фон ШЛАКОВИ ПОРТЛАНД ЦИМЕНТИ
В началото на 20-ти век производителите на желязо започнаха да търсят възможни приложения за шлака от доменни пещи, продукт, получен заедно с чугуна в доменна пещ под формата на стопилка.
До 1917 г. става ясно, че шлаката е ценен продукт и че компаниите за шлака трябва да се обединят, за да популяризират новия продукт по-ефективно. През 1918 г. в САЩ е създадена Националната шлакова асоциация.
През 1919 г. в САЩ има 14 компании за шлака, които притежават 32 фабрики.
За цялото време на съществуване на човечеството доменната шлака е преминала от пътно строителство (като инертен материал) в Древен Рим до ценен строителен материал с разнообразни приложения в наше време. Сега шлаката се използва широко в строителната индустрия, включително: производството на гранулирана доменна шлака, смесен (многокомпонентен цимент), хидравличен пълнеж, монолитен и строителен бетон, асфалтобетон, гранулиран агрегат, минерална вата, покривен материал, стъкло, структуриране на почвата и много други.
Определение и описание на шлаката
Американското дружество за изпитване и материали (ASTM C125) определя шлаката от доменна пещ като "неметален продукт, състоящ се основно от калциеви силикати и алуминати, произведен заедно с чугун в доменна пещ като стопилка."
При производството на чугун доменната пещ се зарежда сжелязна руда, флюсов камък (варовик и/или доломит) и кокс. Продуктите, получени на изхода на пещта, са разтопено желязо и шлака. Шлаката се състои главно от кварц и алуминиеви оксиди (от желязна руда) и калциеви и магнезиеви оксиди (от флюсов камък). Шлаката излиза от пещта в разтопено състояние и температурата на стопилката може да надхвърли 1480˚C (2700˚F). Има четири основни начина за обработка на разтопена шлака: въздушно охлаждане, бързо охлаждане със студена вода (набъбване на шлаката), раздробяване и смилане. Всеки от тези методи на обработка произвежда уникален шлаков материал с отличителни свойства.
Химични свойства
Основните компоненти на доменната шлака са кварц, оксиди на алуминий, калций и магнезий, които представляват 95% от общия състав на шлаката. Останалите 15% са съединения на манган, желязо и сяра и следи от други елементи. Все пак трябва да се отбележи, че основните оксиди, които изграждат шлаката, не се срещат в свободна форма. В шлаката от доменна пещ с въздушно охлаждане оксидите се комбинират в различни силикати и алумосиликатни минерали, като мелилит, мервинит, воластонит и др., които също съществуват под формата на естествени скали. В натрошените и смлени шлаки тези елементи присъстват под формата на стъкло. Химическият състав на шлаката варира в много тесни граници, тъй като всички суровини, заредени в доменната пещ, са много внимателно подбрани и смесени.
типичен химичен състав на доменна пещ
*предимно като калциев сулфид
Физически свойства
Физически характеристики на шлаката, като тегло, размер на частиците, структурни свойства и др. варират в зависимост от метода на обработка на стопената шлака. Съответно крайната употреба на обработената шлака също се различава в зависимост от метода на обработка.
Напоследък в България и в други страни се обръща голямо внимание на проблема с използването на вторични ресурси. Една от най-обещаващите области на обезвреждане на промишлени отпадъци е използването им в производството на строителни материали.
Металургията заема едно от водещите места сред другите отрасли. На основните технологични етапи на производството на черни и цветни метали се образуват странични продукти - отпадъци, чийто химичен и минералогичен състав и физико-механични свойства позволяват да се считат за ценна суровина за производството на строителни материали. По-голямата част от отпадъците от металургичните процеси се образуват под формата на шлака.
Шлаките са продукти на високотемпературно взаимодействие на компонентите на изходните материали - гориво, руда, наводнена и газообразна среда. Трудно е, може би, да се намери друга суровина, която да има толкова много ценни качества и в същото време да си проправи път към широкото приложение в строителната индустрия толкова дълго, като шлаката. В много части на страната са построени високи сгради и промишлени сгради от шлака, издигнати са мостове и язовири, положени са магистрални пояси. От тежък отпадък той се превръща в призната суровина за строителната индустрия [1].
Най-ранният опит за използване на шлака от доменни пещи датира от 1589 г., когато в Германия от нея са отляти гюлета. Шлаката започва да се използва в строителството едва през 18 век. INВ Нижни Тагил плочи за стъпала и павета за пътища започнаха да се отливат от разтопена шлака. В Швеция вместо тухли за полагане на върховете на шахтите на доменните пещи са използвани лети шлакови камъни. В България и в други страни отпадъчната шлака се е използвала като трошен камък при строителството на пътища. През следващите години ценните свойства на шлаките още повече привлякоха вниманието на учени и практици от цял свят към проблема с използването на шлаки в строителството [2].
