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. Шлакопортландцемент получают путем измельчения клинкера (обожженной до спекания смеси известняка и глины), доменного гранулированного шлаки и гипса (СаSО₄ • 2Н₂О).

Активные вещества, содержащиеся в шлаке, улучшают технические свойства цемента, повышают его качество и прочность изготовленных из него строительных конструкций. Это позволяет 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 рази 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 водяной 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 7 стекает 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 17. Установка герметична, парогазовая смесь улавливается, очищается в скруббере 2 и удаляется в вытяжную трубу 1, а вода возвращается для повторного использования.

Технологические параметры процесса припечной грануляции шлака, описанного выше, приведены в табл. 8.1.

Характеристики процесса	Значения параметров
Температура шлака, °С	1480-1620
Расход, т/мин:
шлака	8-13
воды	30-60
Давление воды, МПа	0,3-0,4
Влажность гранул, %	12-17
Насыпная масса гранул, т/м3	0,9-1,2

1 - вытяжная труба; 2 — скруббер; 3 — защитный экран; 4 — с ким мерная доска; 5 — решетка; 6 — гранулятор; 7 — шлаковый желоб, 8 — водовод подпиточной воды; 9 — мостовой кран; 10 — насос; 11 — камера оборотной воды; 12— бункер-отстойник; 13 — окно; 14— эр лифт; 15 — насос подачи воды на взмучивание; 16 — карусельный фильтр; 17 — промежуточный бункер; 18 — питатель; 19 — конвейер

Описанные способы грануляции шлака создают ряд эколо­гических проблем в связи с содержанием в газовых выбросах токсичных газов и пыли, а в оборотной воде — извести, тиосульфатов 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 шлакоснимателем 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/м³, прочность при сжатии — до 10 МПа. Его используют в строительстве для изготовления легких перекрытий, строительных блоков и камня, используемых для кладки стен.

Производство пемзы из доменных шлаков. При производстве' 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 щебень 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 + Н₂О = MeО + H₂S и 2H₂S + 3О₂ = 2Н₂О + 2SО₂,

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:

Существуют различные способы получения пемзы, из которых наибольшее распространение получил бассейновый, при котором шлак с температурой 1260—1320 °С обрабатывается в ваннах- бассейнах водой под давлением 0,08—0,1 МПа.

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 6, 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.

1 — ковш со шлаком; 2 — наклонный желоб; 3 — приемная ванна; 4 — экран; 5 — направляющий лоток; 6 — лопастной барабан; 7 — грей­ферный кран

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. 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.

1 — 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 3, 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.

1 — шлаковоз; 2 — сливной желоб; 3 — ванна-печь; 4 — печь-питатель; 5 - летка; 6 — центрифуга; 7 — камера волокноосаждения; 8 — камера полимеризации; 9 — камера охлаждения; 10 — ножи поперечной и продольной резки; 11 — поддоны для упаковки; 12 — емкость для полимерного связующего; 13 — эксгаустер подачи теплоносителя; 14 — вентилятор

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 °С 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 фенолформальдегидная смола, которая полимеризуется при 160— 200 “С.

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 30х62x12,5, 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.

Производство шлакоситаллов. Превосходными материалами, получаемыми из доменных шлаков, являются шлакоситаллы. Они состоят из мельчайших кристаллов стекла размером не более 2 мкм и аморфной стекловидной массы, объем которой составляет не более 40 %. Свойства шлакоситаллов зависят от соотношения кристаллической и аморфной фаз, химического состава шлаков, вида и количества каталитических добавок, параметров тех­нологического процесса изготовления.

В состав шлакоситаллов входят оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, марганца, железа, титана, натрия, цинка, а также фтор. Шлакоситаллы в массе окрашены в белый, серый или черный цвета. Шихта для получения шлакоситалла состоит из измельченного доменного шлака (до 60 %), песка (35—40 %) и небольшого количества добавок. Катализаторами кристаллизации служат сульфиды железа и марганца, содержащиеся в шлаке. Для придания шлакоситаллу белого цвета в шихту добавляют оксид цинка. Процесс производства шлакоситалла осуществляется в стекловаренной печи.

1 — экскаватор; 2 — дробилка молотковая; 3 — мельница с сепаратором; 4 — мельница; 5 — сепара­тор магнитный; 6 — весы; 7 — смеситель лопастной; 8 — барабан сушильный; 9 — транспортеры; 10 — накопитель; 11 — шнековый питатель; 12 — дозатор весовой; 13 — роторная линия; 14 — установка для очистки газа; 15 — паровая сушилка

Шлакоситаллы обладают высокой прочностью на сжатие и на изгиб: они прочнее, чем каменное литье, кислотоупорная керамика, фарфор и некоторые природные камни. Прочность шлакоситаллов на изгиб приближается к прочности чугуна, по этот материал легче чугуна в три раза. Шлакоситаллы имеют высокое сопротивление истиранию: в 4—8 раз выше, чем у каменного литья, в 20—30 раз выше, чем у гранита и мрамора, п 35 раз больше, чем у фарфора. Шлакоситаллы тепло- и морозостойки, устойчивы к воздействию кислот и щелочей, имеют низкий коэффициент термического расширения.

Перечисленные свойства шлакоситаллов определяют области их применения: из них делают листовые панели и трубы для различного химического оборудования, электроизоляторы, электровакуумные и оптические приборы, подшипники и фильеры, мелющие тела и т. д.

