Использование отходов металлургического комплекса в строительной индустрии

1.

ТЕМА 7. «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ»
7.1. Общая характеристика шлаков
Металлургия традиционно является одним из главных «поставщиков техногенного сырья» для промышленности строительных материалов. Особенности этих многотоннажных отходов заключаются в том, что они уже прошли высокотемпературную обработку до стадии полного плавления, в продуктах сформирована структура и они не содержат органических примесей.
В общем выходе шлаков приходится на долю:
доменных шлаков – 60%,
сталеплавильных шлаков – 15%,
шлаков цветной металлургии – более 18%,
других видов металлургического передела – около 7%.

2.

Металлургические заводы России ежегодно выпускают:
около 40 млн. т. доменных шлаков;
15 млн. т сталеплавильных шлаков.
В отвалах, площади которых превышают 2,2 тыс. га,
накоплено около 350-500 млн. т шлаков. Находясь в городской черте, вблизи металлургических заводов, они изменяют ландшафт, отчуждают земельные участки, негативно воздействуют на все компоненты окружающей среды.
В Челябинской области работает 30 предприятий металлургического комплекса, из них 19 предприятий черной металлургии и 11 – цветной металлургии.
Самыми крупными предприятиями черной металлургии
являются: ЧМК, ММК, ЗМК, ЧЭМК.
В цветной металлургии – Челябинский электролитно-цинковый завод, Карабашский медеплавильный комбинат, Уфалейский никелевый комбинат, Кыштымский медно-электролитный завод и др.

3.

В отвалах металлургических предприятий Челябинской области накоплено шлаков:
около 180 млн. т доменных;
более 40 млн. т мартеновских и сталеплавильных;
более 20 млн. т производства феррохрома.
Ежегодно в области образуется более 5 млн. т металлургических отходов.
Отвалы ММК содержат 155 млн. т шлаков, накопленных
за семь десятилетий.
Отвалы Уфалейского никелевого комбината содержат до 20
млн. т шлака, отвалы Карабашского медеплавильного комбината – до 30 млн. т шлака. Ежегодно эти отвалы принимают
около 1 млн. т шлаков этих комбинатов.
Отвалы шлаков ЧЭМК, расположенные в черте г. Челябинска, содержат 17-18 млн. т ферросплавных шлаков, занимают площадь 38 га при высоте 23 м.

4.

7.2. Шлаки доменного производства
В результате взаимодействия:
- пустой породы, содержащейся в руде;
- флюсов, вводимых в шихту для снижения температуры
плавления;
- золы топлива (кокса) образуется силикатный расплав шлака, обладающий меньшей плотностью, чем металл. Поэтому
жидкий чугун осаждается, а на его поверхности плавает шлак,
что позволяет раздельно выпускать их из печи (см. рис. 2).
Шлаки удаляются из металлургических печей в виде расплава при температуре 1300-1700 0С. Расплав аккумулирует
большое количество тепловой энергии: 1600-1900 кДж/кг. Следовательно, 50 млн. т шлака, удаляемые в отвалы, эквивалентны примерно 5 млн. т условного топлива, которое также
попадает в отвал. При медленном охлаждении до температур
600-80 0С формируется кристаллическая структура прочного и
твердого шлакового материала (Rсж = 100-400 МПа).

5.

Рис.1. Доменная печь

6.

Рис. 2. Схема производства чугуна

7.

Рис. 3. Выпуск шлакового расплава из печи

8.

Флюсы
Железная руда
Кокс
ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ
Расплав шлака
Расплав металла
Металл
Шлак
Грануляция
В отвал
Рис. 4. Схема образования шлака в технологии
выплавки чугуна

9.

При быстром охлаждении (грануляции) шлак затвердевает в
основном в виде стекла, содержание которого достигает 80%
по массе.
Химический состав металлургических шлаков зависит от
технологического процесса и должен соответствовать огнеупорному материалу печи, что и определяет значительные его
колебания. Различают основные шлаки с преобладанием в их
составе CaO и MgO и кислые – с высоким содержанием SiO2
и Al2O3.
Шлаки доменного производства – побочные продукты выплавки чугуна, основными компонентами химического состава
которых являются CaO, SiO2, Al2O3 – в сумме их содержание
составляет 90-95%. В значительно меньшем количестве
присутствуют MgO (4-6%), MnO (2-5%), еще меньше FeO,
CaS, MnS, FeS. Удельный выход доменных шлаков очень
велик, на 1 т чугуна в среднем получается 0,5-0,7 т шлака.

