Производство строительных материалов из металлургических шлаков

ВВЕДЕНИЕ

Использование доменных шлаков при производстве шлакопортландцемента позволяет заменить глину, снизить в 1,2−1,6 раза расход известняка, увеличить объем производства цемента в 1,5−2 раза, снизить расход энергии на 40%, улучшить экологические характеристики в регионе.

Объемы использования доменных шлаков цементной промышленностью настолько велики, что их не хватает и проводятся работы по вовлечению в производство других металлургических шлаков (конвертерных, ферросплавных, мартеновских и др.).

При изготовлении цемента используют шлаки в гранулированном виде. В настоящее время грануляционные установки имеются на всех металлургических заводах.

Производство строительных материалов из металлургических шлаков Производство цемента. Цементная промышленность использует гранулированный шлак как активную минеральную добавку при производстве шлакопортландцемента — вяжущего вещества, твердеющего в воде и на воздухе. Шлакопортландцемеш получают путем измельчения клинкера (обожженной до спекания смеси известняка и глины), доменного гранулированного шлака и гипса (CaS0₄ * 2Н₂0).

Активные вещества, содержащиеся в шлаке, улучшают технические свойства цемента, повышают его качество и прочность изготовленных из него строительных конструкций. Это позволят сократить расход? шлакопортландцемента на 5% по сравнению с портландцементом при производстве бетона класса В-25, из которого делается до 80% всех сборных железобетонных конструкций.

Использование доменных шлаков при производстве шлакопортландцемента позволяет заменить глину, снизить в 1,2−1,6 раза расход известняка, увеличить объем производства цемента в 1,5−2 раза, снизить расход энергии на 40%, улучшить экологические характеристики в регионе.

Объемы использования доменных шлаков цементной промышленностью настолько велики, что их не хватает и проводятся работы по вовлечению в производство других металлургических шлаков (конвертерных, ферросплавных, мартеновских и др.).

При изготовлении цемента используют шлаки в гранулированном виде. В настоящее время грануляционные установки имеются на всех металлургических заводах.

Производство гранулированных шлаков. Грануляция шлаков — процесс производства стеклообразных гранул из жидкого шлака путем резкого его охлаждения водой, паром, воздухом или другим газом. Размер получаемых гранул составляет 1—5 мм.

Грануляция шлака производится либо у плавильного агрегата, либо на отдельно стоящих установках с транспортировкой к ним шлакового расплава в ковшах. Основная масса шлаковых расплавов пока перерабатывается во внепечных гидрожелобных, бассейновых и барабанных установках. Дробление шлака в этих установках производится иодяной или водовоздушной струей. Установки потребляют большое количество воды, которая после использования нуждается в очистке.

В технологическом процессе в результате контакта воды с расплавленным шлаком образуется большое количество парогазовой смеси, оказывающей неблагоприятное влияние на окружающую среду.

Более прогрессивна припечная бесковшовая технология гранулирования шлака (рис. 8.2). При этом способе жидкий шлак из доменной печи по желобу 7стекает в гранулятор 6, состоящий из короткого лотка и гидронасадки, где струями воды дробится на частицы. Гранулы поступают в бункер-отстойник 12, откуда насосами (эрлифтом 14) перекачиваются в обезвоживатели. Обезвоживание осуществляется в специальных бункерах, оборудованных фильтрующими решетками 5, или в карусельных фильтрах 16, снабженных коробками с перфорированными откидными крышками. При вращении обезвоживателя каждая коробка проходит стадии заполнения пульпой, фильтрации воды через отверстия в днище и разгрузки обезвоженного шлака в бункер 77. Установка герметична, парогазовая смесь улавливается, очищается в скруббере 2 и удаляется в вытяжную трубу 7, а вода возвращается для повторного использования.

Описанные способы грануляции шлака создают ряд экологических проблем в связи с содержанием в газовых выбросах токсичных газов и пыли, а в оборотной воде — извести, тио-сульфатов и аммиака. Сброс такой воды в водоемы недопустим. Поэтому все установки гранулирования шлаков должны иметь в своем составе системы очистки воды и газов, что, естественно, удорожает стоимость готовой продукции.

В этом смысле более экологически чистой является контактная технология грануляции шлака (рис. 8.3). По этой технологии расплавленный шлак из шлакоприемника 1 по летке 2 перетекает в ванну 3, где налипает на барабан 4, наружная поверхность которого выполнена из змеевика 5, охлаждаемого водой.

В зависимости от скорости вращения барабана толщина корки налипшего шлака составляет 2—15 мм. Шлак в ванне поддерживается в расплавленном состоянии за счет подогрева нагревателем 6, а налипшая отвержденная корка срезается шла-коснимателем 7, и полученные гранулы сбрасываются в бункер. Вода в змеевике превращается в пар, тепло которого может утилизироваться.

Одним из способов утилизации шлаков является производство шлакобетона — легкого бетона, в котором в качестве облегченного заполнителя использован шлак. Причем вместо песка применяется мелкий гранулированный шлак, а в качестве крупного заполнителя (щебня) — кусковой топливный шлак. Шлак для изготовления армированного шлакобетона не должен содержать в больших количествах соединения серы (не более 3%) и частицы несгоревшего угля (не более 3%), так как при более высоком их содержании происходит коррозия стальной арматуры и снижение прочностных свойств конструкций.

