Месторождения шлаков черной металлургии

Годовой выход шлаков на предприятиях черной металлургии в СНГ составляет 80 млн.т, в том числе доменных - 51, сталеплавильных - 25, ферросплавных - 4 млн.т. Используется в народном хозяйстве около 56 млн.т (70 % годового выхода). Ежегодно в отвалы металлургических предприятий поступает свыше 24 млн.т. этого ценного строительного сырья. Всего в отвалах скопилось более 500 млн.т., занимаемая ими площадь превышает 3000 га(рис.2.1.1,2).

Рис. 2.1.1 Техногенное месторождение металлургических шлаков

ГАЗа (Нижний Новгород)

Рис. 2.1.2 Рис. 2.1.1 Техногенное месторождение металлургических шлаков Липецкого металлургического комбината

Доменные шлаки являются продуктами взаимодействия флюсов (карбонатов кальция и магния) с пустой породой железной руды и золой кокса (рис. 2.1.3,4,5). Различия в составах железных руд и кокса в разных регионах страны обусловливают соответствующие различия в составе шлаков. Металлургические заводы южных и центральных районов производят шлаки с низким содержанием А1₂0₃ (6-10 %) и сравнительно высоким содержанием СаО (до 50 %) и сульфидной серы (до 3-4 %). В металлургии Урала и Кузнецкого бассейна, применяющей железные руды, богатые глиноземом, и малосернистый кокс, выплавляют шлаки с содержанием А1₂О₃ до 20 % и сульфидной серы - до 1%. Для шлаков первой группы М₀ > 1, второй - М₀ < 1, что объясняет существенные различия в их гидравлической активности и других свойствах.

Рис. 2.1.3 Металлургический шлак литой

Рис. 2.1.4 Металлургический шлак гранулированный

Рис. 2.1.5 Металлургический шлак коржевой

В общем случае основные шлаковые стекла имеют большую гидравлическую активность, чем кислые. Химическая активность шлака определяется коэффициентом качества К, устанавливаемым по следующим формулам: при содержании Мg0 до 10%

Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция, сущность которой заключается в резком охлаждении шлаковых расплавов водой, паром или воздухом и образовании в результате этого стекловидных зерен размером до 10 мм. Применяют два способа грануляции: мокрый и полусухой.

Сталеплавильные шлаки характеризуются высоким модулем основности, поэтому при их охлаждении они практически полностью кристаллизируются и почти не содержат стекла. Эти шлаки не гранулируются, а сливаются в отвалы, где медленно остывают.

Мартеновские шлаки обычно содержат включение металла (1-3%), поэтому их не гранулируют, а сливают в отвалы. Для мартеновских шлаков характерна высокая основность, что способствует их полной кристаллизации. Этот вид шлаков имеет плотную или ноздревато-пористую структуру.

Основные шлаки, находясь в отвалах, распадаются на куски вследствие известкового распада. Прочность мартеновских шлаков 80- 150 МПа, они выдерживают более 200 циклов испытаний на морозостойкость. Конвертерные и электроплавильные шлаки обычно содержат продукты распада. Кусковые шлаки имеют плотную структуру, среднюю плотность 3100-3400 кг/м³. Прочность при сжатии 60-130 МПа.

При плавке литейного чугуна в вагранках образуются ваграночные шлаки, модуль основности которых довольно низкий и, как правило, не превышает 0,8. В этих шлаках, как гранулированных, так и в отвальных, присутствует стекло. Из шлаков производства ферросплавов наибольший интерес представляют шлаки от выплавки феррохрома и феррованадия, имеющие высокий модуль основности (1,6-1,8), а так же кислые ферромолибденовые шлаки. В основных ферросплавных шлаках преобладает ортосиликат кальция, и они обычно при охлаждении рассыпаются в шлаковую муку. Шлаки ферросплавов содержат остаточные количества соответствующих элементов (Сг, V, Мо и т. п.) в виде металлов, оксидов или других соединений.

