Способы утилизации отходов черной и цветной металлургии

Металлургические шлаки. Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков. Металлургическая промышленность ежегодно дает около 50 млн. т шлаков, а в отвалах их скопилось около 500 млн. т. Это главным образом доменные шлаки, а также мартеновские, ваграночные.

Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии. В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черной металлургии делят на следующие виды: доменные; сталеплавильные (мартеновские, конвертерные, бессемеровские и томасовские, электроплавильные); производства ферросплавов; ваграночные. Наибольшим является выход доменных шлаков, на 1 т чугуна он составляет 0,6-0,7 т. При выплавке стали выход шлаков на 1 т значительно меньше. Выход шлаков в цветной металлургии зависит от содержания извлекаемого металла в исходной шихте. При плавке в отражательных печах медных концентратов с содержанием меди 10-15% выход шлака составляет 10-20 т на 1 т металла, при плавке в шахтных печах медных руд с содержанием меди 1-2% -50-100т, при шахтной плавке окисленной никелевой руды – 100-200 т.

Химический состав доменных шлаков представлен в основном четырьмя оксидами: СаО (29-30%), MgO (0-18%), А1₂0₃(5-23%) и Si0₂ (30-40%). В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа (0,2-0,6%) и марганца (0,3-1%), а также сера (0,5-3,1%). Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%). Для шлаков цветной металлургии характерны пониженное содержание СаО + MgO (7-13%) и высокое содержание FeO (21-61%).

Вяжущие материалы на основе металлургических шлаков

В настоящее время основным потребителем доменных шлаков является цементная промышленность. Для цементной промышленности также перспективными являются некоторые другие виды металлургических шлаков: феррохромовый, позволяющий получать цветной портландцементный клинкер; никелевые и медные, применяемые в качестве железистого компонента сырьевой цементной смеси и активной минеральной добавки; шлаки алюмотермического производства ферросплавов и вторичной переплавки алюминия и его сплавов - как сырье для производства глиноземистого цемента и сверхбыстротвер-деющего портландцемента. Для получения шлаковых вяжущих автоклавного твердения возможно применение как гранулированных, так и медленно охлажденных сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии.

Шлакосодержащие вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: портландцемент и шлакопортландцемент, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлакощелочные вяжущие. Из них наиболее важное значение для строительства имеют портландцемент и шлакопортландцемент. Высока и технико-экономическая эффективность использования бесклинкерных шлаковых вяжущих, характеризующихся низкой себестоимостью, несложной технологией изготовления и сравнительно высокими строительно-техническими свойствами.

Портландцемент. В соответствии с европейскими нормами цементы общестроительного назначения разделяют в зависимости от вида и содержания добавок на пять типов. В группу портландцементов относят портландцемент I типа, содержащий до 5% активных минеральных добавок, и портландцемент II типа, содержащий от 6 до 35% минеральных добавок. Цемент III типа - шлакопортландцемент. Он может содержать от 36 до 80% доменного шлака. Цементы IV и V типов - соответственно пуццолановый и композиционный цементы. Первый содержит от 21 до 55% пуццолановых добавок, второй – 36-80% композиции добавок, в которую как одна из добавок вводится обязательно доменный гранулированный шлак.

Доменный шлак в производстве цементов на основе клинкера применяют как компонент сырьевой смеси и как активную минеральную добавку. Экономическая эффективность применения гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки в цемент в несколько раз выше, чем в качестве сырьевого компонента.

Химический состав доменных шлаков позволяет использовать их вместо глинистого и части карбонатного компонентов в составе сырьевых смесей при производстве клинкера. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом способе производства клинкера удельный расход сырья и топлива на 10-15%, а также повысить производительность печей на 15%.

В портландцемент с минеральными добавками при измельчении клинкера допустимо введение до 35% доменного шлака. При этом практически без изменения активности цемента расход клинкера снижается на 14-16%, а расход топлива уменьшается на 17-18%. По сравнению с бездобавочным цементом наблюдается некоторое понижение прочности на сжатие и изгиб в ранние сроки твердения, увеличивается усадка и повышается водоотделение. Коррозионная стойкость портландцемента с добавкой шлака выше, чем для бездобавочного цемента как при нормальном твердении, так и после тепловлажностной обработки. Портландцемент с добавкой доменных шлаков обладает достаточно высокой морозостойкостью. Он надежно защищает стальную арматуру в бетоне от коррозии.

