Доменные шлаки - альтернатива цемента

доменный шлак

 

 

При работе металлургических предприятий возникает их побочный продукт – шлаки. Доменные шлаки недостаточно используются в качестве сырья и накопляются, образуя огромные отвалы (по стране более 2 млрд. тонн) и способствуя значительному изъятию из землепользования ценных угодий (более 16 тыс. га); не говоря уже об экологической составляющей.

 

Доменные шлаки частично используются при производстве стройматериалов и в цементной промышленности при производстве шлакопортландцементов (ШПЦ) в качестве добавок к основному и дорогому компоненту портландцемента (ПЦ) – клинкеру, что приводит к некоторому снижению себестоимости ШПЦ по сравнению с ПЦ. Мировой и отечественный опыт показывает, что при производстве клинкера по существующей технологии сырьем являются первичные природные материалы, добыча которых экономически затратна, что значительно повышает себестоимость клинкера, а в итоге и конечного продукта – цемента. С 2005 года цена на цемент выросла на порядок.

Использование вторичного сырья – промышленных отходов, например, доменных шлаков, в несколько раз снизит себестоимость производства вяжущих материалов. Эффективность получения вяжущих на основе или полностью из доменных шлаков возрастет при снижении или полном исключении в составе вяжущего дорогой ее составляющей – ПЦ клинкера. Поэтому исследования факторов, влияющих на активность (вяжущие свойства) доменных шлаков, являются актуальной работой. Автор этих строк выполнил ряд исследований в этом направлении, которые решают вопросы утилизации шлаков с получением дешевых вяжущих материалов, способных заменить цемент. Результаты исследований, которые явились основой моей диссертационной работы, защищены семью патентами Украины, опубликованы в научных сборниках (более 20) и докладывались на пяти научных конференциях и форумах.

Отсутствие исследований влияния факторов на механизм и кинетику формирования гранулометрической структуры с максимальным показателем активности затрудняло разработку технологии производства активных (вяжущих) материалов из доменных шлаков. Поэтому при решении задачи разработки технологии получения вяжущих материалов я поставил цель – установить гранулометрический состав, при котором доменные шлаки приобретают наибольшую активность. Для этого был выполнен комплекс исследований по измельчению шлаков (тонкое – шаровое, дисперсное – струйное), по исследованию гранулометрических характеристик на лазерных приборах MALVERN и Multisizer3 в лаборатории запорожского комбината «Абразив», по прочностным показателям фракций доменного шлака разной дисперсности.

Исследовались доменные шлаки комбинатов им. Ильича, «Азовсталь» и «Криворожсталь». Было установлено, что модули гидравлической активности шлаков всех трех металлургических комбинатов составили порядка m = 1,02 - 1,07, в то время как у ПЦ m = 1,7 - 2,4, то есть доменные шлаки по модулю гидравлической активности, который определяется их химсоставом, являются скрытно-гидравлическими полиоксидными соединениями. Для повышения их активности требуется добавка активизаторов, что и предусматривается в технологии получения шлакопортландцементов (ШПЦ), в которых к размолотому шлаку добавляют 40-60% ПЦ клинкера. В проведенном исследовании повышение активности доменных шлаков было выполнено путем токодисперсного струйного измельчения.

Было установлено, что измельченные шлаки до удельной поверхности S ? 0,6 м2/г и при определенном грансоставе повышают активность до 300 кг/см2 (М300), которая потенциально обусловлена химсоставом. При последующей механоактивации данного продукта активность увеличивалась до 400 кг/см2. Полученные продукты по прочностным характеристикам соответствуют цементам М300 и М400 и являются бесклинкерными вяжущими материалами. При добавке к продукту струйного измельчения (М300) 15-20% ПЦ прочность образцов возрастает до 400 кг/см2. На основе полученных результатов были разработаны технологические схемы (линии) получения вяжущего материала из доменных шлаков: 1 – бесклинкерное вяжущее – М300, 2 – селективная активация продукта струйного помола – М400, 3 – схема (линия) получения вяжущего с добавками 15-20% ПЦ – М400. Все предлагаемые варианты обладают высокорентабельным уровнем по себестоимости продукции (вяжущего), энергозатратам и экологическому фактору – отсутствуют выбросы СО2 в атмосферу.

В настоящее время в Великобритании Научно-исследовательской организацией по строительству (Building Research Establishment) предложена система оценки экологических свойств строительных материалов, в соответствии с которой эти свойства оцениваются в баллах: чем выше балл, тем ниже экологические свойства оцениваемого материала. По предложенной системе экологические свойства молотого доменного граншлака оценены баллом 0,47, портландцемента – баллом 4,6, т. е. использование шлака примерно в 10 раз благоприятнее для окружающей среды, чем портландцемента.

