Производство строительных материалов из металлургических шлаков. Цемент из металлургического шлака


Производство строительных материалов из металлургических шлаков

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Производство цемента. Цементная промышленность исполь­зует 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 шлака и гипса (CaSC>4 • 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 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 1-5 мм.

Для последующего использования важны такие свойства грану­лированных шлаков, как гидравлическая активность, способность к измельчению, влажность, гранулометрический состав.

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 гидрожелобах, 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 паро-газовой смеси, оказывающей неблагоприятное влияние на окружающую среду.

При бассейновом способе гранулирования шлака на качество гранул влияют режим охлаждения расплава, объем и температура

Рис. 10.2. Схема припечной гранулирующей установки шлака:

1 - вытяжная труба; 2 - скруббер; 3 - защитный экран; 4 - Скиммерная 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 - эрлифт; 15 — насос подачи воды на взмучивание; 16 ~ карусельный фильтр; 17 — промежуточный бункер; 18 - питатель; 19 — конвейер

Более прогрессивна припечная бесковшовая технология грану­лирования шлака (рис. 10.2). При этом способе жидкий шлак из доменной печи по желобу 7 стекает в гранулятор б, 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, оборудованныхфильтрующими 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, паро-газовая смесь улавливается, очищается в скруббере 2 и удаляется в вытяжную трубу 1, а вода возвращается для по­вторного использования.

Технологические параметры процесса припечной грануляции шлака приведены ниже:

Температура шлака, °С................... 1480-1620

Расход, т/мин:

TOC o "1-3" h z шлака........................................ 8-13

Воды........................................... 30-60

Давление воды, МПа.......................... 0,3 - 0,4

Влажность гранул, % ........................ 12-17

Гранулированный шлак « S

Рис. 10.3. Схема контактной грануля­ции шлака

Насыпная масса гранул, т/м3 . . . 0,9-1,2

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. 10.3). 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 от- вержденная корка срезается шлакоснимателем 7, и получен­ные гранулы сбрасываются в бункер. Вода в змеевике превра­щается в пар, тепло которого мо­жет быть утилизировано.

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 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 расплавов 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/м.

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 расход цемента на 15-20%.

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

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

MeS + Н20 = MeО + h3S и 2h3S + 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 пористостью, от которой зависят прочность, морозостойкость, теплопроводность, жаростойкость и другие свойства. Пористость шлака определяется по формуле:

Рп = (1 - р*/рш)Ш,

Где V„.— пористость шлака, %; рк — плотность пемзы в куске, г/смЗ; рш - плотность исходного шлака в куске, см3.

Зависимость между плотностью пемзы в куске и насыпной плотностью выражается уравнением:

Рк = К/Рн,

Где К - коэффициент, обычно составляющий 1,6 - 2,5; рн - на­сыпная плотность пемзы.

Существуют различные способы получения пемзы, из которых наиболее распространенным до недавнего времени был бассейно­вый, при котором шлак с температурой 1260 - 1320 °С обрабаты­вается в ваннах-бассейнах водой под давлением 0,08 - 0,1 МПа.

Вспучивание поступающего в бассейн шлака происходит в те­чение 2 — 3 мин за счет воздействия воды, подаваемой в бассейн под давлением через отверстия в его днище. Кристаллизация и формирование пемзы продолжаются 6-8 мин.

Расход воды составляет 0,2 - 0,4 м /т шлака. После вспучива­ния получившуюся массу охлаждают в течение 3 - 5 ч до 100 — 150 °С на промежуточном складе, затем дробят на валковых дро­билках и сортируют на грохотах.

Более прогрессивным является барабанный припечной способ получения пемзы (рис. 10.4).

Шлак из ковша У сливается по наклонному желобу 2 в прием­ную ванну 3, где предварительно вспучивается под действием 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. Получаемая гранулированная пемза имеет раз­меры 8 - 16 мм и насыпную плотность 650 - 850 кг/м.

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, выдерживаемых насыщенным водой щеб­нем без изменения прочности. Существующие марки щебня имеют морозостойкость 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300, т. е. выдерживают количество циклов замораживания-размораживания (М3.р), равное номеру марки. Для производства бетонов используют щебень с М3.р = 300. Формирование необходимой структуры щебня достига­ется регулированием скоростей 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. 10.5.