Шлакопортландцемент - это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением клинкера, требуемого количества гипса и доменного гранулированного шлака (35-80%) или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.

Цементная промышленность выпускает обычный, быстротвердеющий и сульфатостойкий шлакопортландцементы.

При производстве сульфатостойкого шлакопортландцемента используют клинкер с содержанием С₃А не более 8% и шлак с содержанием А1₂0₃ не более 8%.

Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента рационален двухстадийный помол, т. е. предварительное измельчение клинкера с последующим совместным помолом клинкера и шлака до удельной поверхности не менее 4000 см² /г.

Особенностью шлакопортландцемента, важной для заводского производства сборного железобетона, является интенсивный рост его прочности при пропаривании, особенно в области высоких температур. Пониженное содержание в шлакопортландцементе свободного гидроксида кальция объясняет его более высокую стойкость против агрессивного воздействия мягких и сульфатных вод, а также к повышенным температурам.

Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже морозостойкости портландцемента; она уменьшается с увеличением содержания шлака. Бетоны на шлакопортландцементе обычно выдерживают 50-100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Существенно повысить морозостойкость бетонов на шлакопортландцементе можно введением воздухововлекающих веществ.

Бесклинкерные шлаковые вяжущие - это продукты тонкого измельчения шлаков, содержащие добавки активизаторов их твердения. Шлаки способны самостоятельно твердеть при нормальных условиях лишь при существенном содержании в них гидравлически активных фаз, например, двухкальциевого силиката. Содержание таких фаз в шлаках обычно незначительно и они при нормальных условиях или при пропаривании в условиях атмосферного давления не твердеют (или очень медленно). При использовании гранулированных шлаков с высоким содержанием стекла их твердение можно вызвать введением добавок - активизаторов, способствующих проявлению потенциальных вяжущих свойств шлакового стекла. Различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков. В качестве щелочных активизаторов шлака используют известь, а также натриевые и калиевые щелочные соединения. При сульфатной активизации в шлаки вводится добавка сульфата кальция обычно в виде гипса или ангидрита.

Сульфатно-шлаковые цементы - это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных шлаков и сульфатного возбудителя твердения (гипса или ангидрита) с небольшой добавкой щелочного активизатора (извести, портландцемента или обожженного доломита).

Широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75-85% шлака, 10-15% двуводного гипса или ангидрита, до 2% оксида кальция или 5% портландцементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700 °С, и высокоглиноземистых основных шлаков. Сульфатно-шлаковые вяжущие твердеют сравнительно медленно. Их марки M150—М300. Арматура в бетонах на сульфатно-шлаковых вяжущих при повышенной влажности подвергается коррозии.

Известково-шлаковые цементы - это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака и извести. Их применяют для изготовления строительных растворов и бетонов марок не более М200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих вяжущих при их изготовлении вводится до 5% гипсового камня. Цементы более высокого качества можно получить, применяя основные шлаки с повышенным содержанием глинозема и негашеную известь, содержание которой 10-30%. Известково-шлаковые цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: М50, М100, Ml50, М200. Для известково-шлаковых цементов характерны низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

Шлакощелочные вяжущие - это гидравлические вяжущие вещества, получаемые измельчением гранулированных шлаков совместно со щелочными компонентами или затворением молотых шлаков растворами соединений щелочных металлов (натрия или калия), дающих щелочную реакцию. Для получения шлакощелочных вяжущих применяют гранулированные шлаки - доменные, электротермофосфорные, цветной металлургии. Необходимое условие активности шлаков - это наличие стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами. Тонкость помола должна соответствовать удельной поверхности не менее 3000 см²/г. В качестве щелочного компонента применяют каустическую и кальцинированную соду, поташ, растворимый силикат натрия и др. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пересчете на Na₂0 составляет 2-5% массы шлака.

Заполнители из металлургических шлаков

Металлургические шлаки являются значительным резервом обеспечения строительной индустрии заполнителями для бетонов. Шлаковые заполнители по величине насыпной плотности могут быть тяжелыми (р₀ > 1000 кг/м3) и легкими (р₀ < 1000 кг/м3), а по крупности зерен - мелкими (< 5 мм) и крупными (> 5 мм).