Объемная плотность шлакобетона составляет 1400—1600 кг/м прочность при сжатии — до 10 МПа. Его используют в стро ительстве для изготовления легких перекрытий, строительных блоков и камня, используемых для кладки стен.

Производство пемзы из доменных шлаков. При производство легких бетонов и конструкций, а также теплоизоляционных засыпок используют термозит (шлаковую пемзу) — искусственный пористый заполнитель, получаемый вспучиванием расплавом металлургических шлаков при их быстром охлаждении ограниченным количеством воды с последующей кристаллизацией и отжимом образующейся пористой массы. Средняя плотность термозитного песка не превышает 1200 кг/м³. Термозитный щебет, выпускается трех марок — с плотностью 400, 600 и 800 кг/м³.

Использование термозита в качестве заполнителя для изготовления легких бетонов и теплоизоляционных строительных материалов позволяет снизить массу ограждающих конструкций зданий по сравнению с кирпичными на 10—15% и снизить расход цемента на 15—20%.

Большинство свойств термозита зависит от его структуры. При содержании в нем 40—60% (по массе) микрокристаллических образований достигаются максимальные прочностные свойства материала. Чем выше размер пор, тем ниже прочность термозита и больше расход цемента при изготовлении бетонов с его применением.

Образование пор в шлаке является следствием выделения газов, образующихся при взаимодействии с водой сульфидом металлов, находящихся в шлаке. Химическая реакция протекает в два этапа:

MeS + Н₂0 = МеО + H₂S и 2H₂S + 30₂ = 2Н₂0 + 2S0₂

где Me — Са, Mg, Mn, Fe.

Вода, помимо участия в реакции газообразования, выполняет роль охлаждающего агента и повышает вязкость шлака и его способность удерживать газы. Поэтому для правильной организации процесса необходим хороший контакт воды со шлаком.

Качество получающейся пемзы оценивается ее плотностью, прочностью, морозостойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и другими свойствами, которые зависят от ее пористости, определяемой по формуле:

Расход воды составляет 0,2—0,4 м³/т шлака. После вспучивания получившаяся масса охлаждается в течение 3—5 ч до 100—150 °С на промежуточном складе, затем дробится на валковых дробилках и сортируется на грохотах.

Более прогрессивным является барабанный припечной способ получения пемзы (рис. 8.4).

Шлак из ковша 1 сливается по наклонному желобу 2 в приемную ванну 3, где предварительно вспучивается под воздействием струй воды, выходящей из гидронасадки под давлением до 0,8 МПа. Затем вспучившаяся пластичная масса по направляющему лотку 5 подается на лопастной барабан б, на наружной поверхности которого имеются перфорированные полые ребра. Вода, подаваемая внутрь барабана, за счет его вращения отбрасывается на цилиндрическую поверхность и через отверстия в ребрах разбивает шлак на гранулы. Расход воды составляет 1 м³/т шлака. Получаемая гранулированная пемза имеет размеры 8—16 мм и насыпную плотность 650—850 кг/м³.

Несмотря на более высокий расход воды по сравнению с бассейновым способом, эта технология более экологична и эффективна, так как этот способ отличается небольшим выделением сернистых газов благодаря сравнительно короткому контакту горячих шлаков с водой.

Производство щебня из доменного шлака. До 20% образующихся доменных шлаков перерабатывается в щебень, который используется для устройства оснований всех видов дорог.

пемза доменный шлак сталеплавильный

Нулевую фракцию размером до 5 мм, которую называют шлаковой мелочью, обладающую вяжущими свойствами, используют при изготовлении монолитных шлакобетонных оснований.

Требования, предъявляемые к щебню, определяются областями его применения. Одним из важных показателей является морозостойкость щебня, за которую принимается количество циклов замерзания и оттаивания, выдерживаемое насыщенным водой щебнем без изменения своей прочности. Существующие марки щебня имеют морозостойкость 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300, т. е. выдерживают количество циклов замораживания—размораживания (Мрз), равное номеру марки. Для производства бетонов используют щебень с величиной Мрз = 300. Формирование необходимой структуры щебня достигается регулированием скорости слива и охлаждения расплавленного шлака. Получению кристаллической структуры способствует медленное охлаждение шлака.

Наиболее распространенным является траншейный способ производства щебня, при котором шлак сливается в траншеи около доменных печей. Технологическая схема производства щебня из доменного шлака показана на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Технологическая схема производства щебня из доменного шлака: — самоходный копер; 2 — шлаковозный ковш; 3 — грейферный кран; 4 — приемный бункер; 5 — пластинчатый питатель; 6 — щековая дробилка; 7 — роторная дробилка; 8 — ленточный конвейер; 9 — электромагнитный шкив; 10 — грохот; 11 — промежуточный склад; 12 — склад готовой продукции; 13 — погрузочный бункер; 14 — подвесной электромагнит Оптимальная толщина слоя шлака при сливе его в траншею составляет 100 — 200 мм. Обычно площадь траншей составляет на отечественных металлургических заводах 3 — 10 тыс. м².

Полезная толщина разрабатываемого в траншее остывшего шлака составляет 4 — 5 м (высота реза экскаватора). Обычно в траншею сливают 25 40 партий шлака с интервалом 20 — 30 мин. После этого шлак медленно в течение 3 — 4 суток охлаждается, а затем застывший слой разрабатывается экскаватором и вывозится на дробление.

