144431 (Техногенные побочные продукты промышленности как сырьё для производства стройматериалов)

Оглавление

Введение

1. Техногенные побочные продукты промышленности как сырьё для производства стройматериалов

2. История развития вопроса о применении шлаков

3. Доменные гранулированные шлаки

4. Грануляция доменных шлаков

5. Шлакопортландцемент

6. Процесс получения шлакопортландцемента

7. Применение шлакопортландцемента

8. Применение шлаков при производстве других строительных материалов. Шлаки от сжигания углей

9. Классификация шлаков от сжигания углей

10. Применение золошлаковых отходов

11. Шлаки черной и цветной металлургии

12. Шлаковая пемза

13. Процесс производства шлаковой пемзы

14. Применение шлаковой пемзы

15. Заключение

Библиографический список

Введение

Целью данной работы является рассмотрение вопросов о возможности использования техногенных побочных продуктов промышленности как сырья для производства строительных материалов.

Основное внимание уделяется рассмотрению гранулированных доменных шлаков процесс их производства и возможности их применения в шлакопортландцементе, изучаются свойства ШПЦ и отличительные признаки от обычного портландцемента. А также применение шлако-портландцемента в строительной индустрии.

Также затрагивается вопрос о классификации и использовании шлаков от сгорания углей на ТЭС, рассматривается применение строительных материалов, произведенных на основе этих шлаков.

Изучается возможность использования шлаков черной и цветной металлургии. Основное внимание в этом разделе уделяется производству шлаковой пемзы, изучению технологии ее производства, основных свойств и применении.

В конце работы подводится определенный итог по возможностям применения различных шлаков в производстве строительных материалов.

1. Техногенные побочные продукты промышленности как сырьё для производства стройматериалов

Шлаки – продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов – топлива, руды, плавней и газовой среды. Это сырье имеет множество ценных качеств и при этом очень долго пробивало путь к широкому применению в строительной промышленности. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

2. История развития вопроса о применении шлаков

Первое использование доменного шлака относится к 1589 г., когда в Германии из него отливали пушечные ядра. В строительстве шлак стали применять только в 18 веке. В Нижнем Тагиле из шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог. В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. В России и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. И сейчас ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

Во многих странах созданы специальные институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США и Канаде – Национальная шлаковая ассоциация, во Франции – Техническая ассоциация по изучению и использованию доменных шлаков, в Англии – Британская ассоциация шлака. Организация переработки шлаков в разных странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом. В США, Англии, Германии, Франции воздушно охлаждаемые металлургические шлаки в основном перерабатываются на щебень, применяемый в качестве балласта при строительстве железных дорог, а также используют как заполнитель при сооружении аэродромных покрытий и автомобильных дорог. Асфальтобетонные покрытия с применением шлакового заполнителя характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, большим коэффициентом сцепления, отсутствием сдвиговых деформаций. Вся продукция шлакопереработки экономически выгодна.

3. Доменные гранулированные шлаки

Доменные гранулированные шлаки – основной вид сырья при производстве шлаковых цементов. Их получают в качестве побочного продукта при выплавке чугуна из железной руды в доменной печи. Так же как и чугун их выпускают из печи в расплавленном состоянии, причем на 1 т чугуна получается 0,6 – 0,7 т шлака.

Основные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 90% всего состава шлака. Остальные 10% - марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит, которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

4. Грануляция доменных шлаков

Грануляция доменного шлака осуществляется путем быстрого охлаждения шлакового расплава с применением (либо без) механического раздробления еще жидкого или полузатвердевшего шлака. Цель грануляции не только превратить доменной шлак в мелкозернистый материал, что облегчает его дальнейшую переработку, но и значительно повысить гидравлическую активность - это важнейшее свойство шлака как компонента шлаковых цементов и как добавки к портландцементу. Для грануляции доменных шлаков применяют различные по своему устройству грануляционные установки; в зависимости от влажности получаемого продукта их подразделяют на установки для мокрой и полусухой грануляции.

При мокрой грануляции загруженный в шлаковозные ковши расплавленный шлак подается к наполненному водой железобетонному бассейну и сливается в него по желобам. Бассейн разделен на отдельные секции, что позволяет одновременно загружать одну секцию и выгружать гранулированные шлак из другой. Гранулированный шлак выгружается из бассейнов грейферными кранами, подающими его в открытые металлические железнодорожные вагоны, в которых шлак отправляется на склад или к потребителю.

Содержание влаги в гранулированном шлаке тем выше, чем меньше его объемный вес, т. е. чем больше пориста структура его зерен. Поры в затвердевших зернах гранулированного шлака образуются под воздействием газов, которые растворены в жидком шлаке и с понижением температуры расплава выделяются из него при охлаждении. При этом шлаковый расплав охлаждается и затвердевает настолько быстро, что выделившиеся из него газы не успевают вырваться наружу; они остаются в затвердевшем шлаке в виде мелких пузыриков и делают пористыми зерна гранулированного шлака. Пористость, а следовательно, и влажность гранулированного шлака зависят также от условий охлаждения жидкого шлака в процессе грануляции, т. е. от примененного способа грануляции.

Так, шлак полусухой грануляции, получаемый при механическом дроблении и отбрасывании в воздух предварительно охлажденного, но еще не затвердевшего шлака, приобретает более плотную структуру и имеет примерно в 1,5 раза больший объемный вес по сравнению со шлаком мокрой грануляции, полученным из того же жидкого шлака. Влажность шлака мокрой грануляции колеблется в пределах 15-35% (редко 10%), шлака полусухой грануляции 5-10%; насыпной объемный вес того и другого шлака соответственно 400-1000 и 600-1300 кг/м. Чем выше температура доменной плавки, тем более легким получается гранулированный шлак.