Особенности переработки сталеплавильных и ферросплавных шлаков. Переработка сталеплавильных и ферросплавных шлаков имеет некоторые особенности по сравнению с переработкой доменных шлаков, что связано со значительным содержанием и них металла как в свободном виде, так и в виде сплавов.

Основными видами продукции, получаемой из ферросплав­ных шлаков, являются щебень, песок, клинкер, гранулированный шлак и извлеченный сплав, содержание которого достигает 2 %.

Использование металла, содержащегося в шлаке, очень эф­фективно, так как он на 30—40 % дешевле металлического лома. Ежегодно около 2 млн. т металла в виде шлакового скрапа возвращается в переплав.

Способы извлечения стали из жидких шлаков пока не разра­ботаны из-за опасности взрыва при контакте жидкого металла, содержащегося в шлаке, с водой. Поэтому металл извлекается из шлака после его отверждения и многократного дробления и сепарации. Первичная переработка проводится в шлаковых отделениях, а вторичная — в дробильно-сортировочных уста­новках. При первичной переработке из шлака извлекается крупный стальной скрап. Содержание шлака в нем составляет 5—7 %, поэтому после разделки на более мелкие куски он не нуждается и очистке и сразу поступает на переплав. При первичной обработке с помощью магнитов из шлака извлекается до 65 % содержащегося в нем металла. Остальной металл сильно зашлакован, он можем быть отделен только после предварительного измельчения шлака и использован в качестве добавки к шихте.

Дробление шлака осуществляется на щековых дробилках, сортировка — в грохотах, транспортировка — ленточными кон­вейерами. Перед каждой стадией дробления и после нее произ­водится отбор металла подвесными магнитными сепараторами.

Переработка шлаков может осуществляться на дообору­дованных магнитными сепараторами мобильных дробильно­сортировочных установках, используемых при горных работах.

Особенности утилизации шлаков цветной металлургии. Металлургические шлаки, образующиеся при выплавке цветных металлов, отличаются по химическому составу и свойствам. Объем их образования в десятки раз превышает объем образования шлаков при производстве такого же количества чугуна. Так, если при выплавке 1 т чугуна образуется до 1 т шлака, то при выплавке 1 т меди и никеля образуется до 30 и до 150 т шлака на 1 т металла соответственно.

Ежегодно в цветной металлургии образуется до 10 млн. т шлаков, уровень использования которых не превышает 15 %. В значительной мере это объясняется тем, что в шлаках цветной металлургии содержится ценное металлургическое сырье и пе­реработка их на строительные материалы менее эффективна, чем потенциальное его извлечение. Поскольку рациональная тех­нология извлечения ценных металлов из этих шлаков пока не создана, значительная их часть временно сбрасывается в отвал на хранение. Это относится, в частности, к шлакам свинцового и медного производства, которые частично используются для изго­товления медистого чугуна и медноцинкового сплава.

В шлаках медной промышленности содержится 0,3—1,1 % меди, около 5 % цинка, свинец, золото, серебро и другие ценные металлы.

Для переработки шлаков цветной металлургии в строительные материалы необходимо организовать вначале их утилизацию с целью извлечения цветных и редких металлов, т. е. переработка шлаков цветной металлургии должна быть комплексной.

Переработка таких шлаков производится в три стадии:

• извлечение цветных металлов;
• извлечение железа;
• использование силикатного остатка для производства стро­ительных материалов.

Шлаки медной промышленности, содержащие менее 0,3 % меди, считаются отвальными. Все остальные шлаки идут на дополнительную переработку с целью извлечения меди и других цветных металлов.

Конвертерные шлаки на всех никелевых заводах подлежат дополнительному обеднению, после чего используются для строительных целей.

Шлаки свинцовоцинкового производства также допол­нительно перерабатываются.

Пирометаллургические способы извлечения цветных металлом из шлаков основаны на восстановлении оксидов углем, коксом, карбидом кальция, чугуном, природным газом и другими мате­риалами. При этом расходуется значительное количество энер­горесурсов, а аппаратурное оформление процесса сложно и дорого, в результате чего эти способы не всегда эффективны.

Значительное обеднение шлака кислородно-факельной плавки по меди достигается использованием в качестве вос­становителя алюминийсодержащих отсевов из алюминиевых литейных шлаков и пиритного концентрата.

Переработка шлаков осуществляется в электропечах, в ко­торые заливается жидкий шлак и загружается углеродистый восстановитель в количестве 6—8 % от массы шлака, кварцевый флюс и медноникелевая руда.

Восстановление цинксодержащих шлаков позволяет доизвлекать тяжелые цветные металлы. В результате вельцевания (окислительно-восстановительного процесса) шлаков свинцовой плавки доизвлекают цинк и свинец. Отвальный клинкер можно использовать как сырье для производства стройматериалов.

Температура в разгрузочной части вельц-печи поддерживается в интервале 1150—1250 °С, на выходе газов из печи 580—650 °С. При этом процессе возгоняется в виде оксидов цинка до 95 % и свинца до 92 %. Клинкер, составляющий 75—85 % от массы шлака, измельчается и подвергается магнитной сепарации в несколько стадий. Магнитный концентрат используют в свинцовом про­изводстве, а немагнитную составляющую — для получения строительных материалов и асфальтобетонов.

По теплофизическим и прочностным свойствам, износо­стойкости, кислотостойкости шлаки цветной металлургии зна­чительно превосходят доменные шлаки. Из них получают те же строительные материалы (песок, щебень, цемент), что и из доменных шлаков.