ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТИ історія питання
На початку 20 століття виробники чавуну почали шукати можливі сфери застосування доменного шлаку – продукту, отриманого разом із чавуном у доменній печі у вигляді розплаву.
До 1917 стало очевидно, що шлак є цінним продуктом, і що компаніям – виробникам шлаку варто об'єднатися для більш ефективного просування нового продукту. У 1918 році у США була створена Національна Шлакова Асоціація.
У 1919 року у США існувало 14 компаній – виробників шлаку, яким належало 32 заводи.
За весь час існування людства доменний шлак пройшов шлях від використання в дорожньому будівництві (як агрегат) в Античному Римі до цінного будівельного матеріалу з різноманітними сферами застосування в наш час. Зараз шлак знаходить широке застосування в будівельній індустрії, включаючи: виробництво гранульованого доменного шлаку, змішаного (багатокомпонентного цементу), гідравлічних закладок, монолітного та конструкційного бетону, асфальтобетону, гранульованого заповнювача, мінеральної вати, покрівельного матеріалу, багато іншого.
Визначення та опис шлаку
Американське товариство з випробування матеріалів (ASTM C125) визначає доменний шлак як «неметалічний продукт, що складається в основному із силікатів та алюмінатів кальцію, отриманий разом із чавуном у доменній печі у вигляді розплаву».
При виробництві чавуну в доменну піч завантажуютьзалізну руду, флюсовий камінь (вапняк та/або доломіт) та кокс. Продукція, що виходить на виході з печі - розплавлений чавун і шлак. Шлак складається в основному з кварцу та оксидів алюмінію (від залізної руди) та оксидів кальцію та магнію (від флюсового каменю). З печі шлак виходить у розплавленому стані, причому температура розплаву може перевищувати 1480 C (2700 F). Існує чотири основні способи обробки розплавленого шлаку: охолодження повітрям, швидке охолодження холодною водою (спукування шлаку), дроблення та помел. При кожному з даних методів обробки виходить унікальний шлаковий матеріал, що має відмінні властивості.
Хімічні властивості
Основні складові доменного шлаку - кварц, оксиди алюмінію, кальцію та магнію, на які припадає 95% всього складу шлаку. Інші 15% - марганець, сполуки заліза та сірки та слідова кількість інших елементів. Однак, слід зазначити, що основні оксиди, що входять до складу шлаку, не зустрічаються у вільній формі. У доменному шлаку, охолодженому повітрям, оксиди об'єднуються в різні силікати та алюмосилікатні мінерали, такі як меліліт, мервініт, волластоніт та ін, які також існують у вигляді природних порід. У дробленому та меленому шлаках, дані елементи присутні у вигляді скла. Хімічний склад шлаків варіюється в дуже вузьких межах, оскільки вся сировина, що завантажується в доменну піч, дуже ретельно відбирається та змішується.
типовий хімічний склад доменного
* В основному у вигляді сульфіду кальцію
Фізичні властивості
Фізичні характеристики шлаку, такі як вага, розмір часток, структурні властивості та ін. різняться залежно від способу обробки розплавленого шлаку. Відповідно, кінцеве застосування обробленого шлаку також залежить від методу обробки.
Останнім часом в Україні та інших країнах велика увага приділяється проблемі використання вторинних ресурсів. Одним із найбільш перспективних напрямів утилізації промислових відходів є використання їх у виробництві будівельних матеріалів.
Металургія займає одне із провідних місць серед інших галузей промисловості. На основних технологічних переділах виробництва чорних та кольорових металів утворюються побічні продукти – відходи, хіміко-мінералогічний склад та фізико-механічні властивості яких дозволяють вважати їх цінною сировиною для виробництва будівельних матеріалів. Переважна більшість відходів металургійних процесів утворюється як шлаків.
Шлаки – продукти високотемпературної взаємодії компонентів вихідних матеріалів – палива, руди, плавнів та газового середовища. Важко, мабуть, знайти іншу сировину, яка мала б таку безліч цінних якостей і при цьому так довго пробивала б шлях до широкого застосування в будівельній промисловості, як шлак. У багатьох районах країни зі шлаку збудовано багатоповерхові будинки, промислові будівлі, зведено мости та греблі, прокладено стрічки автострад. З обтяжливого відходу він стає визнаною сировиною будівельної промисловості [1].
Найраніша спроба використання доменного шлаку відноситься до 1589, коли в Німеччині з нього відливали гарматні ядра. У будівництві шлак почали застосовувати лише у 18 столітті. У НижньомуТагілі зі шлакових розплавів почали відливати плити для сходів, бруківку для доріг. У Швеції литі шлакові камені застосовувалися замість цеглини для кладки верхньої частини шахт доменних печей. В Україні та інших країнах відвальний шлак використовували як щебеню при будівництві доріг. У наступні роки цінні властивості шлаків ще більше привертають увагу вчених та практиків у всьому світі до проблеми застосування шлаків у будівництві [2].
