facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

ХИМИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УТИЛИЗАЦИИ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ

ХИМИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УТИЛИЗАЦИИ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Элина Хоботова, заведующий кафедрой, доктор химических наук, профессор

Юлия Калмыкова, соискатель

Марина Игнатенко, аспирант

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Украина

Участник конференции

УДК 628.518:539.16

Показано соответствие химических свойств и гидравлической активности доменных шлаков количественным критериям оксидного состава и системы модулей, которые определяют их утилизацию в качестве вяжущих материалов.
Ключевые слова: доменные шлаки, утилизация, минералы, гидравлическая активность, вяжущие материалы

It was shown the correspondence of chemical properties and hydraulicityof heapblast furnaceslags with the quantitative criteria of oxide composition and module system which determine their utilization as binders. It was shown that the slags are concerned to the first class of radiation danger.
Keywordsheapblast furnaceslags, utilization, minerals, hydraulicity, binders

Доменные шлаки образуются на ряде металлургических предприятий Украины и представляют собой многотоннажные отходы промышленности. В зависимости от скорости охлаждения шлаки делятся на гранулированные и отвальные. Гранулированные шлаки включают вещества в аморфном состоянии, обладают высокой химической и гидравлической активностью, поэтому их используют в производстве строительных материалов. Медленно охлажденные шлаки являются кристаллическими, чаще всего проявляют малую химическую активность и рекомендуются только как заполнители бетонов. Однако отвальные шлаки могут иметь широкий спектр минералов, в том числе включать гидравлически активные минералы, что определяется составом исходного сырья и технологическими условиями производства. Поэтому для каждого предприятия необходимо отдельное исследование их химического и минералогического состава, что тем более актуально для Украины, в которой ощущается дефицит сырья для производства вяжущих материалов.

Целью работы являлось повышение рациональности и комплексности использования твердых промышленных отходов за счет выявления полезных технических свойств доменных шлаков и обоснования их утилизации в качестве вяжущих материалов.Основными направлениями являются: замена части сырьевого глинистого компонента в производстве портландцементного клинкера и использование шлака как компонента шлакопортландцемента (ШПЦ) при совместном помоле цементного клинкера и шлака.

Объекты исследования–отвальные доменные шлаки ОАО «Запорожсталь», ПАО «Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича», ОАО Днепровский металлургический комбинат им. Ф. Э. Дзержинского (ОАО ДМК); ПАО Алчевский металлургический комбинат (АМК); отвальный и гранулированный доменный шлак ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог». В работе обоснована эффективность практического использования доменных шлаков (отвальных и гранулированных) в производстве вяжущих материалов, что является актуальным в условиях нехватки кондиционного сырья в Украине. Направление утилизации определяется химическим элементным и минералогическим составом шлаков.

Экспериментальные методы исследования химического состава и технически полезных свойств доменных шлаков:рентгенофазовый, петрографический, гамма-спектрометрический, электронно-зондовый микроанализ позволили определить минералогический, оксидный, радионуклидный и элементный составы шлаков, оценить их гидравлическую активность по системе модулей и величинам коэффициентов качества КК и насыщения КН. Основные количественные критерии, характеризующие свойства шлаков, приведены в таблице 1. Разделение средних проб шлаков на фракции проводилось с помощью набора сит.

Радиоактивные свойства доменных шлаков. Гамма-спектрометрическим методом определены удельные активности естественных радионуклидов (Ci) и эффективные удельные активности (Сэф.) гранулометрических фракций шлаков, которые рассчитывались по уравнению [1]

Сеф.= СRa + 1,31CTh + 0,085CK, Бк·кг-1.

В состав исследованных шлаков входят естественные радионуклиды: 226Ra, 232Th и 40К. Основной вклад в величину Сэф., практически во всех случаях вносит радионуклид 226Ra, затем – 232Th. Согласно величине Сэф. шлаки и их отдельные фракции относятся к первому классу радиационной опасности, для которого Сэф. не превышает величины 370 Бк/кг [1]. Подобные материалы могут использоваться в строительстве без ограничения.