Выше приведенные результаты исследований были получены на граншлаках, которые, имея аморфную структуру и аккумулированную при грануляции скрытую тепловую энергию, являются более активными относительно шлаков отвальных. В процессе хранения в отвалах происходит реструктуризация, и шлаки приобретают менее активную кристаллическую структуру. При механоактивации таких шлаков (5-, 10-летнего сроков хранения) не удалось повысить активность выше 50 кг/см2, т. е. отвальные шлаки непригодны для получения вяжущих путем повышения их активности измельчением (механоактивацией).

Поэтому исследования с отвальными шлаками проводились автором этих строк в другом направлении. Была исследована возможность получения клинкера из вторичного сырья: отвальных шлаков и «хвостов» известняка – фракция менее 10 мм, непригодная для аглодоменного производства, которых в отвалах Комсомольского рудоуправления десятки млн. тонн.

Был выполнен теоретический анализ на основе химсоставов отвальных шлаков комбината им. Ильича и «хвостов» известняка Комсомольского рудоуправления с целью определения возможности получения клинкера из двухкомпонентной смеси: отвальный шлак + «хвосты» известняка. Расчетом установлено, что полученная величина модуля гидравлической активности такого клинкера будет составлять 2,39 при максимальном у ПЦ клинкера - m = 2,4, т. е. должен вполне соответствовать ПЦ клинкеру.

В лаборатории кафедры ТМП ПГТУ в печи Таммана был проведен эксперимент получения клинкера из расчетной сырьевой двухкомпонентной смеси при разных температурных режимах. Полученный в эксперименте клинкер предварительно был измельчен в лабораторной планетарной мельнице (ПГТУ). Проведенные прочностные испытания данного материала показали, что активность полученного вяжущего составила 500-600 кг/см2.

Результаты эксперимента полностью подтвердили возможность получения клинкера из отходов производства – отвальных шлаков и «хвостов» известняка. При установке в Комсомольске завода, работающего на отвальных шлаках комбинатов  им. Ильича и «Азовстали» и «хвостах» известняка Комсомольского рудо-
управления, решается проблема загрязнения территории отвалами шлака и известняка.

Получаемый по такой технологии клинкер будет дешевле традиционного, так как исключается использование первичных природных материалов (мергель, глина, известняк), добыча которых требует значительных затрат. Кроме этого, использование дисперсного измельчения компонентов цемента (шлак + клинкер) снизит порядка до 4 раз использование клинкера, т. е. для производства 1 млн. тонн цемента потребуется 200-250 тыс. тонн клинкера вместо 950 тыс. тонн по традиционной технологии, используемой на цементных заводах. Отсюда и снижение эмиссии СО2 в атмосферу порядка в четыре раза. Решается не только экологическая проблема, но и получается дополнительная значительная прибыль (десятки млн. грн), которые положительно скажутся на снижении себестоимости основной продукции комбинатов – металле.

Дисперсное измельчение вяжущего (цемента) перед его использованием широко применяется в США, где цемент всегда подвергают механоактивации до М600, что в 1,5 раза снижает его расход, а следовательно, и стоимость строительного изделия. Поэтому использование дисперсного измельчения шлаков при получении вяжущего материала по предлагаемым вариантам дает возможность получения дешевого вяжущего материала из отходов металлургического производства.

Вяжущие материалы на основе доменных шлаков относительно ПЦ более стойкие к воздействию агрессивной среды, например, обладают повышенной стойкостью к воздействию содержащихся в морской воде хлоридов. Следовательно, они могут применяться при укреплении морского берега, что для нас является актуальным.

Внедрение предлагаемых технологий переработки шлаков сделает металлургические комбинаты крупными поставщиками на рынок дешевых вяжущих материалов.

За рубежом в развитых странах уделяется большое внимание к использованию металлургических шлаков. Например, парламенты Великобритании, Германии и США приняли закон, согласно которому предприятиям, занимающимся переработкой металлургических шлаков, предоставляются налоговые льготы.

Предлагаемые технологии переработки доменных шлаков отличаются тем, что предусматривается использование шлаков не как балластный материал, наполнитель, а получение из него активного вяжущего материала, заменяющего цемент. А это на сегодняшний день актуально даже исходя из того, что большинство цементных заводов Украины (12 из 15 – данные на 2007 г.) приобретены иностранцами, которые, монополизировав отрасль, диктуют цены на цемент. С 2005 г. по 2013 г. цены на цемент выросли на порядок.

Protected by Copyscape Web Plagiarism Tool INTEREXPO: Цемент Железобетонные изделия