10.

Рис. 5. Частицы доменного шлака

11.

Тонкоизмельченные доменные шлаки способны при воздействии на них химических и тепловых факторов к взаимодействию с водой и гидравлическому твердению. Гидравлическая активность гранулированных доменных шлаков в соответствии с ГОСТ 3476 оценивается коэффициентом качества.
Он зависит от содержания в шлаке оксидов кальция, магния,
двуоксидов кремния и титана и определяется по формуле:
К = (CaO + Al2O3 + MgO) / (SiO2 + TiO2).
Эта формула справедлива при содержании оксида магния в
шлаке до 10%. При большем количестве расчет проводят по
следующей формуле:
К = (CaO + Al2O3 + 10) / [SiO2 + TiO2 + (MgO - 10)].
Чем выше показатель коэффициента качества, тем выше
гидравлическая активность доменного граншлака.
В зависимости от коэффициента качества и химического
состава шлаки разделяют на три сорта (см. табл. 1).

12.

Таблица 1
Характеристика качества доменных граншлаков
Нормы для сортов
Показатель
Коэффициент
качества, не <
Содержание, %
Al2O3 , не <
MgO, не >
TiO2, не >
MnO, не >
1
2
3
1,65
1,45
1,20
8
15
4
2
7,5
15
4
3
не нормируется
15
4
4

13.

Основной потребитель доменных шлаков – цементная
промышленность России, которая ежегодно потребляет около
20 млн. т. и где шлаки используются для получения:
• шлакопортландцемента, в составе которого от 21 до 60%
(80%) шлака, причем содержание основных гранулированных
шлаков в обычном ШПЦ достигает 50-60%, а кислых – 30-50%
(в зависимости от качества шлака и клинкера);
• портландцемента с минеральными добавками, в его составе до 20% шлака;
• сульфатно-шлакового вяжущего, содержащего 80-85%
шлака;
• известково-шлакового вяжущего, содержащего 70-90%
шлака;
• шлакощелочных вяжущих, полностью (100%) состоящих
из шлаков;
• шлаковых вяжущих автоклавного твердения, содержащих 75-87% шлака.

14.

Все эти вяжущие выгодно отличаются от традиционных цементов, получаемых из природного сырья, прежде всего более
низкой стоимостью.
В структуре средней себестоимости цемента:
- 23-24% приходится на стоимость основных и вспомогательных материалов;
- 24-26% – на стоимость топлива;
- 13% – на стоимость электроэнергии.
Вот почему, при прочих равных условиях, себестоимость
шлакопортландцемента на 25-30% ниже себестоимости
портландцемента.

15.

Другими эффективными направлениями утилизации
доменных шлаков являются производства:
• шлаковой пемзы – заполнителя для легких бетонов;
• шлаковой ваты – теплоизоляционного материала;
• шлакового литого щебня – заполнителя бетонов;
• изделий из шлакоситаллов для облицовочных и защитных работ;
• изделий из шлакового литья (камней, блоков, брусчатки)
и др.

16.

7.3. Передельные шлаки черной металлургии
Передельные шлаки черной металлургии – побочные
продукты, образующиеся при выплавке стали из чугуна.
Несмотря на большой объем выплавки стали, количество
сталеплавильных шлаков сравнительно невелико – мартеновских шлаков 180 кг/т стали, конвертерных – 150 кг/т стали,
электросталеплавильных – 60-80 кг/т стали.
Основной способ выплавки стали мартеновский, при котором побочным продуктом являются основные мартеновские
шлаки. В них сумма основных оксидов существенно выше
суммы кислотных и в значительных количествах содержатся
оксиды железа, марганца, магния.
В основных мартеновских шлаках всегда имеются включения металла. Эти шлаки не гранулируются, а сливаются в
отвалы, где медленно и практически полностью кристаллизуются, поэтому в их составе практически нет стеклофазы.

17.

Фазовый состав мартеновских шлаков более сложен, чем
доменных. Это обусловлено большим разнообразием сырьевых материалов, включающих легирующие добавки, раскислители и т.д.
Почти все шлаковые минералы, содержащиеся в передельных шлаках черной металлургии, за исключением -2CaO .
SiO2 и алюминатов кальция, при обычных температурах не
взаимодействуют с водой. Однако при тепловлажностном воздействии, особенно в автоклавах, тонкоизмельченные основные мартеновские и ваграночные шлаки гидратируются и
твердеют.
Хороших результатов при твердении этих шлаков в автоклаве достигают, вводя в них для активации смесь, состоящую из извести, гипса и молотого кварцевого песка. В этом
случае образуется много тонкодисперсных цементирующих
новообразований, обусловливающих высокую прочность бетона.

18.

Из других шлаков черной металлургии для производства
вяжущих представляют интерес электропечные шлаки от
плавки феррохрома и феррованадия.
Некоторые промышленные районы России располагают
значительными запасами высокоосновного феррохромового
шлака.
7.4. Шлаки ферросплавного производства
Ферросплавные шлаки образуются при производстве
сплавов на основе феррохрома, силикомарганца и ферромарганца. Удельный выход шлаков составляет при выплавке рафинированного феррохрома 2500-3200 кг/т, передельного феррохрома 800-900 кг/т, углеродистого ферромарганца 1000-1200
кг/т, ферросилиция 30-50 кг/т.
Химический состав феррохромовых шлаков характеризуется следующими данными, %: CaO – 50-52, SiO2 – 26-28,
Al2O3 – 7-8, MgO – 9-10, FeO – 0,5-0,8, Cr2O3 – 3-4. При этом
значение Косн = 2-2,1.

19.

Благодаря высокому содержанию -2CaO . SiO2 эти шлаки
подвержены распаду и при медленном охлаждении превращаются в тонкий порошок с удельной поверхностью 2000 см2/г.
Высокое содержание C2S обеспечивает проявление вяжущих
свойств у гранулированных феррохромовых шлаков, особенно
при автоклавной обработке.
На основе феррохромового шлака получен автоклавный материал – шлакомаршалитбетон, в составе которого 30-35%
шлака и 65-70% маршалита, образцы этого искусственного
камня имели прочность 20-25 МПа при плотности 1400-1600
кг/м3. В г. Челябинске в УралНИИСтромпроекте Г.В. Геммерлингом и Б.С. Бобровым была разработана технология производства автоклавного кирпича из феррохромового шлака и
кварцевого песка.
В настоящее время около 30% от общего выхода ферросплавных шлаков перерабатываются на граншлак, который используется для производства вяжущих материалов, бетонов

20.

и строительных растворов в качестве фракционированного
щебня и песка.
Доля утилизируемых шлаков черной металлургии в среднем составляет 70% от их годового выхода, 30% этого ценного
строительного сырья поступает в отвалы металлургических
предприятий, а на Урале эти шлаки используют лишь на 40%.
7.5. Шлаки цветной металлургии
Шлаки цветной металлургии – побочный продукт при
выплавке цветных металлов из руды (никеля, меди, кобальта и
др.). Годовой выход шлаков в цветной металлургии почти в 3
раза меньше, чем в черной, но удельный их выход намного
больше. Так при выплавке 1 т никеля количество шлака достигает 150 т, при выплавке 1 т меди – 10-30 т. Степень утилизации этих шлаков очень низкая – лишь 1% годового выхода. Тем не менее, возможность расширения утилизации шлаков цветной металлургии имеется.

21.

Наиболее перспективны в этом отношении шлаки никелькобальтовой промышленности. Их расплав пригоден для переработки в минеральную вату, литой шлаковый щебень, литые
шлаковые изделия. Отвальные шлаки применяются в качестве
щебня и песка в дорожно-планировочных работах, в строительных растворах и в производстве цемента. Измельчением
гранулированных никелевых шлаков можно получить шлаковый песок для тяжелого бетона всех применяемых в строительстве марок.
Отвальные шлаки медеплавильного производства используются для строительства и ремонта автодорог. Установлена их
пригодность для получения теплоизоляционных материалов,
литых изделий, низкомарочных вяжущих.