За решаване на проблемите с организирането на преработката на шлаки, използването им, координирането на научните изследвания и експерименталната работа през 1933 г. в Москва е създадена Всесъюзна служба за преработка на шлаки. В много страни са създадени специални институции и организации, които се занимават с използването на шлака в строителството, понякога на базата на металургични заводи: в САЩ - Националната асоциация на шлаката, във Франция - Техническата асоциация за изследване и използване на шлаки от доменни пещи, в Канада - Националната асоциация на шлаката, в Англия - Британската асоциация на шлаката. Организацията на преработката на шлака в различните страни не е еднаква, което се обяснява със специфичните условия на всяка страна. В Англия и Германия шлаковите продукти се получават директно в металургичните заводи, в други страни шлаката в течно състояние или частично преработена се прехвърля на компании и специални фирми за производство на строителни материали. Необходимо е да се отбележат много ефективните действия на Националната шлакова асоциация на САЩ, чиито заслуги включват създаването на индустрията за преработка на шлака. Шлаката е призната за минерална суровина. Преработката на шлака се извършва главно от фирми, независими от металурзите, и само в няколко случая металургичните компании преработват шлака за собствени нужди и я продават [3]. САЩ, Великобритания, Германия,Във Франция въздушно охладените металургични шлаки се преработват главно в натрошен камък, който се използва като баласт при строителството на железопътни линии, а също така се използва като инертен материал при изграждането на настилки на летища и магистрали. Асфалтобетонните настилки с шлаков пълнител се характеризират с висока якост, устойчивост на абразия, висок коефициент на сцепление и липса на деформации на срязване. Всички продукти от преработката на шлака са икономически изгодни. Например, натрошената шлака е 1,5-2 пъти по-евтина от естествената и изисква 4,5 пъти по-малко специфични капиталови инвестиции. Шлаковата пемза е 3 пъти по-евтина от експандираната глина и изисква 1,5 пъти по-малко специфични капиталови инвестиции [4].
Портландският шлаков цимент е основният вид промишлен продукт, произведен на базата на металургични шлаки. За първи път гранулирана шлака е използвана като добавка при производството на цимент в Германия през 1892 г.
Портланд шлаковите цименти сега се използват широко в много страни за общи строителни работи, за хидравлични конструкции и за сглобяеми бетонни продукти (например бетонни тръби). По отношение на якостта те не са по-ниски от портландцимента, но се нуждаят от по-внимателна поддръжка при високи и ниски температури.
В исторически план гранулираните доменни шлаки в България и някои европейски страни се използват предимно за производството на свързващи вещества, особено за производството на портланд шлаков цимент. В САЩ и Япония се използват предимно за производство на инертни материали. Последното направление позволява да се включи значително по-голямо количество шлака в строителния комплекс, отколкото при производството на свързващи вещества от него. Производството на натрошена шлака е особено ефективно при използванетехнология за преработка на доменна шлака. В този случай се използва топлинната енергия, натрупана от шлаковата стопилка в процеса на производство на желязо. Тази технология позволява да се постигнат значителни икономии на горивни и енергийни ресурси.
През последните години се увеличават сгуроотвалите около металургичните заводи в България. Една от причините за намаляването на използването на гранулирана шлака от доменни пещи от циментовата промишленост е спадът в търсенето на Портланд шлаков цимент. В тази връзка е от голямо значение разширяването на мащаба на производството на шлаков пълнител, включително шлакова пемза, която е заместител на експандирана глина, както и лят шлаков натрошен камък за тежък бетон.
Трябва да се подчертае, че бетоните с добавъчни материали от гранулирана доменна шлака имат редица предимства пред традиционните бетони. Както беше установено в [5, 6], доменната шлака в състава на портланд циментовия бетон изпълнява функцията на активен пълнител, т.е. повърхностният му слой реагира с калциев хидроксид, освободен по време на хидролизата на алита. В този случай се образува допълнително количество калциеви хидросиликати, които създават изключително силна връзка между добавъчния материал и циментовата матрица, напълно изчезват капилярни канали, които в резултат на свиване на циментовия камък се образуват между него и повърхността на добавъчния материал. Това води до значително повишаване на устойчивостта на корозия на бетона с активен агрегат в сравнение с традиционните състави в най-агресивните среди, включително дори срещу такъв страховит вид химическа агресия като киселинна. В допълнение, поради специфичната структура и липсата на микропроцепи на границата между свързващото вещество и пълнителя, такива бетони имат отличителни физични и механични характеристики.характеристики. Това е причината за широкото използване на бетони върху шлаков пълнител в САЩ, Япония и други страни.
В България пълнителят за шлака се използва сравнително рядко, поради което има огромни резерви за разширяване на производството на бетон върху пълнител за шлака, което ще позволи да се спре растежа на сметищата за шлака в районите, където се намират металургичните заводи на България.
За анализа на българския пазар на металургични и горивни шлаки и анализа на оборудването за производство на цимент на основата на шлака можете да намерите в докладите на Академията за индустриални пазарни изследвания „Пазар на шлака в България“ и „Анализ на оборудване за производство на шлаково-алкално свързващо вещество“.