Для дробления застывшего шлака используются щековые, конусные, валковые, роторные и другие дробилки. Наиболее широко применяются щековые дробилки производительностью 300—400 кг/ч. Степень дробления определяется отношением максимального размера куска до и после дробления, а эффективность дробления — массой дробленого шлака на единицу мощности дробилки (кг/кВт).

После дробления производится сортировка измельченного шлака на грохотах. Сортированный по фракциям щебень транспортируется с помощью ленточных конвейеров на склад готовой продукции.

Производство минераловатных изделий. Металлургические шлаки являются отличным сырьем и для производства минеральной ваты. Вата состоит из минеральных волокон диаметром до 7 мкм и длиной 2—10 мм. Высокая пористость минеральной ваты, ее химическая природа обеспечивают ценные эксплуатационные свойства: термо-, водо-, морозостойкость. При объемной массе 50—300 кг/м³ коэффициент ее теплопроводности составляет 0,125—0,209 кДж/(м-ч-°С).

Основным сырьем для производства минеральной ваты служат кислые доменные шлаки, богатые кремнеземом и глиноземом, а также ваграночные и мартеновские шлаки. Принцип производства ваты основан на разбивании струи расплава на элементарные струйки и последующей их вытяжке.

Наиболее рационально производить минеральную вату из первичного расплава шлака без его повторного переплава, который требует дополнительного расхода энергии. Схема производства минеральной ваты из расплава шлака показана на рис. 8.6.

Расплавленный шлак из ковша 1 по сливному желобу 2 стекает в ванну-печь J, где подогревается до 1400—1450 °С, перетекает в печь-питатель 4 и через летку 5 подается в центрифугу 6 для распыления и перемешивания со связующим, поступающим из емкости 12. Далее в камере 7 происходит образование сырого минераловатного ковра, который подается в камеру полимеризации 8 и далее на охлаждение в камеру 9. Высушенное и охлажденное полотно нарезается на необходимые габариты с помощью ножей 10. Полученные минераловатные плиты укладываются на поддоны 11.

В зависимости от свойств шлака в печь 3 могут добавляться подкисляющие добавки для достижения необходимого соотношения кремнезема и глинозема с оксидами кальция и магния, которое должно составлять 1,2—1,5 (модуль кислотности). В качестве добавок используют бой стекла, базальт, горелую землю и др.

Образование волокон происходит за счет воздействия центробежных сил на струю расплава шлака. Наибольшая скорость распыления струи достигается при одновременном воздействии центробежных сил и потока перегретого до 400 °C пара при его расходе 1,2—1,4 т/т ваты.

В камере волокноосаждения, представляющей собой закрытый металлический короб, волокна осаждаются на сетчатый транспортер и уплотняются с помощью прижимного барабана для придания полотну равномерной толщины и плотности.

В качестве связующего используется термореактивная фе-полформальдегидная смола, которая полимеризуется при 160— 200 °C.

Эта смола является токсичным продуктом вследствие содержания в ней свободного фенола и целесообразна ее замена на другие материалы.

Промышленность выпускает плиты с различными плотностью укладки волокна и содержанием фенолформальдегидной смолы (табл. 8.2).

Используя шлаки в качестве наполнителя, а также вяжущие, полученные на их основе, производят стеновые панели для малоэтажного строительства, промышленных конструкций и плит дорожного покрытия. Технологическая схема цеха по переработке 150 тыс. м³/год шлаков, боя кирпича, других минеральных отходом с получением строительных деталей приведена на рис. 8.7. Типовой проект, основанный на модульной конструкции размером ЗОх 62×12,5, собираемой в течение 7—10 дней, обеспечивает производство таких деталей в количестве 50 тыс. т/год. Оборудование, включая классификаторы, дробилки, мельницы и т. д., монтируется на рамных конструкциях.

В начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения доменного шлака — продукта, полученного вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава. В 1908 году компания «Карнеги Стил» начала исследование возможных областей применения доменного шлака.

В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» — «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в производстве бетона.

К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям — производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения нового продукта. В 1918 году в США была создана Национальная Шлаковая Ассоциация. В 1919 году в США существовало 14 компаний — производителей шлака, которым принадлежало 32 завода.

За все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время. Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая: производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного цемента), гидравлических закладок, монолитного и конструкционного бетона, асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного материала, стекла, проведения оструктуривания почвы и много другого.

Определение и описание шлака Американское общество по испытанию материалов (ASTM C125) определяет доменный шлак как «неметаллический продукт, состоящий в основном из силикатов и алюминатов кальция, полученный вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава».

При производстве чугуна в доменную печь загружают железную руду, флюсовый камень (известняк и/или доломит) и кокс. Получаемая на выходе из печи продукция — расплавленный чугун и шлак. Шлак состоит в основном из кварца и оксидов алюминия (от железной руды) и оксидов кальция и магния (от флюсового камня). Из печи шлак выходит в расплавленном состоянии, причем температура расплава может превышать 1480? C (2700?F). Существует четыре основных способа обработки расплавленного шлака: охлаждение воздухом, быстрое охлаждение холодной водой (вспучивание шлака), дробление и помол. При каждом из данных методов обработки получается уникальный шлаковый материал, обладающий отличительными свойствами.

Химические свойства Основные составляющие доменного шлака — кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95% всего состава шлака. Остальные 15% - марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

* в основном в виде сульфида кальция Физические свойства Физические характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т. д. различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода обработки.

В последнее время в России и других странах большое внимание уделяется проблеме использования вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является использование их в производстве строительных материалов.