Химико-минералогическое обоснование утилизации доменных шлаков в производстве цементов.Изученные доменные шлаки соответствуют ориентировочным

Таблица 1 –Количественные критерии, определяющие утилизацию доменных шлаков и их гранулометрических фракций в производстве вяжущих материалов

Шлак металлур-гического предприятия

Мо>1,0

[2]

М гидр. 1,7-2,4

[3]

КК

1,65 –

1 сорт

[4]

Сырьевой компонент производства портланд-цемента

Компонент ШПЦ

КН по Ли-Паркеру

85-100 [3]

КН по Кинду-Джангу

0,92-0,95 [3]

SiO2/

CaO+Al2O3

Ма

3 сорт

0,12 [5]

КН

0,85-0,95 [5]

«Запорож-сталь»

отвальный доменный

1,38-1,99

1,93

фрак-ция >20

1,8-2,35

Макси-мально для фракции >20

Макси-мально для фрак-ции

>20

Соот.

0,11-0,15

Макси-мально для фракции >20

ММК

отвальный доменный

1,67-2,75

1,91

фрак-ция <0,63

2,16-3,45

100 %

фракция

>2,5-5

Макси-мально для фрак-ции 2,5-5

Соот.

0,12-0,19

1,0

фракция 2,5-5

ДМК

отвальный доменный

1,69

средняя проба

1,68-1,82

2,05 средняя проба

70,5 %

макси-мально для фракции

<0,63

Не соот.

Соот.

Средняя проба

Не соот.

АМК

отвальный доменный

1,66-3,42

1,82-1,97

фрак-ция >5

2,14-5,3

167,3 %

фракция >5

0,63-1,45;

фрак-ция >5

0,63-1,01

Соот.

0,14-0,21

90,4-167,3

фракция >5

«Арселор Миттал»

отвальный доменный

1,33

средняя проба

Не соот.

3,46

средняя проба

81,72 % средняя проба

Не соот.

Соот.

0,12

средняя проба

0,88

средняя проба

«Арселор Миттал»

гранули-рованный доменный шлак

2,19-5,94

фрак-ция >10

2,01

фрак-ция >10

2,74

фракция >10

78,44 %

фракция >10

1,95 фрак-ция >10

белого цвета

Соот.

0,11-0,17

фракция >10

0,74-2,2

фракция >10

требованиям, предъявляемым к химическому составу сырьевых глинистых пород для производства портландцемента, включая массовые доли отдельных оксидов: MgO, K2O, Na2Oи TiO2. Общим нежелательным свойством является пониженное (<8 sub="">2O3и превышение рекомендуемого массового вклада SO3(≤1 %). Исключение составляет средняя проба отвального доменного шлака «АрселорМиттал». Все шлаки основные по своей природе (Мо>1,0).

<8 sub="">

Коэффициент качества КК исследованных шлаков превышает рекомендуемый предел. Значения гидравлического модуля Мгидр. соответствуют оптимальным за исключением отвального доменного шлака «АрселорМиттал». Величины модулей глиноземного Мгл и силикатного Мс укладываются в широкий оптимальный интервал. По величинам КН можно сделать рекомендации по использованию отдельных фракций шлаков или шлака в целом в качестве сырьевого глинистого компонента производства цементного клинкера, либо в качестве компонента ШПЦ.

Рекомендации по практической утилизации доменных шлаков в качестве сырьевого компонента цементного производства основываются на высоких оптимальных значениях показателей КК, КН по Ли-Паркеру и Кинду-Джангу и Мгидр. (за исключением отвального доменного шлака «АрселорМиттал»). Рекомендованы к утилизации в производстве портландцементного клинкера при замене части глины без рассеивания на гранулометрические фракции отвальные доменные шлаки «Запорожсталь», ДМК, «АрселорМиттал»; отдельные фракции шлаков: 2,5-5,0 мм ММК, >5,0 мм АМК и >10 мм «АрселорМиттал». В качестве глинитно-железистой добавки может использоваться отвальный доменный шлак «АрселорМиттал».

Обобщение полученных количественных критериев показывает, что для большинства обследованных металлургических комбинатов возможна утилизация шлаков или отдельных их фракций в качестве компонентов ШПЦ. По качественному оксидному составу доменные шлаки полностью соответствуют составу портландцементного клинкера. Количественно близки к среднему для портландцементов массовые вклады кремнезема, глинозема и оксида магния. Чаще всего занижены массовые вклады СаО и Fe2O3и наоборот – завышено содержание SO3. Для всех шлаков содержание SiO2ниже, чем суммарный массовый вклад СаО и Al2O3, что характерно для состава портландцемента.

Кристаллическая часть отвальных доменных шлаков содержит гидравлически активные минералы в массовых долях 28,5-42 %, для фракций гранулированного шлака «АрселорМиттал» разброс значений больше – (9,5-43,6 %).

Согласно величине модуля активности Ма все шлаки относятся к 3 сорту шлаков. Оптимальные величины гидравлического модуля и КН характерны для каждого из шлаков или для их определенный фракций.

Соответствие оптимальным значениям критериев: Ма, Мгидр. и КН (за исключением шлака ДМК) определяет направление утилизации доменных шлаков как компонентов ШПЦ.

Рекомендованы к утилизации в производстве ШПЦ без рассеивания на фракции отвальные доменные шлаки ДМК и «АрселорМиттал», а также отдельные гранулометрические фракции: >20 мм «Запорожсталь», 2,5-5,0 мм ММК, >5 мм АМК и >10 мм «АрселорМиттал» (гранулированный шлак).

Полученные экспериментальные данные легли в основу производства радиационно-безопасных вяжущих материалов.Способ производства радиационно-безопасного ШПЦ может использоваться на цементных заводах при изготовлении продукции, предназначенной для сооружения зданий социального и жилого назначения. Сущность способа [6] состоит в совместном помоле шлакопортландцементного клинкера и отвального доменного шлака. Первоначальной стадией является выделение гранулометрической фракции доменного шлака, обладающей пониженными радиационными характеристиками. Для этого проводят рассев отвального доменного шлака на гранулометрические фракции и определяют их радиоактивные характеристики с помощью гамма-спектрометрического метода. Оптимальной считается та фракция шлака, которая имеет низкий уровень активности природных радионуклидов и включает гидравлически активные минералы, что определяется с помощью рентгенофазового анализа. В дальнейшем отобранные фракции используются вместо части глинистого компонента в процессе обжига сырьевой смеси для получения шлакопортландцементного клинкера. Полученный клинкер перемалывается совместно с отобранной фракцией шлака. Подобная совокупность технологических операций обеспечивает снижение удельной радиоактивности и способности к эманации изотопов радона ШПЦ, уменьшение доз внешнего гамма-излучения готового строительного материала и внутреннего облучения человека в шлакопортландбетонных зданиях.

Технологическая схема способа получения радиационно-безопасного ШПЦпредставлена на рис. 1. Отвальный доменный шлак со склада шлака 1 поступает на сита 2, где осуществляется отбор наиболее радиационно-безопасной фракции шлака. Отобранная фракция сушится в сушилке 3 при температуре около 600 °C до остаточной влажности менее 1 %. Высушенный материал подается в сырьевой цех 5, где шлак используется как глинистый компонент сырьевой смеси. Туда же подается высушенный в сушилке 4 известняк. После дозирования сухой шлак и известняк подвергаются совместному помолу в сырьевую муку в шаровой мельнице 6. Тщательно перемешанная и откорректированная в смесительных силосах 7 сырьевая мука поступает во вращающую печь 8, где осуществляется обжиг сырьевой смеси с получением портландцементного клинкера. Клинкер временно складируется на складе 9. Далее клинкер с гипсом и высушенным и измельченным в дробилке 10 отвальным шлаком поступают в цех помола клинкера 11 для приготовления ШПЦ. Последний измельчается до остатка менее 15 % на сите № 008, что отвечает удельной поверхности 3000 см2/г.

Рисунок 1 – Технологическая схема способа получения радиационно-безопасного ШПЦс использованием отвального доменного шлака: 1 – склад шлака; 2 – сита;                    3, 4 – сушилка; 5 – сырьевой цех; 6 –шаровая мельница; 7 – смесительные силосы; 8 – печь обжига; 9 – клинкерный склад; 10 – дробилка, 11 – цех помола клинкера

Предложенный способ обеспечивает снижение удельной радиоактивности и способности к эманации изотопов радона ШПЦ, уменьшение доз гамма-излучения готового строительного материала и внутреннего облучения человека, разрешает экологические проблемы при вторичном использовании отвальных шлаков, направлен на сокращение топливно-энергетических затрат и повышение эффективности производства ШПЦ.