Более 60 % сталеплавильных шлаков составляют шлаки мартеновского производства и более 35 % - конвертерного. Перерабатывается около 30 % сталеплавильных шлаков, а также шлаков ферросплавного производства, из которых получают в основном щебень, шлаковая мука используется в качестве минерального удобрения. Из шлаков производства ферросплавов для производства строительных материалов наибольший интерес представляет феррохромовый шлак, получаемый при производстве феррохрома, применяемого для раскисления и легирования стали. Этот шлак представляет собой порошкообразный материал с высокой дисперсностью, вследствие распада при полиморфном превращении двухкальциевого силиката. Исследования показали, что использование феррохромового шлака в качестве алюмосиликатного и окрашивающего компонента сырьевой шихты позволяет получить портландцементный клинкер зеленого цвета, что существенно снижает себестоимость цветного цемента.

Из шлаков цветной металлургии наибольшее значение для строительства имеют медеплавильные и никелевые шлаки. Отвальные медеплавильные шлаки имеют черный цвет (рис. 2.1.6). Они не подвержены распаду. Средняя плотность шлаков составляет 3300-3800 кг/м³, водопоглощение 0,1-0,6 %, предел прочности при сжатии 120-300 МПа. Никелевые шлаки обладают такими же высокими показателями физико-механических свойств, как и медные. По химическому составу они относятся к кислым. Никелевые гранулированные шлаки, несмотря на стекловатое строение, практически не обладают гидравлической активностью (рис.2.1.8)

Рис.2.1.7. Техногенные месторождения ОАО «ГМК «Норильский никель»

Рис.2.1.8 Шлак гранулированный (отходы Карабашского медеплавильного комбината).

При переплавке алюминиевых сплавов получают алюминиевые (вторичные) шлаки (Рис.2.1.9). Химический состав их следующий в %: КС1 - 38- 59, NаС1- 11,4-34,1, СаС1₂ - 3,0-4,2, Мg0 - 6,2-7,2, А1₂0₃ -6,5-12,6, SiO₂ - 1,8-3,5. Водорастворимые соединения в шлаке составляют 75-85 % массы. При длительном нахождении шлаков в воде водорастворимые соединения выщелачиваются. Средняя плотность шлаков 1800-2000 кг/м³. Предел прочности их 40-45 МПа. Положительным примером использования техногенных ресурсов текущего выхода являются предприятии ГУСАЛа. РУСАЛ стремится минимизировать объем образующихся отходов и передать их основную долю на вторичную переработку. Инженерно-технологический центр РУСАЛа работает над проектом безотходного производства глиноземных предприятий компании: в планах РУСАЛа – создание технологии переработки красного шлама, который образуется при очистке бокситов. Эта разработка позволит утилизировать отходы глиноземного производства и создать дополнительный источник прибыли

Рис.2.1.9 Техногенные месторождения Красноярского алюминиевого завода

Шлаки цветной металлургии применяют пока в небольшом количестве при производстве цемента в качестве железистого компонента и активной минеральной добавки, а также при получении минеральной ваты и литых изделий. Потенциально шлаки цветной металлургии являются перспективной базой различных строительных материалов. Их выход в 10-25 раз превышает выход цветных металлов.

На ряде предприятий отсутствует раздельное складирование в отвалы доменных и сталеплавильных шлаков и мусора. Это обстоятельств может в значительной степени осложнить в будущем разработку шлаковых отвалов с целью производства шлакового щебня. В настоящее время наибольшее количество шлаков накоплено в отвалах следующих металлургических комбинатов: Магнитогорского, Нижнетагильского, Кузнецкого, Орско-Халиловского, Карагандинского, Западно-Сибирского, Челябинского, Криворожского, "Запорожсталь" (рис. 2.1.10,11,12). При этом следует отметить, что в то время, как на Украине количество отвальных шлаков ежегодно значительно уменьшается за счет их интенсивной разработки и утилизации текущего выхода, на предприятиях Урала, Сибири и Казахстана, а также на Руставском металлургическом заводе количество отвальных шлаков растет. Особенно оно увеличивается на Магнитогорском, Карагандинском, Западно-Сибирском и Нижнетагильском комбинатах.