Металлургия занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. На основных технологических переделах производства черных и цветных металлов образуются побочные продукты — отходы, химико-минералогический состав и физико-механические свойства которых позволяют считать их ценным сырьем для производства строительных материалов. Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

Шлаки — продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов — топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

Самая ранняя попытка использования доменного шлака относится к 1589 г., когда в Германии из него отливали пушечные ядра. В строительстве шлак стали применять только в 18 веке. В Нижнем Тагиле из шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог. В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. В России и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. В последующие годы ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

Для решения вопросов организации переработки шлаков, использования их, координации научных исследований и опытных работ, в Москве в 1933 г. была создана Всесоюзная контора по шлакопереработке. Во многих странах созданы специальные институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США — Национальная шлаковая ассоциация, во Франции — Техническая ассоциация по изучению и использованию доменных шлаков, в Канаде — Национальная шлаковая ассоциация, В Англии — Британская ассоциация шлака. Организация переработки шлаков в разных странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. В Англии и Германии шлаковую продукцию, получают непосредственно на металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично обработанный передают компаниям и специальным фирмам по производству строительных материалов. Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом. Переработка шлака в основном осуществляется фирмами, независимыми от металлургов, и только в немногих случаях металлургические компании перерабатывают шлак для своих нужд и продают его. В США, Англии, Германии, Франции воздушно охлаждаемые металлургические шлаки в основном перерабатываются на щебень, применяемый в качестве балласта при строительстве железных дорог, а также используют как заполнитель при сооружении аэродромных покрытий и автомобильных дорог. Асфальтобетонные покрытия с применением шлакового заполнителя характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, большим коэффициентом сцепления, отсутствием сдвиговых деформаций. Вся продукция шлакопереработки экономически выгодна. Например, шлаковый щебень в 1,5−2 раза дешевле природного и требует в 4,5 раза меньше удельных капитальных вложений. Шлаковая пемза в 3 раза дешевле керамзита и требует в 1,5 раза меньше удельных капитальных вложений.

Основным видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков, является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г.

Шлакопортландцемент — это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и гранулированного шлака. Содержание шлака в шлакопортландцементе по ГОСТ 10 178–85 должно составлять не менее 21 и не более 60% массы цемента. По американскому стандарту содержание шлака должно составлять от 25 до 65%, по английскому не больше 65%. В Германии стандартизованы два вида шлакопортландцемента: железопортландцемент, содержащий не более 35% шлака, и доменный цемент с содержанием шлака от 31 до 85%. Во Франции выпускаются 4 вида шлакопортландцемента: железопортландцемент с 20−30% шлака, смешанный металлургический цемент с 50% шлака, доменный цемент с 70% шлака и шлако-клинкерный цемент, содержащий не менее 80% шлака. Каждый из этих видов цемента делится на две марки по прочности. В Германии каждый вид шлакопортландцемента имеет три марки по прочности, а в Англии и США — только одну марку, как и обыкновенный портландцемент.

Шлакопортландцементы широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий (например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.

Исторически сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в России и некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента. В США и Японии они применяются в основном для производства заполнителя. Последнее направление позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака, чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.

В последние годы наблюдается рост шлаковых отвалов вокруг металлургических заводов России. Одной из причин уменьшения использования доменных гранулированных шлаков цементной промышленностью является падение спроса на шлакопортландцемент. В этой связи приобретает большое значение расширение масштабов производства шлакового заполнителя, в том числе шлаковой пемзы, которая является заменителем керамзита, а также литого шлакового щебня для тяжелых бетонов.

Необходимо подчеркнуть, что бетоны с заполнителем из доменных гранулированных шлаков отличаются рядом преимуществ перед традиционными бетонами. Как было установлено в работах доменный шлак в составе портландцементного бетона выполняет функцию активного заполнителя, т. е. его поверхностный слой реагирует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе алита. При этом образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция, которые создают чрезвычайно прочную связь заполнителя с цементной матрицей, полностью исчезают капиллярные каналы, которые в результате усадки цементного камня образуются между ним и поверхностью заполнителя. Это приводит к значительному повышению коррозионной стойкости бетона с активным заполнителем по сравнению с традиционными составами в большинстве агрессивных сред, в том числе даже против такого грозного вида химической агрессии, как кислотная. Кроме того, благодаря специфической структуре и отсутствию микрозазоров на границе раздела вяжущего и заполнителя, такие бетоны обладают отличительными физико-механическими характеристиками. Именно этим обусловлено широкое применение бетонов на шлаковом заполнителе в США, Японии и других странах.

В России шлаковый заполнитель используется сравнительно редко, поэтому имеются огромные резервы расширения производства бетонов на шлаковом заполнителе, что позволит приостановить рост шлаковых отвалов в районах расположения металлургических заводов России.

Перспективы применения центробежно-ударной техники для переработки металлургических шлаков Металлургические предприятия относятся к числу наиболее крупных народнохозяйственных объектов, в значительной степени определяющих уровень экономического развития России. Из всего многообразия техногенных образований, получаемых в металлургическом производстве, основной объем 80% от общего количества твердых промышленных отходов (ТПО) составляют шлаковые отвалы. Переработка шлаков определяет практическую сущность организации безотходного металлургического производства.

