Утилизация шлаков, золы и горелой земли

Наибольший удельный вес среди ПО занимают шлаки и зола. По характеру происхождения шлаки можно разделить на два вида -- металлургические и топливные. Металлургический шлак -- это расплав, после затвердения образующий камневидное или стекловидное вещество и покрывающий при плавильных процессах, например при выплавке стали, поверхность жидкого металла. Он состоит из специально вводимых в печь флюсов, из всплывших продуктов металлургических реакций, а также из подлежащих удалению примесей к металлу и золы топлива. В зависимости от преобладания тех или иных оксидов шлак может быть основным, нейтральным или кислым. Шлак играет важную роль в металлургических процессах: защищает покрываемый им металл от вредного воздействия газовой среды печи, усваивает всплывающие примеси и выполняет другие разнообразные физико-химические функции. Топливные шлаки — это очаговые остатки, образующиеся при сжигании твердого топлива в топках паровых котлов; а также частицы золы, спекшиеся или сплавленные в куски.

Выход металлургических шлаков очень велик и в промышленности СССР составляет от 0,4 до 0,65 т на одну тонну чугуна. Большее количество шлаков (61 % общего количества) производится на юге европейской части СССР, меньшее --на Урале (27 %), в Центре (7 %), в Сибири (5 %).

Состав металлургических шлаков сложен, в нем встречаются до 30 различных химических элементов в виде оксидов кремния, кальция, магния. В меньших количествах присутствуют оксидные соединения титана, железа, фосфора, ванадия.

Основные шлаки характеризуются высоким содержанием оксида кальция (43--50 %) и низким содержанием глинозема (до 10 %).

В СССР основные шлаки составляют больше половины всех металлургических шлаков. К ним относятся все шлаки заводов УССР. Нейтральные шлаки содержат 42—48 % СаО. К ним относятся доменные шлаки металлургических заводов европейской части РСФСР.

Кислые шлаки составляют по массе около трети всех шлаков в стране. Они содержат относительно меньше СаО (35--42 %), но больше глинозема. К ним относятся доменные шлаки заводов Урала, Сибири и Казахстана.

Предприятия черной металлургии страны дают ежегодно около 50 млн. т доменных и около 20 млн. т сталеплавильных шлаков. Непрерывно увеличивающееся количество шлаков в отвалах в настоящее время составляет не менее 320 млн. т.

Шлаковые отходы являются ценным сырьем для гражданского, промышленного и дорожного строительства. Основным потребителем металлургических шлаков является цементная промышленность, которая в данное время использует более 23 млн. т гранулированного доменного шлака ежегодно. При этом шлаки используются как гидравлические добавки при производстве цемента и шлакопортландцемента высших марок, а также в качестве исходного сырьевого компонента при производстве портландцементного клинкера сухим способом. Шлаковые добавки вводят в состав цемента дополнительно к его основным компонентам: известняку, мелу, мергелю и глине. В настоящее время значительные мощности цементной промышленности, заводов по производству легких железобетонных конструкций, теплоизоляционных и других строительных материалов работают на основе использования металлургических шлаков. Ежегодно более 75 % общего количества получаемых в СССР доменных шлаков используют при производстве строительных материалов.

Использование доменных шлаков при производстве цемента предполагает их получение, как правило, в гранулированном виде, что, в свою очередь, требует осуществления грануляции на самом металлургическом заводе. В этой связи важное значение приобретает определение возможности использования в цементной промышленности шлаков, ранее накопленных в отходах. Эксперименты, выполненные на Балаклейском цементном заводе, показали, что введение в сырьевую шихту доменных шлаков из отвалов значительно повышает производительность вращающихся печей, при этом потребность в отвальных шлаках только для одного Балаклейского завода достигает почти 300 тыс. т в год.

Экономичность использования гранулированного доменного шлака видна из таких данных. Для бетонов класса В 25 (марка 300), из которых делают до 80 % всех сборных и железобетонных конструкций, разница в расходе портландцемента и шлакопортландцемента составляет около 5 %. Выпуск цемента при использовании шлаков увеличивается в 1,5—2 раза, при этом расход топлива уменьшается на 40 %. Ввод доменных шлаков в сырьевую смесь обеспечивает увеличение производительности цементных печей и снижений удельного расхода топлива на 15 %. При использовании доменных шлаков для производства шлакопортландцемента топливно-энергетические затраты на единицу продукции снижаются почти в 2 раза, а себестоимость -- до 26--30 %. Кроме того, активные шлаковые добавки резко улучшают строительно-технические свойства цемента, повышают его качество и прочность. Получение шлакопортландцементов и других цементов не единственный способ использования доменных и иных шлаков черной металлургии. Доменные шлаки находят широкое применение также для производства целого ряда других строительных материалов и изделий: шлаковой пемзы, шлаковаты и шлакосплавов.

На основе шлаков производят шлакобетон -- легкий бетон, в который в качестве мелкого заполнителя вместо песка или совместно с ним введены гранулированные металлургические или котельные (топливные) шлаки, а в качестве крупного заполнителя вместо гравия и щебня -- нераспадающиеся кусковые топливные шлаки. Лучшим заполнителем для шлакобетона являются каменноугольные шлаки, состоящие из вспученных остеклованных кусков с примесью частиц прочного и пористого кокса. Шлак для армированного шлакобетона во избежание ржавления стальной арматуры должен содержать соединений серы не более 3 % и частиц несгоревшего угля не более 5 %. Шлакобетон служит для устройства легких перекрытий, а также для изготовления строительного камня и крупных блоков, используемых для кладки стен. Объемная масса шлакобетона -- 1400--1600 кг/м³, предел прочности при сжатии до 100 кг/см².