Для вирішення питань організації переробки шлаків, використання їх, координації наукових досліджень та досвідчених робіт, у Москві 1933 р. було створено Всесоюзну контору з шлакопереробки. У багатьох країнах створені спеціальні інститути та організації, що займаються питаннями використання шлаку в будівництві, іноді на базі металургійних заводів: у США – Національна шлакова асоціація, у Франції – Технічна асоціація з вивчення та використання доменних шлаків, у Канаді – Національна шлакова асоціація, В Англії – Британська асоціація шлаку. Організація переробки шлаків у різних країнах неоднакова, що пояснюється специфічними умовами кожної країни. В Англії та Німеччині шлакову продукцію отримують безпосередньо на металургійних заводах, в інших країнах шлак в рідкому стані або частково оброблений передають компаніям і спеціальним фірмам з виробництва будівельних матеріалів. Необхідно відзначити дуже результативні дії Національної шлакової асоціації США, до заслуг якої належить створення шлакопереробної індустрії. Шлак визнаний мінеральним сировинним матеріалом. Переробка шлаку в основному здійснюється фірмами, незалежними від металургів, і лише в деяких випадках металургійні компанії переробляють шлак для своїх потреб та продають його [3]. У США, Англії, Німеччині, Франціїметалургійні шлаки, що повітряно охолоджуються, в основному переробляються на щебінь, що застосовується як баласт при будівництві залізниць, а також використовують як заповнювач при спорудженні аеродромних покриттів і автомобільних доріг. Асфальтобетонне покриття із застосуванням шлакового заповнювача характеризується високою міцністю, стійкістю до стирання, великим коефіцієнтом зчеплення, відсутністю зсувних деформацій. Вся продукція шлакопереробки є економічно вигідною. Наприклад, шлаковий щебінь в 1,5-2 рази дешевший за природний і вимагає в 4,5 рази менше питомих капітальних вкладень. Шлакова пемза в 3 рази дешевша за керамзит і вимагає в 1,5 раза менше питомих капітальних вкладень [4].
Основним видом промислової продукції, що виробляється на основі металургійних шлаків, є шлакопортландцемент. Вперше гранульований шлак був застосований як добавка для виробництва цементу в Німеччині в 1892 р.
Шлакопортландцементи широко застосовуються нині у багатьох країнах для загальних будівельних робіт, для гідротехнічних споруд та збірних залізобетонних виробів (наприклад, бетонні труби). За міцністю вони не поступаються портландцементу, але потребують ретельного догляду при підвищених і знижених температурах.
Історично склалося так, що доменні гранульовані шлаки в Україні та деяких європейських країнах використовуються переважно для виробництва в'яжучих матеріалів, особливо для виробництва шлакопортландцементу. У та Японії вони застосовуються переважно виробництва заповнювача. Останній напрямок дозволяє залучити до будівельного комплексу значно більшу кількість шлаку, ніж у виробництво з нього в'язких речовин. Особливо ефективним є виробництво шлакового щебеню при використанні технології.придоменной переробки шлаку. При цьому використовується та теплова енергія, яка була акумульована шлаковим розплавом у процесі виробництва чавуну. Така технологія дозволяє досягти значної економії паливно-енергетичних ресурсів.
В останні роки спостерігається зростання шлакових відвалів навколо металургійних заводів України. Однією з причин зменшення використання доменних гранульованих шлаків цементною промисловістю є падіння попиту шлакопортландцемент. У цьому набуває великого значення розширення масштабів виробництва шлакового заповнювача, зокрема шлакової пемзи, яка є замінником керамзиту, і навіть литого шлакового щебеню для важких бетонів.
Необхідно підкреслити, що бетони із заповнювачем із доменних гранульованих шлаків відрізняються рядом переваг перед традиційними бетонами. Як було встановлено роботах [5, 6] доменний шлак у складі портландцементного бетону виконує функцію активного заповнювача, тобто. його поверхневий шар реагує з гідроксидом кальцію, що виділяється при гідролізі аліту. При цьому утворюється додаткова кількість гідросилікатів кальцію, які створюють надзвичайно міцний зв'язок заповнювача з цементною матрицею, повністю зникають капілярні канали, які в результаті усадки каменю цементного утворюються між ним і поверхнею заповнювача. Це призводить до значного підвищення корозійної стійкості бетону з активним наповнювачем у порівнянні з традиційними складами в більшості агресивних середовищ, у тому числі навіть проти такого грізного виду хімічної агресії, як кислотна. Крім того завдяки специфічній структурі та відсутності мікрозазорів на межі розділу в'яжучого та заповнювача, такі бетони мають відмітні фізико-механічні характеристики.Саме цим обумовлено широке застосування бетонів на шлаковому заповнювачі США, Японії та інших країнах.
В Україні шлаковий заповнювач використовується порівняно рідко, тому є величезні резерви розширення виробництва бетонів на шлаковому заповнювачі, що дозволить призупинити зростання шлакових відвалів в районах розташування металургійних заводів України.
З аналізом українського ринку металургійних та паливних шлаків та з аналізом обладнання для виробництва цементу на основі шлаків Ви можете познайомитись у звітах Академії Кон'юнктури Промислових Ринок «Ринок шлаків в Україні» та «Аналіз обладнання для виробництва шлаколужного в'яжучого».