В России, в шлаковых отвалах накоплено 800 млн. т. шлаков черной и цветной металлургии. Ежегодно образуется более 95 млн.т. шлаков в т. ч. около 79 млн.т. шлаков доменного, сталеплавильного, литейного и ферросплавного производств. Расположенные в городской черте шлаковые отвалы нарушают ландшафт территорий, для размещения отвалов отчуждаются земельные угодья, вследствие протекания процессов естественного выщелачивания и выветривания ухудшается экологическая обстановка региона. Средний уровень использования промышленных отходов по стране равен всего лишь 53%. Доля использования отходов производства в качестве вторичного сырья не превышает 11%. В настоящее время в большинстве высокоразвитых стран использование силикатной продукции металлургических предприятий достигает 90%. В строительной индустрии используются главным образом их вяжущие свойства.

Способов извлечения металла из жидких шлаков, опробованных в промышленных условиях, нет, поэтому металл на предприятиях извлекается только из твердых шлаков при первичной переработке их в шлаковых отделениях и при вторичной — на дробильно-сортировочных установках. Переработка жидких шлаков с точки зрения возможности максимального извлечения металла имеет неоспоримые преимущества перед технологией переработки твердых шлаков. Специальное оборудование для переработки шлаков не разработано, поэтому используют стандартное, предназначенное для горнорудной промышленности или производства строительных материалов.

Наряду с пуском технологических линий по переработке текущих шлаков необходимо создавать рациональные способы разработки отвалов с максимальным извлечением металла и эффективным использованием силикатной части.

На выбор оборудования для механической переработки твердых металлургических шлаков в товарную продукцию основное влияние оказывает способ их специфические свойства, отличающиеся от свойств горных пород. Металлургические шлаки в процессе охлаждения и длительного хранения на открытом воздухе подвержены различного рода структурным превращениям, которые сопровождаются изменением объема, формы, массы и других физических свойств[3].

Отличительной особенностью металлургических шлаков является наличие в них металлических включений в виде сростков металла и шлака, корольков и скардовин. Армированный металлом шлак обладает качественно новыми свойствами по сравнению с его составляющими. Наличие металла в шлаке повышает его объемную массу, изменяет механическую прочность. Вместе с этим в поверхностных слоях шлака происходит стабилизация стекловидной и мелкокристаллической фазы, которая обладает высокой поверхностной твердостью и абразивностью.

Структура техногенных образований зависит от вида и условий складирования шлаков. На крупных металлургических комбинатах, например Магнитогорском, Нижнетагильском, Орско-Халиловском («Носта»), Челябинском («Мечел»), отвалы разделяют по видам производств: Доменные и сталеплавильные шлаки и производственный мусор складируются отдельно. На малых заводах обычно устраивают общие отвалы, часто смешивая шлаки с мусором.

Гранулометрический состав техногенных образований зависит от вида шлака, способа уборки, первичной переработки, условий содержания и сроков хранения отвальной массы. В отвалах, где складируют шлак, минуя первичную переработку, преобладают крайние классы: >120 и < 10 мм. Здесь большое количество включений металла и негабаритного шлака. Учет этих факторов позволяет подобрать соответствующий способ разработки и вторичной переработки[4].

На основных металлургических комбинатах России за многие десятилетия образовались десятки миллионов тонн накоплений доменных, конвертерных и мартеновских шлаков. Отдельные заводы, например, Новолипецкий металлургический комбинат, еще в 70-х гг. прошлого века организовали активную переработку доменного шлака и последующем использование его в производстве цемента, шлакобетонных стройматериалов, а в настоящее время конвертерные шлаки используют для дорожного строительства и изготовления сухой асфальтовой смеси и небольшую часть — в сельском хозяйстве.

В 90-х гг. активная работа по утилизации шлаков была начата на металлургическом комбинате «Северсталь». В сотрудничестве с финской компанией «СК-1» были установлены 5 комплексно-механизированных линий по переработке шлака и его последующем использовании в дорожном строительстве, изготовлении цемента. Приступили к переработке шлака и на уральских металлургических комбинатах: Челябинском и Магнитогорском, где также задействованы крупные перерабатывающие комплексы. Капитальные вложения, обеспечивающие рациональную переработку шлаков, во многих случаях значительно эффективнее в сравнении с вложениями в добывающие предприятия.

Выбор аппаратов и способов механической дезинтеграции (дробления и измельчения) шлаков необходимо осуществлять учитывая сложность процесса раскрытия металлических включений и особенности физико-механических свойств шлаков. Данные о дробимости, хрупкости, крупности минералов, форме и пространственном распределении минеральных включений и их агрегатов определяют их поведение под влиянием вешних усилий — нагрузок и позволяют оценить возможность эффективной переработки в тех или иных аппаратах.

С целью снижения затрат на перевозку исходного материала стационарные комплексы для переработки текущих шлаков располагаются вблизи отделений первичной переработки. Установки открытого типа размещают обычно в зоне отвалов.

Выбор дробильного оборудования производится из расчета крупности шлака, необходимой производительности, качества товарной продукции и наличия металлических включений. В настоящее время наиболее широкое распространение при переработке твердых шлаков получили щековые дробилки со сложным качанием щеки типа СМ16 (ЩДС 6×9) на первой стадии дробления и СМ741 (ЩДС 4X9) —на второй. Однако особенность сложного качания играет и негативную роль в процессах дробления. Дробящие усилия у этих дробилок полностью передаются на эксцентрик коленчатого вала и при попадании в дробилку металла валы ломаются. При таком движении щеки в дробимом материале возникают не только раздавливающие, но и истирающие усилия, которые передаются материалу щеки и приводят к более быстрому износу оборудования.