Рис.2.1.10 Техногенные месторождения в районе Магнитогорска

Рис.2.1.11 Техногенные месторождения в районе Нижнего Тагила

Рис.2.1.12 Техногенные месторождения в районе Саткинского

металлургического комбината

Основной объем металлургического производства в СНГ сосредоточен в Донецко-Приднепровском районе Украины и на Урале. Выход шлаков в этих районах составляет 67 % от общего количества. Крупными центрами черной металлургии являются также Западная Сибирь (Кузнецкий и Западно-Сибирский металлургические комбинаты), Центрально-Черноземный (Новолипецкий металлургический комбинат), Северный (Череповецкий металлургический комбинат) экономические районы и Казахстан (Карагандинский металлургический комбинат).

Как показывает анализ имеющегося материала, степень утилизации шлаков значительно колеблется на различных предприятиях и в разных район страны. Так, в Центральном, Центрально-Черноземном, Поволжском экономических районах шлак используется практически полностью, на Украине он утилизируется на 80 %, в Западной Сибири - на 60 %, Восточной Сибири - на 50 %, а на Урале лишь на 40 % от годового выхода (рис.2.1.10, 11). В значительной степени это связано с химическим составом шлака, зависящим от типа используемого сырья.

Рис.2.1.10 Разработка сталеплавильных шлаков на щебень в

г. Красный Сулин (Ростовская область)

Рис.2.1.11 Техногенное месторождение гранулированных

металлургических шлаков Мариуполького завода (Украина)

Так, большинство доменных шлаков, образующихся на заводах Юга, имеет высокоосновный состав. Такие шлаки при медленном охлаждении и воздействии кислорода и влажности склонны к силикатному распаду. Доменные шлаки заводов Центра менее основные и более устойчивые к распаду, а шлаки восточной группы - кислые. Шлаки передельных и литейных чугунов Челябинского, Западно-Сибирского и Кузнецкого металлургических комбинатов относятся к магнезиальным. Особую группу представляют шлаки Чусовского завода и Нижнетагильского комбината, образующиеся при плавке в доменных печах титаномагнетитовых руд Качканарского ГОКа. Они характеризуются высоким содержанием двуоксида титана.

Наиболее широко утилизируются для производства строительных материалов доменные шлаки. Из них получают гранулированные шлаки, пемзу, щебень, минеральную вату, литые изделия, шлакоситаллы. Два последних вида шлаковых изделий вырабатываются пока в небольших количествах, так как их производство технически сложно и требует значительных единовременных и эксплуатационных затрат. Разработка и внедрение более совершенной технологии даст существенный экономический эффект.

Сталеплавильные шлаки перерабатываются в щебень для дорожного строительства, в основном нефракционированный, а ферросплавные - в гранулированные шлаки и, в небольшом количестве в фракционированный щебень. Сталеплавильные шлаки, кроме того, применяют в качестве удобрений, а также как флюсы в металлургическом производстве и как марганецсодержащую добавку в шихте доменных печей.

В общем объеме строительных материалов, получаемых из шлаков, ведущее место занимают гранулированные шлаки. Объясняется это отработанностью технологического процесса грануляции огненно-жидких доменных шлаков и большой потребностью в них цементной промышленности. Грануляции можно подвергать практически все металлургические шлаки, однако предпочтительнее основные с высоким содержанием оксида кальция, поскольку кислые более пригодны для производства пемзы, минеральной ваты, литых изделий. Сталеплавильные шлаки в СНГ пока что не гранулируются, так как не отработана технология. Всего на гранулированный шлак перерабатывается в настоящее врем 27 млн.т. шлаков в год, в том числе 26 млн.т доменных и 1 млн.т ферросплавных..

Следует отметить, что использование доменных гранулированных шлаков впервые начато в Советском Союзе, затем получило мировое признание и все шире распространяется во многих странах.

Производство доменных гранулированных шлаков наиболее развито в Донецко-Приднепровском районе Украины, где оно составляет 13 млн.т в год (Криворожский, Днепропетровский, Коммунарский, Мариупольский металлургические комбинаты, "Запорожсталь" и др.) и на Урале, где их годовой выпуск превышает 6 млн.т (Магнитогорский, Челябинский, Нижне-Тагильский, Орско-Халиловский металлургические комбинаты и др.).

Установки по грануляции ферросплавных шлаков работают на Зестафонском и Никопольском заводах. Основной потребитель гранулированных шлаков - цементная промышленность, которая использует их как активную минеральную добавку, и как компонент сырьевой смеси при обжиге портландцементного клинкера.