Оптимальная толщина слоя шлака при сливе его в траншею со­ставляет 100 — 200 мм. Обычно площадь траншей составляет на отечественных металлургических заводах 3-10 тыс. м.

Рис. 10.4. Технологическая схема получения пемзы с применением лопаст­ного барабана:

1 — ковш со шлаком; 2 - наклонный желоб; 3 - приемная ванна; 4 - экран;

5 - направляющий лоток; 6 - лопастной барабан; 7 — грейферный кран

І і__ Й> WSZ^OSW&f СГаУ

ДШжш

В траншею сливают 25 - 40 партий шлака с интервалом 20 - 30 мин. После этого шлак медленно, в течение 3-4 сут, охлажда­ется, а затем застывший слой разрабатывается экскаватором и вы-

Возится на дробление. Толщина слоя остывшего шлака составляет 4 - 5 м (высота реза экскаватора).

Металл

Рис. 10.5. Технологическая схема производства щебня из доменного шлака:

I - 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

Для дробления шлака используют 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 измельченный шлак сортируют на грохотах. Сортированный по фракциям щебень транспортируется с помощью ленточных конвейеров на склад готовой продукции.

Производство минераловатных изделий. Металлургические шлаки являются отличным сырьем 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/м 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 получать минеральную вату из первич­ного расплава шлака без его повторного переплава, который требу-

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 минера - ловатного 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 (степень 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 действии 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.

Ет дополнительного расхода энергии. Схема производства мине­ральной ваты из расплава шлака показана на рис. 10.6.

12

Рис. 10.6. Схема производства минеральной ваты: 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 качестве связующего используется термореактивная фенол - формальдегидная смола, которая полимеризуется при 160 - 200°С.

Эта смола является токсичным продуктом вследствие содержания в ней свободного фенола, поэтому целесообразна замена ее другими материалами.

Промышленность выпускает плиты с различными плотностью укладки волокна и содержанием фенолформальдегидной смолы (табл. 10.1).

Таблица 10.1 Характеристики минераловатных плит различных типов

Тип плиты

Плотность р, кг/м3

Расход смолы, кг/м

Продолжитель­ность полимериза­ции т„, мин

Мягкая

75

7-9

7-9

Полужесткая

125

9-11

9-12

Жесткая

150

11-13

12- 15

Помимо изготовления из шлаков упомянутых материалов их используют в качестве наполнителя при производстве стеновых па­нелей для малоэтажного строительства, промышленных конструк­ций и плит дорожного покрытия. Технологическая схема цеха пе­реработки 150 тыс. м /год шлаков, боя кирпича, других минераль­ных отходов с получением строительных деталей приведена на рис. 10.7. Типовой проект, основанный на модульной конструкции размером 30*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.

Оподи

Рис. 10.7. Технологическая схема производства строительных деталей из шлаков:

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

Производство шлакоситаллов. Превосходными материалами, получаемыми из доменных шлаков, являются шлакоситаллы. Они имеют двухфазную структуру и 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 добавок, параметров технологического процесса.

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 (< 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.

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, но 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 - чем у гранита и мрамора, в 35 раз - 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 в 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 металлический сплав, содержание которого в исходном шлаке 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 в 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 может быть отделен только после дополнительного 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 металл отбирает­ся подвесными магнитными сепараторами.

Переработка шлаков может осуществляться на дооборудован­ных магнитными сепараторами мобильных дробильно-сортировоч - ных установках, используемых в 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 произ­водств, 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 вначале извлечь из них цветные и редкие металлы, т. е. переработка шлаков цветной металлургии должна быть комплексной и производиться 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.

Значительное обеднение шлаков 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.

Шлаки свинцовоцинкового производства также дополнительно перерабатываются.

Восстановление цинксодержащих шлаков позволяет доизвле - кать 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 возгоняются в виде оксидов цинк до 95% и свинец 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.

Пирометаллургические способы извлечения цветных металлов 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.