Как уже было отмечено, применение операции термодробления приводит к образованию большой поверхности мелкокристаллических зерен, обладающих повышенной абразивностью. По методике ВНЙИСтройдормаша конвертерные шлаки после термодробления относятся к 10 категории абразивности. Из сказанного можно сделать вывод, что на первой стадии дробления при переработке текущих шлаков, прошедших операцию термодробления, использовать щековые дробилки не целесообразно.

Отличительной особенностью отвальных шлаков являются меньшие значения абразивности по сравнению со шлаками текущего выхода. По-видимому, острые кромки, которые имел материал после термодробления или охлаждения в ковше или коробке со временем под действием атмосферных условий распадаются и сглаживаются. Показатель абразивности у отвальных шлаков в 1,5—2 раза ниже, чем у шлаков текущего выхода. Однако при попадании недробимых металлических включений в камеру дробления происходит простой оборудования[5]. Безаварийная работа стандартных дробилок, особенно щековых и конусных, при дроблении сталеплавильных шлаков возможна в условиях тщательно организованной системы удаления металла.

При этом основная часть металла должна быть извлечена во время первичной обработки шлака, а оставшаяся — магнитными сепараторами, установленными перед дробилкой, что значительно удорожает переработку шлаков.

Распад шлаков текущего выхода, их высокая абразивность и высыхание поверхности кусков шлака после операции термодробления приводит к образованию большого количества пыли в процессе переработки. Известные способы аспирации не обеспечивают требуемых санитарных условий в основных технологических узлах шлакоперерабатывающих установок.

Для предприятий с относительно небольшим выходом шлака (до 200 тыс. т) наиболее целесообразно получать фракционированный щебень. Шлак после первичной переработки через приемный бункер с решеткой поступает в узлы дробления и сортировки по фракциям. При этом он трижды подвергается магнитной сепарации. Схемой предусмотрено осуществлять дробление роторной дробилкой. Опыт эксплуатации показал, что она неплохо работает при попадании металла, однако требует больших затрат на восстановление бил ротора. Роторные дробилки менее чувствительны к попаданию недробимых кусков, но при этом не приспособлены к дроблению абразивных материалов, а металлургические шлаки в 4 — 5 раз абразивнее гранита.

Анализ переработки сталеплавильных шлаков показывает, что экономически целесообразно сочетать дробление с помолом, причем на помол отправлять только фракцию 5 или 10 мм, неизбежно образующуюся в процессе дробления и сортировки шлака.

Переработка отвальных сталеплавильных шлаков имеет свои особенности. В отличие от доменных сталеплавильные шлаки содержат значительное количество металла в виде скрапа различной величины, корольков и окислов. Переработку этих шлаков на щебень приходится осуществлять в 2—3 стадии в сочетании с магнитной сепарацией. Поэтому при разработке технологической схемы и выборе дробильно-сепарационного оборудования необходимо особо учитывать не только прочность и абразивность шлака, но и содержание в нем металла.

На большинстве предприятий переработка производится комплексно с максимальным извлечением металла и использованием силикатной части.

Вместе с интенсивным развитием шлакоперерабатывающего производства необходимо усиленно развивать его теоретические и технологические основы. Это потребует большого объема работ в научном поиске, поскольку далеко не все элементы физико-химической природы шлаков изучены.

Интенсификация дезинтеграции, по нашему мнению, может быть обеспечена при использовании аппаратов, работающих на принципе свободного удара. При таком воздействии на материал, его разрушение происходит по микротрещинам, граням спаянности, то есть происходит селективное разрушение компонентов, обладающих различным сопротивлением удару. При этом достигается лучшее раскрытие зерен, при более крупном помоле, что подтверждается многократными сравнительными испытаниями при измельчении шлаков различного генезиса.

Дезинтеграция на основе свободного удара куска о материал или металл реализована в центробежно-ударных дробилках и мельницах НПА «Урал Центр». Материал разгоняется внутри вращающегося ротора и ударяется об отражательные плиты и/или слой материала в корпусе дробилки. Доля сростков, резко снижающих эффективность процессов обогащения, при этом минимальна. Центробежно-ударная дробилка комплектуется различными вариантами сменных технологических узлов, оптимизированных для дробления шлаков различных видов. Оснащение дробилки частотным преобразователем позволяет в оперативном порядке регулировать крупность и гранулометрический состав готового продукта без остановки работы и проведения дополнительных работ. Низкая металои энергоемкость дробилки, отсутствие элементов трения, контакта рабочих органов в процессе дробления, использование в конструкции дробилок воздушного опорного узла и высококачественных твердосплавных элементов позволяет значительно снизить затраты на износ и обслуживание оборудования.

Всестороннее изучение шлаков ОАО ММК, шлаков черновой медной плавки ЗАО «Карабашмедь» и отвальных и гранулированных никельсодержащих шлаков комбинатов «Североникель» (г. Мончегорск) и «Печенганикель» (г. Никель) комплексом минералого-аналитических методов исследования (рисунок 1) позволило установить, что во всех изученных шлаках близкое соотношение морфометрических параметров:

— круглый фактор формы металлических включений составляет 0.8…0.9 а неметаллических включений — 0.13…0.22;

— соотношение размеров металлических и неметаллических включений по их средним значениям находится в пределах 0.08…0.23

— объемная доля металлических включений находится в диапазоне от 0.3−1.1.