Шлаковый щебень. Шлаковый щебень получают дроблением отвальных металлургических шлаков или специальной обработкой огненно-жидких шлаковых расплавов (литой шлаковый щебень). Для производства щебня в основном применяют отвальные шлаки, сталеплавильные, а также медеплавильные, никелевые и другие шлаки цветной металлургии.

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозо- и жаростойкостью, а также сопротивлением истиранию. Стоимость его почти в 2 раза меньше, чем щебня из природного камня. Для изготовления бетонных и железобетонных изделий применяют фракционированный литой шлаковый щебень крупностью 5-70 мм. Несортированный материал используется в дорожном строительстве и в производстве минеральной ваты, а отсев может служить заполнителем жароупорных бетонов и частично заменять гранулированный шлак в производстве шлакопортландцемента.

Необходимым условием получения заполнителей из металлургических шлаков является устойчивость их к различным видам распада. Особенно опасен силикатный распад, характерный для высококальциевых, маломарганцевых и малоглиноземистых шлаков.

Содержание в шлаковом щебне отмучиваемых пылевидных и глинистых частиц должно быть не более 3% для слабоактивного и неактивного шлаков. В металлургических шлаках содержится сера, вызывающая коррозию арматурной стали. В щебне из доменного шлака ее содержание не должно превышать 2,5% по массе. Наличие серы необходимо учитывать в производстве преднапряженных железобетонных конструкций, где возможность использования шлакового щебня должна быть обоснована специальными исследованиями. Шлаковый щебень применяется не только как заполнитель цементных бетонов, но также в дорожном строительстве для укрепления оснований и устройства асфальтобетонных покрытий.

Шлакоминеральные смеси. К шлакоминеральным смесям относятся каменные материалы, укрепленные гранулированным доменным шлаком и предназначенные для устройства оснований автомобильных дорог. Для активизации шлаков и твердения смесей в их состав вводят добавки гашеной извести (1-3%) или портландцемента (3-5%). Шлакоминеральные смеси, активированные гашеной известью, медленно схватываются и твердеют, что позволяет делать разрывы в несколько суток между приготовлением смеси и ее укладкой в основания. Шлакоминеральные смеси, уложенные в слое основания, практически не требуют специального ухода и позволяют открыть движение сразу после уплотнения. Шлакоминеральное основание более жестко по сравнению с битумо-минеральным, однако оно гораздо гибче и деформативнее оснований, устроенных из цементированных материалов, в том числе из бетона.

Шлаковый наполнитель. Из сталеплавильных шлаков получают высококачественный минеральный порошок, являющийся важным структурообразующим компонентом (наполнителем) асфальтобетона. На долю минерального порошка приходится 90-95% суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетона. Основное его назначение - это перевод битума в пленочное состояние, а также заполнение пор между крупными частицами, в результате чего повышаются плотность и прочность асфальтобетона. Минеральный порошок повышает прочность асфальтобетона, но вместе с тем увеличивает его хрупкость, поэтому его содержание в смеси должно быть предельно минимальным, достаточным лишь для придания асфальтобетону нормативной плотности и прочности.

Легкие шлаковые заполнители. Гранулированный шлак применяют в бетонах как мелкий заполнитель. По зерновому составу он соответствует крупному песку. Примерно 50% его массы составляют зерна крупностью более 2,5 мм. Насыпная плотность гранулированного шлака зависит от свойств шлакового расплава и технологии грануляции и составляет 600-1200 кг/м3.

Гранулированный шлак является эффективным заполнителем обычных и мелкозернистых бетонов, может служить укрупняющей добавкой для обогащения природных мелких песков. Пористые разновидности гранулированного шлака применяют как заполнители легких бетонов.

Шлаковая пемза - один из наиболее эффективных видов искусственных пористых заполнителей. Ее получают поризацией шлаковых расплавов в результате их быстрого охлаждения водой, воздухом, паром, а также воздействием минеральных газообразователей. Возможны следующие механизмы поризации расплава: вспучивание подъемом газовых пузырьков в расплавленной массе; вспучивание путем смешивания расплава с поризующими газами.

Из шлаков цветной металлургии наибольшее значение для строительства имеют медеплавильные (цвет черный) и никелевые шлаки. 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.

Шлаки цветной металлургии применяют пока в небольшом количестве при производстве цемента в качестве железистого компонента и активной минеральной добавки, а также при получении минеральной ваты и литых изделий.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: