Характеристика и применение металлургического шлака

Металлургический шлак находит свое применение в качестве подсыпки для дороги и в других сферах деятельности. Его состав и плотность, особенности производства представляют определенный интерес для промышленности. О том, что это такое в металлургии, как используется, стоит поговорить более подробно.

Существует множество побочных продуктов, остающихся от выплавки черного и цветного металлов. Основным отходом производства является шлак. Он представляет собой продукт распада руды, может иметь разнородный состав, различные свойства и характеристики. Металлургический шлак получают наравне с золой, остающейся после выплавки стали, чугуна. Он остается на производстве после переработки, требует последующей утилизации или повторного использования в качестве самостоятельного материала.

Металлические шлаки — продукты высокотемпературной обработки. Это отходы силикатного типа, имеющие многокомпонентную структуру. Долгое время шлаки просто утилизировались, не представляя особого интереса. Все изменилось во второй половине XX века. Именно с этого момента отходы металлургии стали активно применять в строительстве, сельскохозяйственной отрасли, при прокладке дорожных сетей.

Состав металлургического шлака неоднороден. Фактически он представляет собой химический сплав окислов, занимающих от 90 до 95% объема. Оставшаяся доля приходится на сульфиды, сульфаты, галоидные соединения. В зависимости от содержания окислов шлаки делятся на основные (с показателем до 1%), моносиликаты (1%), бисиликаты (2%), кислые (до 3%).

Перечислим остальные характеристики.

1. Удельный вес куба. Он составляет 0,7-1,9 т для продукта в россыпи, а для кускового – 0,7-2,9 т.
2. Класс опасности. Для всех металлургических шлаков устанавливается IV степень. Это означает, что отход металлургии вреден для окружающей среды, требует правильной утилизации и переработки.
3. Плотность. Ее показатели варьируются от 750 до 1100 кг/м3.
4. Выход на 1 т металла. Для черных металлов он составляет от 100 до 700 кг. Современное производство предусматривает использование разных процессов выплавки металла. В доменной печи средний показатель равен 80 кг/т, в мартеновской – около 30 кг/т, при конвертерной технологии – не превышает 18 кг/т. Цветная металлургия выдает до 200 т шлака на 1 т металла.

Все эти показатели учитываются при дальнейшем использовании отходов металлургической промышленности.

По способу производства шлаки в металлургии подразделяют на несколько групп. В условиях завода переработка отходов происходит одновременно с другими процессами. Например, отделение конвертерного шлака при выплавке стали осуществляется в процессе продувки расплавленного черного металла. Все посторонние включения при этом окисляются, а затем удаляются.

При выплавке черных металлов используется преимущественно метод с использованием вагранок. Это печи шахтного типа, первоначально используемые в производстве чугуна. У метода высокий КПД, в отличие от доменной обработки он не меняет химический состав сплава. Шлак спускается через специальную летку.

Для плавления цветных металлов используют другие типы печей. Получаемый при этом шлак, покрытый пленкой, перерабатывают особым способом.

Несмотря на совершенствование технологий, основным способом получения шлаков в черной металлургии является процесс плавления металла в доменной или мартеновской печи. В этом случае сбор отходов осуществляется благодаря более низкой удельной плотности. Шлак всплывает над поверхностью чугуна, удаляется через специальную летку. При мартеновском способе плавления отходы также скапливаются над стальной жидкой массой, их сбор не составляет труда.

Основная классификация металлургического шлака осуществляется исходя из способов его производства и состава. Именно они определяют, каким будет дальнейшее применение материала. Базовое деление разграничивает отходы черной и цветной металлургии. Вторая группа не слишком многочисленна, содержит значительное количество оксидов железа с примесями кальция и магния, также в составе присутствуют более ценные примеси.

Группы шлаков, получаемые при производстве черных металлов, более разнообразны. Они делятся на 4 вида.

1. Ферросплавные. Образуются в процессе изготовления соответствующих сплавов. Помимо железа, в таких шлаках встречаются кремний, марганец, хром, другие типы примесей.
2. Ваграночные. Получаются при выплавке чугуна в вагранках — особых печах. Состоят из образовавшегося флюса, кокса, пригара, золы и продуктов окисления металлов. Доля оксидов в них достигает 90%. Полученный продукт имеет кислотность выше 3%, выделяет минералы, алюмокремниевые стекловидные частицы.
3. Сталеплавильные. Их получают при открытой выплавке стали вне зависимости от типа агрегата. Это оксиды с низкой плотностью, не содержащие летучих соединений, часто имеющие значительную долю загрязнений. Для шлаков этого типа характерно высокое содержание продуктов окисления железа и марганца.
4. Доменные. Самый распространенный тип, имеет силикатную или алюмосиликатную структуру. В зависимости от химического состава при остывании шлак приобретает каменистую структуру, из которой в дальнейшем получают щебень или другой строительный материал, но может и рассыпаться в порошок. Для определения последующего назначения материала используют специальную систему контроля качества.

По своему составу шлаки черной металлургии после остывания делятся на распадающиеся и нераспадающиеся породы. Вторая группа приобретает вид каменистых образований. Распадающиеся варианты принято делить на категории согласно их минеральному составу.

Чаще всего встречаются следующие варианты:

• силикатные – при утилизации они распадаются на мелкодисперсные порошкообразные частицы;
• известковые – дробящиеся в крошку разного размера;
• марганцевые – растворяющиеся во влажной среде;
• железистые – подверженные растрескиванию под воздействием влаги.

Шлаки, не распадающиеся под влиянием внешней среды, применяются в качестве основы для производства щебня и других видов строительного камня. В зависимости от способа обработки их охлаждают и дробят полусухим методом в специальных барабанах либо подвергают «мокрому» воздействию сильной струи воды.

Гранулированные шлаки — отходы доменной выплавки черных металлов — являются самыми доступными для последующей переработки. Их роль в сфере строительства сложно переоценить. Материал является источником получения щебня — более дешевого, чем природный камень. Готовый продукт применяют:

• для строительства дороги — в качестве подсыпки;
• в производстве ЖБИ;
• в сельском хозяйстве, в качестве дренажа для почвы;
• в изготовлении бетонов, в качестве заполнителя.

Шлаки, получаемые при производстве ферросплавов и при сталелитейном производстве, в виде порошкообразных примесей добавляют в цемент. Такой состав приобретает повышенную химическую стойкость. В сочетании с портландцементным клинкером удается дополнительно улучшить физические свойства материала. Смешанные с жидким стеклом или содой гранулированные шлаки применяют при изготовлении бетонных смесей, способных твердеть при пониженных температурах.

При литьевой обработке шлака можно получить готовые изделия: тротуарную плитку и бордюрный камень, интерьерные напольные покрытия. Также этот метод позволяет создавать трубы и фитинги к ним, фасадную отделку. Затраты на производство существенно снижаются, а по своим характеристикам готовый материал не уступает традиционным аналогам из металла или железобетона. Литье производится путем формовки расплавленного шлака.

Из вязкого доменного, сталеплавильного, ваграночного сырья можно получить минеральную вату. Для этого нагретый до жидкого состояния состав отправляется в вытяжные машины для формирования волокон.