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

Переработка отходов осуществляется с помощью сложных тех­нологических процессов, при этом используемое оборудование и сами отходы могут являться источниками травматизма, профзабо­леваний, пожаро - и взрывоопасности и наносить ущерб жизни и здоровью …

На машиностроительных, судостроительных, электротехниче­ских и других предприятиях широко используются лакокрасочные материалы. Наиболее распространенным способом их нанесения остается распыление из краскопульта в окрасочных камерах. Из этих камер непрерывно отсасывается воздух, который …

Многие технологические процессы в промышленности и на транспорте связаны с использованием органических растворителей, которые, выполнив свою роль, уносятся с воздухом вентиляцион­ной системой, загрязняя окружающую среду, либо сливаются в на­копители и …

msd.com.ua

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.

Таблица 8.1 Технологические параметры процесса припечной гидрожелобной грануляции доменного шлака

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

Рис. 8.2. Схема припечной гранулирующей установки шлака

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.

Рис. 8.3. Схема контактной грану­ляции шлака

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 + h3S и 2h3S + 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.

Рис. 8.4. Технологическая схема получения пемзы с применением ло­пастного барабана

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.

Рис. 8.5. Технологическая схема производства щебня из доменного шлака.

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.

Рис. 8.6. Схема производства минеральной ваты

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.

Рис. 8.7. Технологическая схема производства строительных деталей из шлаков

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.

  • Комментарии к статье
  • Вконтакте

ztbo.ru

Шлаки в металлургии

Металлургические шлаки

Силикатные материалы, получаемые при выплавке из руд металлов, называются металлическими шлаками. Они обладают разными свойствами, в зависимости от процесса их получения, химического состава руды и других факторов. Эти искусственные силикаты состоят из оксидов железа, алюминия, кремния, магния, кальция, серы, марганца и др. В зависимости от процентного соотношения этих окислов, скорости и условий остывания шлаков, они могут получать свойства вулканической пемзы или твёрдого гранита, а также рассыпаться в порошок. Их цвета бывают подобными горным породам: белые, жёлтые, чёрные, зелёные, серые, розовые, серебристые, сиреневые, перламутровые и др. Они могут быть разной плотности, пористости, тяжёлыми или лёгкими. Их удельный вес близок к природным камням. По химическому составу бывают основные, кислые, нейтральные.

Шлаки чёрной металлургии

• Доменные – получают при выплавке чугуна. Представляют собой расплавы силикатные или алюмосиликатные. Из-за низкой плотности (в 2 раза меньше, чем у чугуна) они образуются сверху над расплавленным слоем чугуна и периодически удаляются через летку. Возможность его использования зависит от химического состава и способа выхода из домны. Он может при охлаждении получить свойства плотного камня или постепенно рассыпаться в порошок. Плотный материал используется в качестве щебня, стоимость которого значительно меньше натурального, а свойства не уступают. Для проверки пригодности доменных шлаков в производство щебня проводится специальный контроль его качества.

• Сталеплавильные – побочный продукт при любом способе получения стали в открытых агрегатах. Состоит из нелетучих различных оксидов с меньшей плотностью, чем сталь, которые собираются на поверхности расплава. Их источники: продукты, полученные при окислении примесей, содержащихся в чугуне и ломе, добавочные окислители и материалы, внесённые загрязнения (миксерный шлак, песок) и др. Содержат большее количество оксидов железа (20 %) и марганца (10 %).

• Ваграночные образуются при плавке чугуна в вагранке из продуктов окисления чугуна, золы кокса, остатков в виде пригара формовочной смеси, флюса. Основные составляющие ваграночного шлака – оксиды (80 – 90 %). При таком способе производства получаются в большинстве кислые шлаки с выделением минералов (рудных, мелилитов, пироксенов, анортитов), алюмокремнезернистого стекла.

• Ферросплавные – получают в процессе производства ферросплавов. Различаются по добавленным к железу химическим элементам: хрому, марганцу, кремнию и др.

Шлаки цветной металлургии

Для них характерны: высокое содержание оксидов железа, пониженный состав оксидов магния и кальция. Свойства шлаков цветной металлургии зависят от их химического состава. Отличаются от шлаков чёрной металлургии большим удельным весом, разнообразием, дополнительным содержанием ценных редких металлов. Если при выплавке чёрных металлов выход шлаков на 1 т металла составляет 0,1 – 0,7 т, то в цветной металлургии при получении 1 т металла – 100 – 200 т шлаков.

Способы переработки и применение

Самый распространённый способ переработки – грануляция. Происходит путём охлаждения массы водой, воздухом, паром.

