История развития вопроса о применении шлаков

 

Первое использование 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. И сейчас ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

Во многих странах созданы специальные институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США и Канаде – Национальная шлаковая ассоциация, во Франции – Техническая ассоциация по изучению и использованию доменных шлаков, в Англии – Британская ассоциация шлака. Организация переработки шлаков в разных странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом. 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.

 

Доменные гранулированные шлаки

 

Доменные гранулированные шлаки – основной вид сырья при производстве шлаковых цементов. Их получают в качестве побочного продукта при выплавке чугуна из железной руды в доменной печи. Так же как и чугун их выпускают из печи в расплавленном состоянии, причем на 1 т чугуна получается 0,6 – 0,7 т шлака.

Основные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 90% всего состава шлака. Остальные 10% - 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, 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.

 

Грануляция доменных шлаков

 

Грануляция доменного шлака осуществляется путем быстрого охлаждения шлакового расплава с применением (либо без) механического раздробления еще жидкого или полузатвердевшего шлака. Цель грануляции не только превратить доменной шлак в мелкозернистый материал, что облегчает его дальнейшую переработку, но и значительно повысить гидравлическую активность - это важнейшее свойство шлака как компонента шлаковых цементов и как добавки к портландцементу. Для грануляции доменных шлаков применяют различные по своему устройству грануляционные установки; в зависимости от влажности получаемого продукта их подразделяют на установки для мокрой и полусухой грануляции.

При мокрой грануляции загруженный в шлаковозные ковши расплавленный шлак подается к наполненному водой железобетонному бассейну и сливается в него по желобам. Бассейн разделен на отдельные секции, что позволяет одновременно загружать одну секцию и выгружать гранулированные шлак из другой. Гранулированный шлак выгружается из бассейнов грейферными кранами, подающими его в открытые металлические железнодорожные вагоны, в которых шлак отправляется на склад или к потребителю.

Содержание влаги в гранулированном шлаке тем выше, чем меньше его объемный вес, т. е. чем больше пориста структура его зерен. Поры в затвердевших зернах гранулированного шлака образуются под воздействием газов, которые растворены в жидком шлаке и с понижением температуры расплава выделяются из него при охлаждении. При этом шлаковый расплав охлаждается и затвердевает настолько быстро, что выделившиеся из него газы не успевают вырваться наружу; они остаются в затвердевшем шлаке в виде мелких пузыриков и делают пористыми зерна гранулированного шлака. Пористость, а следовательно, и влажность гранулированного шлака зависят также от условий охлаждения жидкого шлака в процессе грануляции, т. е. от примененного способа грануляции.

Так, шлак полусухой грануляции, получаемый при механическом дроблении и отбрасывании в воздух предварительно охлажденного, но еще не затвердевшего шлака, приобретает более плотную структуру и имеет примерно в 1,5 раза больший объемный вес по сравнению со шлаком мокрой грануляции, полученным из того же жидкого шлака. Влажность шлака мокрой грануляции колеблется в пределах 15-35% (редко 10%), шлака полусухой грануляции 5-10%; насыпной объемный вес того и другого шлака соответственно 400-1000 и 600-1300 кг/м. Чем выше температура доменной плавки, тем более легким получается гранулированный шлак.

Установки мокрой грануляции производят большую часть гранулированного шлака, однако вследствие большой влажности и малого объемного веса получаемого при этом шлака такой способ грануляции имеет ряд недостатков:

1) Большой расход топлива на сушку шлака перед его помолом (до 80 кг условного топлива на тонну сухого шлака);

2) Низкая производительность шлакосушильного оборудования;

3) Непроизводительные перевозки железнодорожным транспортом воды, содержащейся в шлаке, а также недоиспользование подъемной силы вагонов при загрузке их легковесным шлаком;

4) Смерзаемость мокрогранулированного шлака в железнодорожных вагонах, а также бункерах и на открытых складах в зимнее время, что влечет за собой длительные сверхнормативные простои вагонов и большие затраты ручного труда при выгрузке смерзшегося шлака на цементных заводах.

Доменные гранулированные шлаки в России и некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента.

Шлакопортландцемент

 

Шлакопортландцемент - вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса или путем тщательного смешения тех же, но раздельно измельченных компонентов. Предпочтительнее применять клинкер алитово-алюминатный (с высоким коэффициентом насыщения и с увеличенным количеством трехкальциевого алюмината).

Содержание свободной извести может быть несколько выше обычного, и в этом случае не возникает опасности неравномерного изменения объема цемента, так как шлаковый компонент химически связывает известь. При наличии дешевых глиноземосодержащих материалов их добавляют в сырьевую смесь с целью повышения содержания С3А в клинкере. Необходимо, чтобы содержание ангидрида серной кислоты в цементе согласно стандарту не превышало 3,5%, а окиси магния в исходном клинкере - 5%. Количество доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 30 и не более 70% от веса цемента.

Часть шлака (не более 15% от веса цемента) может быть заменена активной минеральной добавкой.

Гидравлическая активность применяемого гранулированного шлака оказывает существенное влияние на качество шлакопортландцемента. Она тем выше, чем выше основность шлака и чем больше содержится в нем окиси алюминия. При осуществлении производственного контроля на заводах гидравлическую активность определяют физико-механическими испытаниями образцов шлакопортландцемента при различном содержании в нем данного шлака в различные сроки твердения.