Максимальное содержание стеклофазы наблюдается в шлаках мокрой грануляции, полученных на бассейновых и желобных установках из сильно перегретых расплавов (температура более 1600 °С). Такие шлаки имеют и наиболее высокую химическую активность. При полусухой грануляции шлаковых расплавов происходит замедленное охлаждение расплава с соответствующим уменьшением количества стекла и химической активности. Химическую (гидравлическую) активность шлаков характеризуют количеством СаО в мг, поглощенным 1 г шлака в течение 28 сут. У гранулированных доменных шлаков она может достигать обычно около 100 мг СаО на 1 г шлака.

Способ переработки и режим охлаждения шлаков влияют на их физико-механические свойства.

Меньшая механическая прочность гранулированных шлаков по сравнению с отвальными объясняет их лучшую размалываемость. На тонкое измельчение гранулированных шлаков требуется в 1,3–1,5 раза меньше энергии, чем на измельчение отвальных шлаков.

В большинстве стран гранулируют в основном доменные шлаки. Основная масса гранулированных доменных шлаков поступает в производство шлакопортландцемента. Их применяют также для получения местных бесклинкерных вяжущих, шлакощелочных бетонов, минеральной ваты, шлакоситалловых изделий, в качестве заполнителя в цементных и асфальтовых бетонах.

Сталеплавильные шлаки характеризуются высоким модулем основности, поэтому при их охлаждении они практически полностью кристаллизируются и почти не содержат стекла. Эти шлаки не гранулируются, а сливаются в отвалы, где медленно остывают.

Мартеновские шлаки обычно содержат включение металла (1–3%), поэтому их не гранулируют, а сливают в отвалы. Для мартеновских шлаков характерна высокая основность, что способствует их полной кристаллизации. Этот вид шлаков имеет плотную или ноздреватопористую структуру.

Основные шлаки, находясь в отвалах, распадаются на куски вследствие известкового распада. Прочность мартеновских шлаков 80— 150 МПа, они выдерживают более 200 циклов испытаний на морозостойкость. Конвертерные и электроплавильные шлаки обычно содержат продукты распада. Кусковые шлаки имеют плотную структуру, среднюю плотность 3100–3400 кг/м3. Прочность при сжатии 60–130 МПа.

При плавке литейного чугуна в вагранках образуются ваграночные шлаки, модуль основности которых довольно низкий и, как правило, не превышает 0,8. В этих шлаках, как гранулированных, так и в отвальных, присутствует стекло. Из шлаков производства ферросплавов наибольший интерес представляют шлаки от выплавки феррохрома и феррованадия, имеющие высокий модуль основности (1,6–1,8), а также кислые ферромолибденовые шлаки. В основных ферросплавных шлаках преобладает ортосиликат кальция в у-модификации, и они обычно при охлаждении рассыпаются в шлаковую муку. Шлаки ферросплавов содержат остаточные количества соответствующих элементов (Сг, V, Мо и т. п.) в виде металлов, оксидов или других соединений.

Более 60% сталеплавильных шлаков составляют шлаки мартеновского производства и более 35% — конвертерного. Перерабатывается около 30% сталеплавильных шлаков, а также шлакоб ферросплавного производства, из которых получают в основном щебень, шлаковая мука используется в качестве минерального удобрения. Из шлаков производства ферросплавов для производства строительных материалов наибольший интерес представляет феррохромовый шлак, получаемый при производстве феррохрома, применяемого для раскисления и легирования стали. Этот шлак представляет собой порошкообразный материал с высокой дисперсностью, вследствие распада при полиморфном Р <— у превращения двухкальциевого силиката. Исследования показали, что использование феррохромового шлака в качестве алюмосиликатного и окрашивающего компонента сырьевой шихты позволяет получить портландцементный клинкер зеленого цвета, что существенно снижает себестоимость цветного цемента.

Из шлаков цветной металлургии наибольшее значение для строительства имеют медеплавильные и никелевые шлаки. Отвальные медеплавильные шлаки имеют черный цвет. Они не подвержены распаду. Средняя плотность шлаков составляет 3300–3800 кг/м3, водопоглощение 0,1–0,6%, предел прочности при сжатии 120–300 МПа. Никелевые шлаки обладают такими же высокими показателями физико-механических свойств, как и медные. По химическому составу они относятся к кислым. Никелевые гранулированные шлаки, несмотря на стекловатое строение, практически не обладают гидравлической активностью.

При переплавке алюминиевых сплавов получают алюминиевые (вторичные) шлаки. Химический состав их следующий: КС1 — 38— 59%, NaCJ- 11,4-34,1, СаС12 — 3,0-4,2, MgO — 6,2-7,2, А1203 −6,5–12,6, Si02 — 1,8–3,5%. Водорастворимые соединения в шлаке составляют 75–85% массы. При длительном нахождении шлаков в воде водорастворимые соединения выщелачиваются. Средняя плотность шлаков 1800–2000 кг/м3. Предел прочности их 40–45 МПа.

Используется в качестве заполнителя габионных конструкций при благоустройстве водоохраной зоны:

• для укрепления берегов рек, озёр, водохранилищ, морей;
• для выпремления русел;
• для стабилизации почвенной эрозии;
• для создания водопропускных сооружений, отстойников;
• для укрепления склонов автомобильных дорог и ж/д насыпей;
• для облицовки каналов и дамб и др.

Щебень из доменного шлака по большинству характеристик не уступает гранитному, гравийному или известковому. В настоящее время продажа доменного щебня в г. Череповец и Вологодской области проводится весьма активно, что связано главным образом с оптимальным соотношением высоких прочностных характеристик данного материала и его доступной цены.