• Мокрый способ. Обработка вытекающего из доменной печи раскалённого шлака сильной струёй воды, подаваемой через специальные насадки. Шлак дробится под напором воды и отправляется в бункер до окончательного охлаждения. Его продувают воздухом, в результате чего он остывает и обезвоживается.

• Полусухой способ. Вытекающий из домны шлак попадает на лопасти вращающегося барабана. Небольшое количество воды, подаваемой в желоб, резко охлаждает и делает шлак твёрдым. Затем он попадает в барабан, где дробится и окончательно остывает, отлетая в сторону.

Гранулируются в основном доменные шлаки, которые в большинстве используются в цементной промышленности. Также в этой отрасли распространено применение шлаков ферросплавов, сталеплавильных, цветной металлургии. Из них производят обладающий высокой химической стойкостью цемент, который можно применять даже в агрессивных средах. Получают путём совместного помола металлургического шлака, гипса и извести. Шлаки также используют в качестве активных добавок к портландцементному клинкеру или вместо глины. В зависимости от взятых пропорций, получают обычный цемент или с повышенной стойкостью.

Шлакощелочные цементы получают при совместном помоле гранулированных шлаков, каустической или кальцинированной соды, жидкого стекла. Такие гидравлические вяжущие водостойкие, термостойкие, с высокой прочностью, биостойкие, устойчивы к коррозии. Изготовленные с их добавлением бетоны выдерживают воздействие нефтепродуктов, слабых кислот, твердеют при низких температурах.

Широко используется в строительстве шлаковый щебень, который успешно заменяет натуральный. Получают его путём дробления отвальных шлаков или литья по специальной технологии. Перед применением он проверяется на устойчивость к распаду.

Материал прочный на истирание, выдерживает высокие и низкие сезонные температуры. Используется в качестве наполнителя для различных видов бетонов.

Для тяжёлых изделий из бетона крупным наполнителем служит отвальный или литой щебень, а для мелкого – гранулированный шлак. Для лёгких изделий предназначен щебень из шлаковой пемзы, которую получают путём вспучивания с применением минеральных газообразователей при быстром охлаждении шлаковой массы. Затем она дробится на фракционный щебень.

Этот материал нашёл широкое применение и в дорожном строительстве как надёжный и при этом дешёвый материал. Используется для подготовки оснований, а также в производстве шлаковых вяжущих для дорожных покрытий, приготовления асфальтобетона.

Способом шлакового литья получают плитки и камни для мощения тротуаров, изготовления бордюров, напольные покрытия для внутренних помещений, трубы, фасадные плиты и другие изделия. Они по многим качествам не уступают железобетонным и стальным аналогам. Их получают при разливе в формы расплавленных металлургических шлаков, поступаемых прямо из доменных печей. Такой производственный процесс очень экономичен – не требуются дополнительные ресурсы на расплавку сырья, его транспортировку и хранение. Технология изготовления проста, литьё таких изделий экономически выгоднее, чем изготовление искусственного камня, а механические свойства мало чем отличаются.

Из металлургических шлаков получаются превосходные материалы – шлакоситаллы. Они состоят из стекловидной аморфной массы и мельчайших стеклянных кристаллов. Бывают разных видов и цвета. Свойства зависят от исходного сырья и технологии изготовления. Процесс происходит в стекловаренной печи. Сырьём служат металлургические шлаки, песок и другие добавки. Шлакоситаллы отличаются высокой прочностью, близкой к чугуну и стали, но при этом они в 3 раза легче. Эти материалы легко обрабатываются и очень востребованы в строительстве. Они хорошо сверлятся, шлифуются, режутся. Широко используются для изготовления прочных изделий и в качестве отделочных материалов: труб, подшипников, оптических приборов, электроизоляторов, мелющих деталей механизмов, химического оборудования, облицовочных плит для фасадов и внутренних стен, напольных покрытий, подоконников, кровли, ограждений балконов и др.