Кроме цементной промышленности, гранулированные шлаки используют и для других целей, например, для частичной замены природного песка при получении бетонов. Исследования, проведенные УралНИИстромпроектом, показали, что в состав мелкозернистого бетона можно включать недробленые и дробленые гранулированные доменные, дробленые отвальные и литые шлаки. Гранулированные шлаки нашли применение также в производстве кирпича и в дорожном строительстве. При получении кирпича в качестве отощающей добавки используются ферросплавные гранулированные шлаки Зестафонского завода ферросплавов. При этом уменьшается количество структурных трещин, увеличивается морозостойкость, прочность кирпича возрастает на 15-100 %, брак снижается с 20-25 до 4,5-5 %.

При использовании гранулированных шлаков в производстве силикатного кирпича повышаются его качество и марка, снимется расход цемента, извести, кварцевого песка.

Вторая по объему область утилизации шлака - производство щебня. В настоящее время получают следующие виды шлакового щебня: доменный (литой, получаемый из огненно-жидких шлаков, и коржевой -из ковшовых остатков), сталеплавильный (конверторный, мартеновский, электросталеплавильный), ферросплавный. Кроме того, щебень производится из отвальных доменных и сталеплавильных шлаков. Общее количество шлаков, используемых для получения щебня, составляет 32 млн.т в год, в том числе: доменных - 17, сталеплавильных -6,5, ферросплавных- 0,5 и отвальных - 8 млн.т.(рис. 2.1.12). Более половины этого количества утилизируется на металлургических предприятиях Донецко-Приднепровского района, около 40 % -на заводах Общее количество шлаков, используемых для получения щебня, составляет 32 млн.т в год, в том числе: доменных - 17, сталеплавильных 6,5, ферросплавных- 0,5 и отвальных - 8 млн.т. Более половины этого количества утилизируется на металлургических предприятиях Донецко-Приднепровского района Украины, около 40 % -на заводах Северо-Западного и Центрального экономических районов России. На остальной территории шлакового щебня выпускается мало.

Шлаковый щебень применяется в различных отраслях строительной индустрии. Наиболее, широко он используется для укрепления грунтов, устройства подстилающего слоя дорог, для изготовления асфальтовых смесей и дорожных бетонов. Ценность шлаковых материалов для дорожного строительства заключается в том, что они сочетают себе свойства заполнителя и вяжущей минеральной добавки, роль которой выполняют мелкие фракции самораспадающихся металлургических шлаков.

Рис.2.1.12 Шлаковый щебень (разработка шлакоотвала начала

ХХ века в г. Красный Сулин (Ростовская область).

Область применения шлакового щебня в дорожном строительстве определяется тем, из какого шлака он получен. В дорожных насыпях и подстилающих слоях хорошо зарекомендовал себя щебень из несортированных отвальных шлаков. При доставке его во влажном состоянии даже при незначительном уплотнении обеспечивается высокая плотность укладки. В уложенном отвальном шлаке вследствие высокого содержания извести происходит сцепление частиц, в результате чего достигается хорошее уплотнение дороги.

В подстилающем слое дороги щебень из доменных и сталеплавильных (конверторных) шлаков рекомендуется применять в смеси с гранулированным шлаком.

Шлаковый щебень успешно используется и в верхнем слое дорожных покрытий. Прочность асфальтобетонных смесей, приготовленных с применением сталеплавильных шлаков, в 1,5-3 раза выше, чем при использовании других материалов. Такие смеси обладают хорошей текучестью. Они устойчивы к образованию выбоин, отслаиванию асфальтового вяжущего и осадке крупных заполнителей при интенсивном движении и обеспечивают высокое сопротивление заносу. В них отсутствует деформация сдвига при интенсивном движении тяжелого транспорта.

Шлаковый щебень успешно заменяет природный не только в дорожном строительстве, но и в производстве бетона.

Для этих целей применяется, главным образом, литой фракционированный щебень из кислых и нейтральных шлаков. По физико-механическим деформативным характеристикам бетон на таком щебне не уступает бетону на гранитном, базальтовом или известняковом щебне, а по прочности, трещиностойкости и теплопроводности превосходит его.