Металлургический шлак идет на производство шлаковой пемзы или термозита — искусственного пористого заполнителя легкого бетона, получаемого вспучиванием расплавов металлургических шлаков при их быстром охлаждении. Марки щебня из термозита: 400, 600, 800; средняя плотность песка не более 1200 кг/м³. Термозит используют при производстве легких бетонов, бетонных и железобетонных конструкций, а также теплоизоляционных засыпок.

Большинство физико-механических характеристик шлаковой пемзы зависит от ее микроструктуры. Наивысшими показателями прочности обладают материалы, у которых микрокристаллические образования составляют 40--60 % массы, а размер пор не более 1×10^-3 мкм. С увеличением размера пор снижается прочность, увеличивается объем пустот в смеси зерен заполнителей, что повышает расход вяжущего. Зерновые составы каждой фракции регламентируются ГОСТами. Промышленное производство шлаковой пемзы в СССР начато в 1957 г. Использование шлаковой пемзы в качестве эффективных крупных и мелких заполнителей для изготовления теплозвукоизоляционных материалов и конструктивного легкого бетона позволяет снизить массу ограждающих конструкций зданий по сравнению с кирпичными на 10-15 %, значительно повысить их теплоизоляционные свойства и снизить расход цемента на 15—20 %.

Одним из уникальных строительных материалов являются шлакоситаллы -- продукты, получаемые управляемой катализированной кристаллизацией стекла на основе доменных шлаков. Они состоят из мельчайших кристаллов размерами до несколькихмкм в сочетании с остаточной стекловидной фазой, составляющей менее 40 % по объему.

Катализированная кристаллизация шлакового стекла является сложным физико-химическим процессом. Получение закристаллизованного материала определенной микроструктуры с максимальным количеством кристаллической фазы и с заданными физико-химическими и механическими свойствами определяется многими факторами. Основные из них: химический состав стекла, вид и количество каталитических добавок, режим термообработки.

Химический состав шлакового стекла должен обеспечить тонкодисперсность структуры закристаллизованного материала (размер кристаллов не должен превышать 1.5--2 мкм) и способствовать выделению кристаллических фаз, обладающих вяжущим свойством, определяемым сферой применения шлакоситаллов (физико-механические, термические, жаростойкие и другие свойства).

В состав шлакоситаллов входят следующие химические элементы: SiO₂; Al₂O₃; CaO; MgO; MnO; FeO; ТЮ; Na₂O; ZnO, F. Стеклокристаллические ситаллы и шлакоситаллы представляют собой типичный полимерный материал, полученный на основе кремнезема. В массе шлакоситаллы окрашены в белый, черный или серый цвета, нередко покрываются (с одной стороны) цветными керамическими красками. Основой шихты для получения шлакоситаллов служит измельченный доменный шлак (до 60 %), песок (35—40 %) и некоторые другие добавки. Основной корректирующей добавкой являет я песок. Катализаторами кристаллизации служат сульфиты железа и марганца, содержащиеся в доменном шлаке, что включает необходимость их специальной добавки. Для придания белого цвета стеклу обычно добавляют оксид цинка. Сам процесс варки стекла для получения шлакоситалла осуществляется в стекловаренной печи.

Для массового поточного механизированного производства наиболее подходящими оказались шлакоситаллы: черный (состав "2") и белый (состав "Б-12"). Шлакоситаллы обладают высокой прочностью на сжатие, большей, чем каменное литье, кислотоупорная керамика, фарфор и природные камни. Прочность шлакоситалла на изгиб больше, чем у стекла, фарфора, керамики, каменного литья, природного камня и приближается к прочности чугуна. Шлакоситаллы в три раза легче чугуна и стали. Мелкокристаллическая плотная структура шлакоситаллов определяет их высокую устойчивость к истиранию, которая у них в 4—8 раз больше, чем у каменного литья, в 20—30 раз, чем у гранита и мрамора, и в 35 раз, чем у фарфора. Шлакоситаллы морозостойки, по химической стойкости к кислотам и щелочам не уступают каменному литью, керамике и фарфору и часто применяются в качестве антикоррозионной защиты.

Только за первое десятилетие выпуска в строительстве было эффективно использовано более 7 млн. м² шлакоситалла, а экономический эффект от его применения превысил 18 млн. руб. По данным НИИЭС Госстроя СССР, потребность народного хозяйства в листовом шлакоситалле и шлакоситалловых плитках на 1980 г. составляла более 20 млн. м².

Общий объем использования доменных шлаков в СССР для производства строительных материалов достигает 30 млн. т/г, не считая 8 млн. т шлаков сталеплавильного производства. Интересно сравнить эти цифры с данными по США. В 1975 г. в США в промышленности стройматериалов было использовано 22,7 млн. т доменного и 9,1 млн. т мартеновского шлака, для производства термозита дополнительно было направлено 4,5 млн. т шлака.

Дата добавления: 2015-07-19