Из металлургических шлаков изготавливают шлаковую вату, которая идёт на производство теплоизоляционных изделий. Из доменных шлаков получают около 80% минеральной ваты. Используются для этого также шлаки цветной металлургии, мартеновские, ваграночные. Выбирается сырьё с оптимальной вязкостью для получения минерального волокна методом вытягивания. В ванных печах или вагранках получают шлаковый расплав, который затем перерабатывается в волокно. Вату изготавливают 3-х типов: для плит повышенной жёсткости, для полусухого прессования изделий, для горячего прессования. На основе минваты получают различные изделия (плиты, цилиндры), где в качестве связующих применяют битумы, эмульсии, синтетические полимеры.

metallplace.ru

Утилизация отходов металлургического комплекса.

portaleco.ru

Основную массу отходов этого комплекса представляют вскрышные и вмещающие породы добычи руд, отходы их обогащения, металлургические шлаки.

Отходы добычи железной руды. В нашей стране наиболее распространенным способом добычи железной руды является открытый — путем создания карьеров глубиной до 300 м и более. Наряду с разработкой железной руды извлекают и складируют в отвалы огромные массы вскрышных и вмещающих пород, объемы которых составляют 30—70% от разрабатываемой рудной массы. Наибольшее количество попутно добываемых пород — это кристаллические сланцы, кварциты, роговики и другие близкие к ним скальные породы. Среди вскрышных пород имеются и нескальные, в основном осадочные — глины, пески, суглинки, известняки и др.

Скальные породы, предварительно разрыхленные взрывным способом, разрабатывают экскаваторами и удаляют в отвалы автомобильным или железнодорожным способом. По гранулометрическому составу отвальные скальные породы представляют собой неоднородный материал от пылева- тых и песчаных фракций до глыб размером 1 м. Преимущественный гранулометрический состав 10—200 мм. Истинная плотность этих пород зависит от включений железа и находится в пределах 2600—4100 кг/м3, средняя — 3000 кг/м3.

Основным направлением утилизации вскрыши скальных и нескальных пород является использование их для устройства дамб обвалования, плотин, насыпей, оснований дорог, для планировочных работ, а также для производства строительных материалов. Скальные породы широко используются для производства щебня, который применяют в качестве крупного заполнителя в тяжелых и особо тяжелых бетонах. На многих горно-обога- тительных комбинатах Украины построены щебеночные комплексы. Объемы образования этих отходов превышают масштабы возможной переработки, и основным направлением их использования является обратная засыпка и рекультивация карьеров.

Отходы обогащения железной руды — хвосты образуются при получении железного концентрата методами электромагнитной или магнитной сепарации. Для раскрытия и дальнейшего извлечения рудных минералов руду подвергают измельчению. Тонкость измельчения зависит от технологии обогащения, характера и степени оруденения сырья. Объемы отходов составляют 40—60% от объема обогащаемого материала.

Хвостовое хозяйство — один из самых дорогостоящих объектов обогатительного комплекса.

Частицы хвостов имеют угловатую неокатанную и неправильную форму. Кроме пустой породы, в хвостах присутствуют частицы железосодержащих минералов в количестве 15—20%. Хвосты представляют собой несвязный материал, средневзвешенный диаметр частиц колеблется в пределах 0,05—0,2 мм, преобладают частицы размером 0,07—0,005 мм. Истинная плотность колеблется в пределах 2600—4000 кг/м3, средняя — 3000 кг/м3. Удаляют хвосты в хвостохранилища гидравлическим способом в виде пульпы с Т : Ж, равным от 1 : 10 до 1 : 30.

При сбросе пульпы в хвостохранилище на надводных пляжах происходит фракционирование хвостов по плотности и крупности. В зонах, близких к выпуску, откладываются наиболее крупные и тяжелые частицы, содержание железа в этих зонах может превышать 30%. По сути хвостохранилища представляют собой техногенные месторождения полезных ископаемых, освоение которых будет производиться с помощью более прогрессивных технологий обогащения. Технология сброса пульпы должна формировать зоны с повышенным содержанием железа.

Хвостохранилища занимают огромные площади, подтапливают прилегающие территории, загрязняют подземные воды. Подсыхающие надводные пляжи создают интенсивное пыление.

Основным направлением утилизации хвостов обогащения является использование их в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов. Пески из отходов обогащения могут использоваться в кладочных и штукатурных растворах, для приготовления бетонов, получения силикатного кирпича, устройства искусственных оснований под дороги, здания, сооружения, для обратных засыпок, а также в качестве сырья для получения бесклинкерного шлакоцемента (совместный помол песка с доменными шлаками).