А) Б) В) Рисунок 1 — Микрофотографии шлаков: а — сталеплавильных; б — никелевых; в — медных.

В «Центре изучения вещества» (ИПКОН РАН, г. Москва) с помощью сканирующего электронного микроскопа Leo 1420 VP проведены исследования образцов шлаков ОАО «ММК», никелевых шлаков. Качественный элементный анализ состава образца осуществляется установленным на микроскопе рентгеновским энергодисперсионным спектрометром INCA — 300 (Oxford Instruments, Великобритания), позволяющим осуществлять анализ как в точке размером 2—5 мкм, так и по произвольно задаваемой площади. Исследуемые шлаки близки по составу и содержат, в %: 20−30% железа, 35−40 диоксида кремния, 3−11 оксида магния, 0,1−0,2 меди, 0,2−0,3 никеля и 0,03−0,08 кобальта. В обоих шлаках железо-никелевые сульфиды по своему составу близки к никеленосному пирротину и образуют шаровидные выделения. Гранулированный никельсодержащий шлак представляет собой стекловидное вещество, в различной степени насыщенным рудными техногенными фазами. Отвальный никелевый шлак имеют дендритовую структуру. Основная матрица шлака состоит из алюмосиликата. Также присутствуют включения железо-марганцевого силиката в виде кристаллов с четкими гранями.

В шлаках черновой медной плавки ОАО «Карабашмедь» основная матрица представлена силикатом железа. Практически во всех металлических включениях наблюдается сосредоточение внутри халькопирита смешанной металлической фазы. Также были обнаружены точечные включения оксидов железа, собранные в сферу.

Отвальные шлаки ОАО «ММК» представляют собой кальциево — силикатную матрицу 2CaO*SiO₂ (ларнит), имеющую многочисленные трещины. Зерна оксида железа неправильной формы соединяются друг с другом перешейками более темного цвета, состоящими из кальциево-титанового оксида (перовскита). Также была установлена граничная фаза, состоящая из силикатной матрицы в которой кремний частично замещен на алюминий. При замещении кремния на алюминий, имеющий больший ионный радиус, в силикатные тетраэдры, происходит разупрочнение кристаллической решетки. Наличие тяжелых элементов замещения (алюминий) делает фазу более хрупкой и уменьшает ее сопротивление удару. Также было установлено отсутствие данной фазы в образце изготовленном из дробленного шлака ОАО «ММК».

Для оценки перспективности применения аппаратов центробежно ударного дробления шлаков проведены измерения микротвердости установленных фаз. Установлено что во всех изученных шлаках соотношение микротвердости основных фаз находится в пределах 2 — 5, что подтверждает возможность эффективного применения центробежно-ударного дробления.

Изучение физико-механических свойств металлургических шлаков позволило сделать вывод, что интенсификация дезинтеграции может быть обеспечена при использовании аппаратов, работающих на принципе свободного удара (центробежно-ударные дробилки типа ДЦ). При таком воздействии на материал, его разрушение происходит по микротрещинам, граням спаянности, то есть происходит селективное разрушение компонентов, обладающих различным сопротивлением удару. При этом достигается лучшее раскрытие без переизмельчения, что подтверждается многократными сравнительными испытаниями при дезинтеграции шлаков различного генезиса.

Опыт внедрения аппаратов центробежно-ударного дробления на участке переработки металлургических шлаков ОАО ММК позволил увеличить полноту извлечения железа в магнитный продукт с 33,4% до 59% и увеличить массовую долю железа в магнитном продукте крупностью 10−0 мм с 40% до 58%. При этом ежегодный выпуск магнитного продукта крупностью 10−0 мм увеличился с 120 000 т до 290 020 т, а продукта крупностью 90−10 мм с 60 000 т до 80 380 т.

Замена конусно-инерционной дробилки третьей стадии дробления алюминиевых шлаков на центробежно-ударную дробилку ДЦ в условиях ООО «Реметал-С» (г. Самара) обеспечило увеличение содержания алюминия в готовом продукте с 15% до 25%. Повторные додрабливание и плавка повышают содержание алюминия в готовом продукте до 55% без снижения извлечения.

Из однородной силикатной массы тонкого, сливного, стекловатого строения шлаков медной плавки с содержанием меди 0,31% (смотри рисунок 1а) при помоле на центробежно-ударной мельнице был получен продукт крупностью -60 мкм с обособленными зернами вторичных сульфидов меди и магнетита. Отсев на сите 40 мкм позволил выделить продукт, выход которого составил 4.5%. Сухим магнитным способом выделены магнетитовые продукты с содержанием железа 9−11%, хвосты магнитной сепарации содержат до 3,71% меди. Кроме того, центробежно-ударное измельчение способствует обнажению силикатных связей медного шлака, что обеспечивает его вяжущие свойства и расширяет возможности применения в стройиндустрии.

Наиболее крупнотоннажными отходами машиностроительных предприятий являются отходы литейно-металлургического производства. Их объемы образования и химический состав предполагают в качестве наиболее приемлемого способа их утилизации — переработку в различные строительные материалы.

Производство строительных материалов относится к производствам с высоким уровнем энергетических и материальных затрат, в связи с чем представляет интерес проанализировать процессы производства строительных материалов с вовлечением литейно-металлургических отходов в аспекте ресурсо-, энергосбережения.