Установки мокрой грануляции производят большую часть гранулированного шлака, однако вследствие большой влажности и малого объемного веса получаемого при этом шлака такой способ грануляции имеет ряд недостатков:

1) Большой расход топлива на сушку шлака перед его помолом (до 80 кг условного топлива на тонну сухого шлака);

2) Низкая производительность шлакосушильного оборудования;

3) Непроизводительные перевозки железнодорожным транспортом воды, содержащейся в шлаке, а также недоиспользование подъемной силы вагонов при загрузке их легковесным шлаком;

4) Смерзаемость мокрогранулированного шлака в железнодорожных вагонах, а также бункерах и на открытых складах в зимнее время, что влечет за собой длительные сверхнормативные простои вагонов и большие затраты ручного труда при выгрузке смерзшегося шлака на цементных заводах.

Доменные гранулированные шлаки в России и некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента.

5. Шлакопортландцемент

Шлакопортландцемент - вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса или путем тщательного смешения тех же, но раздельно измельченных компонентов. Предпочтительнее применять клинкер алитово-алюминатный (с высоким коэффициентом насыщения и с увеличенным количеством трехкальциевого алюмината).

Содержание свободной извести может быть несколько выше обычного, и в этом случае не возникает опасности неравномерного изменения объема цемента, так как шлаковый компонент химически связывает известь. При наличии дешевых глиноземосодержащих материалов их добавляют в сырьевую смесь с целью повышения содержания С3А в клинкере. Необходимо, чтобы содержание ангидрида серной кислоты в цементе согласно стандарту не превышало 3,5%, а окиси магния в исходном клинкере - 5%. Количество доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 30 и не более 70% от веса цемента.

Часть шлака (не более 15% от веса цемента) может быть заменена активной минеральной добавкой.

Гидравлическая активность применяемого гранулированного шлака оказывает существенное влияние на качество шлакопортландцемента. Она тем выше, чем выше основность шлака и чем больше содержится в нем окиси алюминия. При осуществлении производственного контроля на заводах гидравлическую активность определяют физико-механическими испытаниями образцов шлакопортландцемента при различном содержании в нем данного шлака в различные сроки твердения.

6. Процесс получения шлакопортландцемента

Производственный процесс получения шлакопортландцемента заключается в предварительном высушивании доменного гранулированного шлака в сушильном барабане до влажности, не превышающей 1%, загрузке высушенного шлака, портландцементного клинкера и гипса в бункерах цементных мельниц, их точном дозировании и помоле. Как уже упоминалось, размол компонентов может быть совместным или раздельным (при последующем тщательном их смешивании). В настоящее время применяют только схему совместного помола компонентов шлакопортландцемента, более простую и технологическую.

Строгое соблюдение установленных нормативов по тонкости помола шлакопортландцемента предопределяет его качество.

• согласно стандарту тонкость помола шлакопортландцемента должна быть такой, чтобы при просеивании через сито №008 проходило не менее 85% навески.

Тонкоизмельченный гранулированный шлак обладает главным образом скрытой (потенциальной) гидравлической активностью. Возбуждается она гидратом окиси кальция, выделяющимся при гидролизе трехкальциевого силиката портландцементной составляющей (известковое возбуждение), и добавляемым при помоле сульфатом кальция (гипсовое возбуждение).

Схематически твердение шлакопортландцемента можно себе представить как результат ряда процессов, протекающих одновременно, а именно:

• гидролиза и гидратации клинкерных минералов;

• взаимодействие гидрата окиси кальция с глиноземом и кремнеземом, находящимися в шлаковом стекле, с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов, а также гидросиликоалюминатов кальция;

• взаимодействие трехкальциевого гидроалюмината кальция клинкера с сульфатом кальция с образованием гидросульфоалюмината кальция по реакции

В случае применения основного шлака, богатого окисью кальция, когда в его составе, наряду со стеклом, содержится кристаллическая фаза в виде силикатов кальция, помимо перечисленных процессов протекает также реакция гидратации этих минералов с образованием гидросиликатов кальция. Процесс взаимодействия трехкальциевого гидроалюмината с гипсом в отсутствии шлака, т. е. при твердении обычного портландцемента, протекает иначе, чем при твердении шлакопортландцемента. В данном случае четырехкальциевый гидроалюминат не может образоваться, так как известь непрерырвно связывается шлаком, и концентрация ее в жидкой фазе может не достигнуть предельной для четырехкальциевого гидроалюмината (1,08 г/л). Вследствие пониженной концентрации извести при твердении шлакопортландцемента гидросульфоалюминат кальция образуется главным образом в результате взаимодействия реагирующих компонентов в жидкой фазе; кроме того, образуются гидросиликаты более низкой основности, чем при твердении портландцемента.

Шлакопортландцемент твердеет несколько медленнее, чем портландцемент, в особенности при пониженных положительных температурах. Это объясняется значительным содержанием шлака. Однако при тончайшем помоле, в особенности двухступенчатом, и содержании шлака около 30-35% скорость твердения шлакопортландцемента такая же.

7. Применение шлакопортландцемента

В США и Японии доменные гранулированные шлаки применяются в основном для производства заполнителя. Последнее направление позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака, чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.