Металлургические шлаки образуются при выплавке металлов и представляют собой продукты высокотемпературного взаимодействия руды, пустой породы, флюсов, топлива. Их состав зависит от этих компонентов, вида выплавляемого металла и особенностей металлургического процесса.

Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии. В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черной металлургии делят на доменные, сталеплавильные (мартеновские, конверторные, электроплавильные), ферросплавов, ваграночные.

Выход доменных шлаков на 1 т чугуна составляет 0,6—0,7 т; при выплавке 1 т стали выход шлаков составляет 0,1—0,3 т.

В цветной металлургии выход шлаков зависит от содержания извлекаемого металла в исходной шихте и может достигать 100—200 т на 1 т металла.

Химический состав доменных шлаков: СаО 29—30%, MgO 0—18%, А1203 5—23% и Si02 30—40%. В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа 0,2—0,6% и марганца 0,3—1%, а также сера 0,5—3,1%.

Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%). Так же, как и топливные шлаки, металлургические делят на кислые и основные в зависимости от модуля основности. Оксиды, входящие в шлаки, образуют разнообразные минералы, такие как силикаты, алюмосиликаты, ферриты и др.

Шлаки имеют высокую истинную плотность — среднее значение 2900— 3000 кг/м3; плотность куска — 2200—2800 кг/м3, большую пористость, высокую морозостойкость, низкую истираемость.

Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция — резкое охлаждение водой, паром или воздухом. Грануляции подвергают в основном доменные шлаки. Утилизация доменных шлаков составляет около 60%, сталеплавильных — около 30%.

Основным потребителем доменных гранулированных шлаков является цементная промышленность. В цементной промышленности также возможно использование медленно охлажденных сталеплавильных шлаков, шлаков ферросплавов и шлаков цветной металлургии. Шлаковые вяжущие подразделяются на бесклинкерные (сульфатно-шлаковые и известково-шлаковые), шлакощелочные и шлакопортландцемент. Сульфатно-шлаковые вяжущие 12* получают совместным помолом доменных гранулированных шлаков (75—85%), гипса (10—15%) и небольшой добавки извести (2%) или портландцементного клинкера. Такие цементы отличаются химической стойкостью, их используют в агрессивных средах. Известково-шлаковые цементы получают совместным помолом доменного гранулированного шлака и извести (10—30%). Для регулирования сроков схватывания вводят до 5% гипса. Эти цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым цементам, имеют низкую морозостойкость, но отличаются высокой стойкостью в агрессивных водах.

Гранулированные доменные шлаки используют как добавки к сырью (до 20%) при производстве портландцемента взамен глины или как активные добавки к портландцементному клинкеру.

Широкое распространение получил шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом доменного гранулированного шлака (21—80%), портландцементного клинкера и небольшого количества гипса. Себестоимость такого цемента снижается на 25—30%, по сравнению с портландцементом. Шлакопортландцемент в зависимости от содержания шлака используют как обычный цемент или как стойкий к действию агрессивных вод.

Шлакощелочные цементы — это гидравлические вяжущие, получаемые совместным помолом доменных гранулированных шлаков и щелочных компонентов — кальцинированной или каустической соды, жидкого стекла. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пересчете на Na20 составляет 2—5% от массы шлака. Взамен щелочных компонентов используют отходы их производства. Шлакощелочные вяжущие обладают высокой прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, коррозионной стойкостью, биостойкостью и термостойкостью. Бетоны из таких цементов обладают перечисленными преимуществами, кроме того, они устойчивы к действию бензина и других нефтепродуктов и слабых растворов органических кислот. Они способны твердеть при отрицательных температурах.

Шлакощелочные цементы используют в строительстве, а также для обезвреживания радиоактивных и токсичных отходов, содержащих тяжелые металлы (шламы гальванического производства, шламы водоочистки, золошла- ковые отходы термического обезвреживания).

Из металлургических шлаков получают шлаковый щебень путем дробления отвальных металлургических шлаков или по специальной технологии изготавливают литой щебень. При производстве этого материала огненно- жидкий шлаковый расплав из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 250—500 мм на специальные литейные площадки или траншеи. Через 2—3 часа он кристаллизуется на открытом воздухе, затем его охлаждают водой, что приводит к развитию трещин. Шлаковые массивы разрабатывают экскаваторами с последующим дроблением и грохочением.

