Реферат. Строительная отрасль шлак металлургия
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
Введение строительная отрасль шлак металлургия 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. Сравнительно мало изучены возможности использования шлаков сталеплавильных производств и цветной металлургии. Шлаки и их использование в строительной отрасли В металлургической промышленности шлак - это многокомпонентный неметаллический расплав, покрывающий поверхность жидкого металла в ходе металлургических процессов: плавки сырья, обработки расплавленных промежуточных продуктов и рафинирования жидких расплавов. После завершения металлургических процессов шлак представляет собой затвердевшее камне- или стекловидное вещество - сплав оксидов переменного состава. Шлаки в металлургическом производстве образуются в процессе восстановления руды и извлечения из нее пустой породы, коксовой золы и флюсов при их химическом взаимодействии с карбонатными породами. Основные компоненты шлака: кислотные оксиды SiO2 и TiO2, основные оксиды CaO, FeO, MgO, а также нейтральные оксиды Al2O3, ZnO. В зависимости от преобладания тех или других оксидов, шлаки разделяются на основные и кислые. Ниже представлена структура шлаков по видам производства:  Шлаки черной металлургии: доменные и сталелитейные Наибольший интерес для строительной отрасли представляют доменные шлаки, получаемые в процессе производства чугуна: Негранулированный доменный шлак получается при воздушном охлаждении шлака с последующим дроблением и грохочением. Используется преимущественно в дорожном строительстве в качестве щебня. Гидравлическими свойствами не обладает. Гранулированный доменный шлак получается при выплавке чугуна путем резкого охлаждения на гранустановке. Используется преимущественно в качестве активной минеральной добавки в цемент. Шлаковая пемза - литой шлак кислый. Требуется особый режим охлаждения. Вяжущими свойствами не обладает. Используется в качестве утеплителя, шумопоглотителя, в производстве легких бетонов и изделий из них. Для получения одной тонны чугуна требуется в среднем 1,3 тонны железной руды, 0,75 тонны кокса, 0,25 тонны известняка и 4,0 тонны воздуха. После накопления в доменной печи достаточного количества чугуна открывается выпускное отверстие (примерно 5 раз в сутки) и металл выливается в емкости для транспортировки на следующий этап сталеплавильного производства. Расплавленный шлак сливается по желобу, находящемуся выше уровня расплавленного металла, примерно каждые 2 часа. Далее шлаки либо проходят стадию грануляции в специальных установках, либо поступают на организованные отвалы, где часть из них проходит переработку для последующей утилизации. На крупных металлургических комбинатах - Магнитогорском, Орско-Халиловском («Носта»), Челябинском («Мечел») - отвалы разделяются по видам и производствам - доменные, сталеплавильные шлаки и производственный мусор складируются раздельно. На некоторых предприятиях устраиваются общие отвалы, смешивая шлаки и мусор. В последние годы на ряде отвалов (Магнитогорск, Электросталь и др.) организована их разработка, включающая несколько стадий: грохочения, измельчения (преимущественно в каскадных мельницах) и магнитной сепарации. Продукт грохочения - шлаковый щебень, применяемый в дорожном строительстве и производстве шлакобетонных изделий. При этом возвращаются в хозяйственный оборот значительные территории. Так, в результате разработки шлакоотвала и переработки шлаков только в г. Электросталь освобождена территория около 50 тыс. м2. При грануляции выходящий из печи шлак с температурой около 1500°С сливается в гранустановку. Гранулы образуются путем распыления потока шлака водяными струями высокого давления. В нижней части гранулятора шлак охлаждается в водяных ванных, откуда он транспортером подается на склад. Грануляция шлака может осуществляться также путем формирования мелких окатышей в барабанах с воздушной продувкой или на дисках (тарелках) с водяным охлаждением. При получении гранул шлака по первому способу, с резким водяным охлаждением, предотвращается формирование инертных кристаллов, а образующаяся стекловидная фаза является скрытогидравлическим материалом, продукт измельчения которого обладает вяжущими свойствами. Значительное количество доменных печей используют устройства воздушного охлаждения шлаков. Такой материал вяжущими свойствами не обладает. Основными качественными характеристиками доменных шлаков являются их основность, сопротивление измельчению, реакционная способность, химический состав и его стабильность. Плотность шлаков колеблется в пределах 2,7-3 г/см3, насыпная плотность - 1,3-1,5 г/см3. Гидравлические свойства доменного граншлака определяются по величине коэффициента качества (К), который в зависимости от содержания окиси магния определяется по формулам:  при содержании MgO больше 10%:  По сопротивлению измельчения доменные шлаки разделяются на легко-, средне- и трудно-разламываемые. За единицу сопротивления измельчения принят удельный расход электроэнергии при измельчении шлаков до определенной величины дисперсности, характеризуемой остатками на сите 008 и удельной поверхностью. Шлаки, как правило, измельчаются труднее, чем цементный клинкер, и при совместном помоле шлака и клинкера гидравлический потенциал шлака раскрывается не в полной мере. Поэтому предпочтительно производить раздельный помол шлака и клинкера и использовать молотый