В настоящее время литой щебень из доменных шлаков выпускают металлургические комбинаты "Азовсталь" и Новолипецкий, а также “Тулачермет".

В больших количествах используются в качестве тяжелых заполнителей в бетоны и другие шлаки. Производственное объединение "Азовжелезобетон" изготавливает с применением щебня из ковшовых остатков дорожные и тротуарные бортовые камни, фундаментные блоки, плоские плиты и перемычки, стеновые панели, плиты перекрытий. Имеются сведения об использовании при изготовлении бетонов щебня сталеплавильных и ферросплавных шлаков.

Очень эффективной областью применения шлакового щебня является производство минеральной ваты. Благодаря увеличению выхода расплава, уменьшению расхода кокса, повышению производительности вагранок на 55 % затраты на получение расплава из шлакового щебня в целом на 50 % ниже, чем из горных пород, а удельные капитальные вложения меньше на 22 %. В настоящее время в СНГ с использованием шлаков производится 75 % всей минеральной ваты. Для этих целей утилизируется свыше 300 млн.т. доменных шлаков с металлургических комбинатов Кузнецкого и "Азовсталь", "Тулачермет", Донецкого, Староуткинского, Саткинского и других металлургических заводов.

Расширению минераловатного производства с использованием шлаков должно способствовать обеспечение его качественным шлаковым щебнем. Пока что потребность в таком щебне удовлетворяется не более чем на 35 %.

Значительно уступает производству гранулированных шлаков и щебня по объему потребления шлаков третья область их утилизации - получение шлаковой пемзы. Она изготавливается на шести металлургических комбинатах - "Азовсталь", Череповецком, Новолипецком, Челябинском, Магнитогорском и Криворожском. Всего используется для этих целей 1,7 млн. т доменного шлака, из которых получают 2 млн.м³ пемзы.

Практика отечественного и зарубежного строительства показала, что легкий бетон с использованием шлаковой пемзы пригоден для изготовления широкой номенклатуры конструкций: панелей внутренних и наружных стен, междуэтажных перекрытий в гражданском строительстве, ограждающих и несущих конструкций в промышленном строительстве и др. По сравнению с другими пористыми заполнителями шлаковая пемза характеризуется более низким коэффициентом теплопроводности, высокой стойкостью к щелочной среде и морозостойкостью. Однако большинство установок для получения пемзы работает нерентабельно, что, безусловно, сдерживает дальнейшее развитие ее производства.

Новой, еще мало освоенной в СНГ областью использования шлаков черной металлургии является получение литых изделий и шлакоситаллов.

Литые изделия получают из расплава горных пород с металлургическими шлаками. Износостойкость и химическая инертность этих материалов открывают широкие перспективы их применения в промышленном строительстве, в частности, для футеровки трубопроводов, покрытия полов и пр.

Пока что в СНГ для литья используется лишь 30 тыс. т доменного шлака в год. Оно организовано на Урале, где на предприятиях Нижнего Тагила и Чусового выпускается литая шлаковая брусчатка. Процесс ее изготовления очень трудоемок и требует при существующей технологии в основном ручного труда. Развитие производства литых изделий на отечественных предприятиях тормозится из-за нерешенности вопросов механизации.

Перспективной областью применения шлаков является производство шлакоситаллов - материалов с тонкодисперсной стеклокристаллической структурой, обладающих целым рядом ценных свойств: высокой износо- и огнестойкостью, нетеплоемкостью, декоративностью, хорошими санитарно-гигиеническими характеристиками, благодаря чему они очень перспективны для покрытия полов, подвергающихся воздействию агрессивных сред и интенсивному изнашиванию, для устройства стен зданий в качестве конструктивного материала, обеспечивающего необходимые прочность и жесткость, и как облицовочный материал. Нетеплоемкость шлакоситаллов дает возможность рекомендовать их в кровлях зданий. Богатые декоративные возможности и высокие прочностные свойства шлакоситалловых плит позволяют успешно использовать их для перегородок балконов и лоджий, козырьков входов в здания и других архитектурных элементов, а также для футеровки различных емкостей в химической промышленности.

Поскольку технология заводского производства шлакоситаллов не отработана, выпуск их в промышленных масштабах в СНГ отсутствует.