Необходимым условием получения щебня из металлургических шлаков является устойчивость их к распаду. Шлаки, пролежавшие 3—5 месяцев в отвалах, как правило, имеют стабильный состав.

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозостойкостью и жаростойкостью, сопротивлением к истиранию.

В строительстве применяются разные типы бетонов с вяжущими и заполнителями на основе металлургических шлаков.

Для особо тяжелых и тяжелых бетонов (плотностью 2600—1800 кг/м3) в качестве крупных заполнителей используют литой или отвальный щебень, в качестве мелкого заполнителя — гранулированный доменный шлак. При производстве легких шлаковых бетонов (плотностью менее 1800 кг/м3) в качестве заполнителей используют щебень на основе шлаковой пемзы. Шлаковую пемзу получают вспучиванием шлакового расплава при быстром охлаждении водой, воздухом, а также при воздействии минеральных газообразова- телей. Затем путем дробления и грохочения получают фракционный щебень. Шлаковый щебень применяют также в дорожном строительстве для устройства оснований и асфальтобетонных покрытий.

Металлургические шлаки используют для производства шлаковой ваты. Шлаковую вату применяют как изоляционный материал, а с помощью различных органических и неорганических вяжущих из нее изготавливают разнообразные теплоизоляционные изделия.

Из расплавленных металлургических шлаков отливают камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы и другие изделия. По износостойкости, жаростойкости и ряду других свойств шлаковое литье превосходит железобетон и сталь.

Металлургические шлаки используют для производства шлакоситалло- вых изделий. Производство их заключается в варке шлаковых стекол, формовании и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Шлакоситаллы характеризуются высокими физико-механическими свойствами. Прочность их близка к прочности чугуна и стали, но шлакоситаллы в три раза легче. Они легко обрабатываются, шлифуются, режутся, сверлятся. Шлакоситаллы широко применяются в строительстве. Плитами из листового шлакоситалла облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и перегородки, выполняют из них ограждения балконов, кровли, лестничные марши, подоконники, полы промышленных зданий, изготавливают трубы, высоковольтные изоляторы и другие изделия.

При производстве ферросплавов образуются шлаки, содержащие до 15— 20% металлических включений. Ферросплавные шлаки перерабатывают на щебень, песок, муку, используют при выплавке стали, ферросплавов, в цементной промышленности, в производстве шлакового литья, шлакоситаллов и других строительных материалов.

Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием.

 Выход шлаков цветной металлургии на единицу выплавленного металла значительно больше, чем шлаков черной металлургии. Так, на 1 т никеля образуется до 150 т шлака, на 1 т меди — 10—30 т. В шлаках содержится до 60% оксидов железа, оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, а также значительное количество таких ценных компонентов, как медь, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы. Перспективным направлением их использования является комплексная переработка, включающая предварительное извлечение цветных и редких металлов, железа с последующим использованием силикатного остатка для производства строительных материалов аналогично шлакам черной металлургии.

В черной и цветной металлургии образуется огромное количество пылей и шламов, значительное количество их накопилось также в шламонакопите- лях и отвалах. Эти отходы содержат в своем составе соединения железа, магния, марганца, кальция, цинка, свинца, серы и других элементов.

Пыли и шламы металлургических производств можно разделить на две группы: к первой группе относятся продукты очистки дымовых газов. Железосодержащие пыли и шламы образуются при очистке газов доменного, агломерационного и сталеплавильного производств. Концентрация железа в них — в пределах 35—55%, в некоторых случаях она превышает 68%, т.е. превышает содержание железа в железорудном концентрате. На старых заводах железосодержащие пыли и шламы сбрасывают в отвалы и шламонакопители из-за отсутствия или недостатка оборудования по их подготовке к использованию. На новых заводах эти пыли и шламы используют в технологических процессах путем добавки к агломерационной шихте. При использовании шламы предварительно обезвоживают до влажности 8—9%, из них удаляют вредные примеси, такие как сера, цинк, свинец, щелочные металлы, а затем механическим или термическим способом при добавлении вяжущих формуют куски определенных размеров.

Другим способом утилизации железосодержащих пылей является включение их в состав шихты при производстве цементов, красок, красителей.