Выводы

? Показана целесообразность обоснования направления  практической утилизации доменных шлаков в производстве вяжущих веществ по количественным критериям: в качестве сырьевого компонента цементного производства – по оптимальным значениям КК, КН по Ли-Паркеру и Кинду-Джангу и Мгидр.; в качестве компонентов ШПЦ – по оптимальным значениям КН, Мгидр., Ма.

? Рекомендованы к утилизации в качестве сырьевого компонента вместо глины в производстве портландцементного клинкера без рассеивания на гранулометрические фракции отвальные доменные шлаки «Запорожсталь», ДМК, «АрселорМиттал», а также гранулометрические фракции шлаков: 2,5-5,0 мм ММК, >5,0 мм АМК и >10 мм «АрселорМиттал». Показано, что отвальный доменный шлак «АрселорМиттал» может использоваться в качестве глинитно-железистой добавки.

? Обоснована утилизация как компонента ШПЦ отвальных доменных шлаков ДМК и «АрселорМиттал» без рассеивания на фракции, а также гранулометрических фракций: >20 мм «Запорожсталь», 2,5-5,0 мм ММК, >5 мм АМК и >10 мм «АрселорМиттал» (гранулированный шлак).

? Экспериментально доказана принадлежность доменных шлаков к І классу радиационной опасности, что позволяет утилизировать их в строительстве без ограничения.

? Разработан способ производства радиационно-безопасного шлакопортландцемента.

Литература:

  • 1. Нормы радиационной безопасности Украины (НРБУ-97) и основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизированных излучений. – К., 1998. – 159 с.
  • 2. Перепилицын В.А. Основы технической минералогии и петрографии. М.: Недра, 1987.− 255 с.
  • 3. Кужварт М. Неметаллические полезные ископаемые. М.: Мир, 1986. − 472 с.
  • 4. ГОСТ 3476-74 «Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цементов».
  • 5. Справочник по производству цемента / под ред. Холина И.И. – М.: Госстройиздат, 1963. – 851 с.
  • 6.Патент UA41223 U,МПК С04B7/14(2009.01). Спосіб виготовлення радіаційно безпечного шлакопортландцементу з використанням відвального доменного шлаку / Е.Б. Хоботова, М.І. Уханьова, Ю.С. Калмикова; власник ХНАДУ. – Заявка U 2008 14552 від 17.12.2008; опубл. 12.05.2009; Бюл. № 9.

Комментарии: 2

ап

Работа очень интересная, приводится рассмотрение повыщения рациональности использования твердых промышленных отходов, что важно в современных тенденциях безотходного применения в любых производствах. Для меня старого конструктора промыш- ленности средств связи СССР очень важно не только постановка вопроса, а и практические рекомендации, Вы это сделали в своей работе. Это очень похвально, дай Бог Вам успехов в дальнейшей полезной для людей работе. Всегда Ваш ЕНИТ.

ап

Работа очень интересная, приводится рассмотрение повышения рациональности использования твердых промышленных отходов, тенденции безотходного применения любых производств, что сечас очень важно. Для меня старого контсруктора промышленности средств связи СССР важны не только постановка вопроса, но и пратические рекомендации приведенные авторами этой шикарной\статьи. Дай Бог Вам дальнейших успехов в Вашей деятельности на благо людей! Всегда Ваш ЕНИТ.
Комментарии: 2

ап

Работа очень интересная, приводится рассмотрение повыщения рациональности использования твердых промышленных отходов, что важно в современных тенденциях безотходного применения в любых производствах. Для меня старого конструктора промыш- ленности средств связи СССР очень важно не только постановка вопроса, а и практические рекомендации, Вы это сделали в своей работе. Это очень похвально, дай Бог Вам успехов в дальнейшей полезной для людей работе. Всегда Ваш ЕНИТ.

ап

Работа очень интересная, приводится рассмотрение повышения рациональности использования твердых промышленных отходов, тенденции безотходного применения любых производств, что сечас очень важно. Для меня старого контсруктора промышленности средств связи СССР важны не только постановка вопроса, но и пратические рекомендации приведенные авторами этой шикарной\статьи. Дай Бог Вам дальнейших успехов в Вашей деятельности на благо людей! Всегда Ваш ЕНИТ.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.