шлак как компонент цемента или как товар для других целей. Эффективность использования шлака в производстве цемента определяется его реакционной способностью, которая зависит от состава и содержания стекловидной фазы. На практике предприятие обязано контролировать химический состав сырья и шлака, и при необходимости отбраковывать некондиционный продукт или получать заданный химический состав шлака и физические характеристики, отвечающие требованиям потребителя. Сталелитейные шлаки в металлургическом производстве образуются в процессе рафинирования стали от вредных примесей и защищают металл от окисления газовой средой. Отличительной особенностью сталелитейных шлаков является более высокие по сравнению с доменными шлаками колебания химического состава и значительное до 24% содержание железа, в том числе до 16% металлического в виде корольков и скрапа. Сталелитейные шлаки характеризуются высоким модулем основности, при охлаждении практически полностью кристаллизируются и в них почти полностью отсутствует стекловидная фаза. Из-за наличия металла эти шлаки не гранулируются, а сливаются на шлаковые дворы или в отвалы, где медленно остывают и в последующем дробятся и измельчаются в мельницах самоизмельчения (по сухому или мокрому способу) или в трубных шаровых мельницах. Классифицируются сталелитейные шлаки по видам производства стали на мартеновские, конвертерные и электросталеплавильные, а также по периодам плавки - первичные и конечные. Наибольшее количество образуется мартеновских шлаков, удельный выход которых составляет 180 кг/т стали. Удельный выход конвертерных шлаков составляет ≈150 кг/т стали. От мартеновских шлаков они отличаются повышенным содержанием оксидов кальция, магния и железа, и более высокой основностью. Конвертерные шлаки меньше различаются между собой по химсоставу и удельному выходу. Электросталеплавильные шлаки по химическому составу сходны с мартеновскими и отличаются, как правило, более высоким содержанием оксидов кальция и низкой концентрацией оксидов железа. Всего около 60% сталеплавильных шлаков составляют шлаки мартеновского производства, 32% - шлаки конвертерного производства, 8% - электросталеплавильного и других видов производств. Основные направления использования сталеплавильных шлаков: дорожное строительство, наполнители в асфальтобетон и бетон, в сельском хозяйстве для раскисления почв, а также в качестве железосодержащего материала для вторичной переплавки в доменных печах. Шлаки цветной металлургии Из шлаков цветной металлургии для строительства и производства строительных материалов представляют интерес 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 наличие стекловидной фазы, практически не обладают гидравлической активностью. При переплавке алюминиевых сплавов получают алюминиевые (вторичные) шлаки. Химический состав их следующий: KCl - 38-59%, NaCl - 11,4-34,1%, CaCl2 - 3,0-4,2%, MgO - 2,0-7,2%, Al2O3 - 6,5-12,6%, SiO2 - 1,8-3,5%. Водорастворимые соединения в шлаке составляют 75-85% массы. При длительном нахождении шлаков в воде или на отрытых площадках водорастворимые соединения выщелачиваются, после чего шлаки можно использовать в качестве сырья для производства сульфоалюминатного клинкера, расширяющихся добавок в бетон и т.п. Шлаки цветной металлургии применяют пока в небольшом количестве при производстве цемента, а также при получении минеральной ваты и литых изделий. Потенциально шлаки цветной металлургии являются перспективной базой различных строительных материалов. Их выход в 10-25 раз превышает выход цветных металлов. Шлаки химической промышленности Электротермофосфорные гранулированные шлаки представляют собой отходы производства фосфора методом электротермической возгонки. Получаются быстрым охлаждением силикатного расплава, образующегося в электропечах при плавке шихты из фосфорной руды, кварцита и кокса. При выпуске 1 тонны фосфора получается 10-14 тонн огенножидкого шлака. Структура шлаков представлена стекловидной фазой (до 98%) метасиликатного состава. Кристаллическая фаза - преимущественно псевдоволластонит. Колебания химического состава основных оксидов составляют: CaO - 44,7-50,0%, SiO2 - 34,0-45,0%, Al2O3 - 1,07-3,29%, MgO - 0,91-4,38%, P2O5 - до 2,5%, NaF - до 3%. В гранулированном виде содержится 95-98% стекловидной фазы. Шлакопортландцемент: вяжущие на основе шлаков 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 [3]. 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 10178-85 должно составлять не менее 21 и не более 60% массы цемента [5]. 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.   Современные предприятия черной металлургии имеют возможность перерабатывать в собственном производстве значительную часть своих отходов (точнее - побочных). Как известно, специфические особенности технологических процессов (высокие температуры и эффективность тепломассообмена, окислительно - восстановительный потенциал и т. д.) обеспечивают новые возможности ресурсосбережения. Большинство образующихся побочных продуктов может возвращаться в технологический процесс через агломерационное и доменное производство, и доля утилизации вторичных ресурсов может достигнуть 95-98%. В совокупности со стратегией снижения объемов образующихся выбросов и сбросов, такой подход позволит обеспечить экономию первородного сырья и топлива, и улучшить экологическую обстановку вокруг металлургических предприятий. | ||||||||||||||||