К отходам литейно-металлургического производства относятся: металлургические литейные шлаки (МЛШ), отработанные формовочные и стержневые смеси (ОФС), шламы пылегазоочистки (ШПГО), образующиеся в количествах — 0.09…0.14т, 1.8…2.6т, 0.05…0.08т на одну тонну разливаемых сплавов черных металлов[1].

Для сопоставления энергозатрат в технологиях утилизации литейно-металлургических отходов следует рассмотреть основные направления их переработки.

МЛШ можно перерабатывать в следующие строительные материалы:

1. Шлаковый щебень, который можно использовать вместо гранитного. Основные операции переработки: дробление исходного шлака с последующим извлечением металлических включений, при необходимости — фракционирование.

2. Шлакоцементное вяжущее I, при изготовлении которого шлак используется в качестве сырьевого компонента в производстве клинкера. Основные операции предварительной подготовки шлака для использования: дробление, извлечение металлических включений и дозирование дробленого шлака в количестве до 20% от общей массы цементного сырья и далее производство вяжущего по традиционной технологии.

3. Шлакоцементное вяжущее II, при производстве которого шлак используется в качестве минеральной добавки в вяжущее. Основные операции производства вяжущего: дробление шлака, извлечение металлических включений, помол дробленого шлака до получения удельной поверхности частиц шлака 3000−3500 см2/г, повторное извлечение металлических включений, смешивание молотого шлака с товарным цементом (в соотношении 1:7) и активными добавками.

4. Безклинкерное шлаковое вяжущее. Основные операции производства: дробление шлака, извлечение металлических включений, помол дробленого шлака до получения удельной поверхности частиц шлака 4000−4500 см2/г, смешивание молотого шлака с активными добавками (в качестве их могут использоваться щелочные, сульфатные, сульфатно-щелочные активаторы).

5. Компонент сырьевой смеси в производстве керамических изделий из тугоплавких глин. Основные операции предварительной подготовки шлака для использования: дробление, извлечение металлических включений, помол дробленого шлака до получения удельной поверхности частиц шлака 2000;2500 см2/г, повторное извлечение металлических включений, дозирование молотого шлака в количестве 10% от общего количества керамической массы.

В вышеприведенных направлениях переработки МЛШ эффект энергосбережения наблюдается за счет либо уменьшения температуры обжига клинкерного сырья, либо за счет уменьшения доли энергоемкого цемента в вяжущем; при использовании тонкомолотых шлаков в качестве флюсовой добавки в керамических массах — за счет снижения температуры обжига. Однако, при вовлечении шлаков в производство строительных материалов добавляются дополнительные энергозатратные операции, которые в основном связаны с дроблением, смешиванием компонентов и, особенно, операцией помола шлаков. Энергозатраты в операциях дробления шлаков составляют 1.9- 2.3 кВт? ч, смешивания — 5−6 кВт? ч, помола (в зависимости от кристаллохимической структуры шлака) от 25 до 90 кВт? ч на 1 т перерабатываемого материала[2].

В зависимости от соотношения снижения энергозатрат в основных процессах получения строительных материалов, вследствие использования производственных отходов и энергозатрат на дополнительные операции подготовки МЛШ к использованию, наблюдается та или иная величина экономии энергии в общепромышленном масштабе.

В аспекте ресурсосбережения при переработке шлаков извлекается и поступает на повторную переработку от 90 до 140 кг металла и соответствующее количество минерального сырья — заполнителей, цемента (в качестве первичного сырья — известняка и глины).

Основные строительные материалы, которые можно получать из ОФС:

1. Материал для отсыпки автомобильных дорог. Операция подготовки — дробление с последующим извлечением металла.

2. Мелкий заполнитель для бетонов. Основные операции производства:

— дробление ОС с последующим извлечением металла;

— механо-химическая регенерация ОФС, которая заключается в совместном воздействии на частицы ОФС механического фактора и химических реагентов в виде слабокислых растворов, количество которых составляет не более 3−45 от массы ОФС; при этом удается удалить до 80% керамитизированной пленки с поверхности частиц ОФС, что позволяет получать мелкий заполнитель близкий по своим свойствам к природному кварцевому песку.

Приведенные технологии переработки ОФС не имеют значительного энергосберегающего эффекта, но позволяют экономить сырьевые материалы: песок и металл.

Шламы пылегазоочистки можно без предварительной подготовки использовать в качестве пигментов, которые используются для отделочных бетонов и растворов. При этом экономятся природные железоокисные пигменты.

Нами были проведены исследования по количественному определению энергозатрат при помоле МЛШ и обжиге минеральных вяжущих, керамических масс, при изготовлении которых были использованы тонкомолотые шлаки.

Сравнительные данные по затратам энергии и материалов на получение товарной продукции из традиционного сырья и отходов литейно-металлургического производства приведены в таблице 1.

Из приведенных данных видно, что с точки зрения снижения энергозатрат в экономике страны и внедрения энергосберегающих технологий использование литейных шлаков, уже прошедших тепловую обработку, в качестве компонента сырьевой смеси при производстве гидравлических вяжущих представляется значительно более эффективным по сравнению с использованием дробленных шлаков в качестве щебня.

1. Брызгунов К. А., Гаврилова О. Н. Металлургические шлаки Донбасса. — Донецк.: Донбасс, 1989. — 80 с.

2. Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества. — М.: Стройиздат, 1979. — 470 с.