Графитовая пыль образуется при выпуске чугуна из доменной печи, заливке его в миксер, транспортировке, разливке в формы или изложницы. Содержание графита в пыли металлургических цехов различных предприятий колеблется в пределах 30—80%. Графитовая пыль представляет собой чешуйки графита и их сростки, выделяющиеся из расплава чугуна в основном при его переливах. Графит является важным промышленным сырьем. Он используется в черной металлургии при изготовлении электродов электросталеплавильных и ферросплавных печей, тиглей для плавки стали и цветных металлов, в литейном производстве при изготовлении присыпок внутренних поверхностей форм для предохранения отливок от пригара, при получении графито-коллоидных красок для подмазки литейных форм, для получения графито-керамических масс, из которых готовят литейные формы, в электротехнике для гальванических элементов и щелочных аккумуляторах, в атомной энергетике для изготовления стержней-замедлителей нейтронов, в реактивной технике в качестве особо термосЛжкого материала, в машиностроении в качестве порошкообразного смазочного материала. Кроме того, графит применяют при изготовлении искусственных алмазов, металлокерамики, различных пластмасс, карандашей и присадок для снятия статического электричества.

Потребность в графите постоянно растет. Ископаемые графитосодержа- щие руды характеризуются сравнительно низким содержанием графита. Для получения 1 т графита из таких руд перерабатывают до 20 т руды. В промышленности используЛгг также дорогостоящий искусственный графит, который изготавливают на основе кокса и антрацита. Поэтому графитовая пыль предприятий черной металлургии является ценным вторичным сырьем. Ресурсы графитовых отходов оцениваются миллионами тонн. Значительная часть их поступает в отвалы и разносится ветром на большие расстояния.

В настоящее время разработаны два направления утилизации графитовой пыли. Для предприятий, где содержание в пыли графита особо высокое (60— 90%), предполагается получать товарный графит на самих производствах. Процесс этот включает такие операции, как измельчение, флотационное обогащение по стандартным схемам. В дальнейшем концентрат подвергается химической доводке. Полученный продукт предполагается использовать на самом предприятии. Другое направление утилизации состоит в обогащении графитовой пыли на металлургических предприятиях и последующей переработки полученного концентрата на специализированных графитовых заводах совместно с ископаемой графитовой рудой. Графит, изготовленный при совместной переработке, не уступает по качеству графиту, изготовленному из одной руды, а иногда превосходит последний.

Графитовая пыль, содержащая в своем составе менее 60% графита, может быть использована для приготовления теплоизоляционных смесей в литейном производстве.

Серосодержащие шламы образуются при очистке газов агломерационных производств от оксидов серы с помощью известняковых суспензий. Такие же шламы образуются при очистке газов от оксидов серы на ТЭЦ и других производствах. В результате очистки образуются плохо растворимый в воде сульфит кальция, хорошо растворимый сульфат кальция, а также в небольшом количестве хорошо растворимые бисульфит кальция и гипс. Основная часть этих шламов поступает в шламохранилища и не используется.

В настоящее время разработаны рекомендации по утилизации шламов сероочистки. Для использования в цементной промышленности рекомендуется их сначала подвергнуть обжигу при температуре 1100—1150° С, что позволит перевести часть серы из шлама в диоксид серы, а затем использовать для производства серной кислоты. Далее сухой шлам можно использовать как добавку к шихте при производстве цемента. Другим направлением утилизации серосодержащих шламов является применение их в сельском хозяйстве в качестве мелиоранта для кислых, оподзоленных и солонцеватых почв. Шлам является дополнительным источником серы, кальция, позволяет нейтрализовать повышенную кислотность почв.

Образующийся при очистке сточных вод трубопрокатного производства шлам содержит окалину и масла. В процессе очистки в первичных отстойниках отделяется крупная окалина, которая периодически извлекается из отстойника и утилизируется в качестве добавки к агломерационной шихте. Во вторичных отстойниках улавливается мелкая окалина и маслопродукты. Мае- лопродукты ухудшают прочность гранул шихты, снижают ее газопроницаемость. Поэтому шихту предварительно обрабатывают известняком или шла- мами других металлургических производств, а затем используют в агломерационном или сталеплавильном производствах. Другим способом подготовки замасленной окалины к утилизации является обработка ее жидким сталеплавильным шлаком. Обогащенный окалиной застывший шлак является ценным металлургическим сырьем.

Похожие статьи:

Добавить статью в закладки


Смотрите также